[發明專利]一種船舶吃水超限檢測系統及其檢測方法

有效

• 申請號: 201410171888.5
• 申請日: 2014-04-25
• 公開（公告）號: CN103913746A
• 公開（公告）日: 2014-07-09
• 發明（設計）人: 熊木地;劉新建;羅寧;陳冬元
• 申請（專利權）人: 大連海事大學
• 主分類號: G01S15/88
• 分類號: G01S15/88;B63B39/12
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 李洪福

1.一種船舶吃水超限檢測系統，其特征在于：包括同步信號產生模塊(1)、超聲波發射模塊(2)、超聲波接收模塊(3)、測距模塊(4)、數據處理模塊(5)和顯示報警模塊(6)；

所述的同步信號產生模塊(1)采用搭建硬件電路或者利用GPS同步時鐘的方式同時向超聲波發射模塊(2)、超聲波接收模塊(3)和測距模塊(4)發射同步信號，使這三個模塊同時開始工作；

所述的超聲波發射模塊(2)包括同步信號接收裝置、超聲波發射器、角度測量器和支架；所述的同步信號接收裝置用來接收同步信號；超聲波發射器發出小角度的持續時間為Δt的超聲波脈沖；角度測量器測量出超聲波發射器發出的超聲波發射中心線(15)與吃水警戒線的角度偏移量β，用于最后測量結果的修正；支架用來將超聲波發射模塊(2)固定安裝在航道的一側；超聲波發射器發出的超聲波發射中心線(15)與規定的船舶吃水警戒線(7)重合或接近；

所述的超聲波接收模塊(3)包括線性陣列式超聲波接收模塊(3)或非線性陣列式超聲波接收模塊(3)；所述的線性陣列式超聲波接收模塊(3)包括同步信號接收裝置、線性超聲波接收器陣列(8)、數據傳輸裝置和支架；同步信號接收裝置接收同步信號；超聲波接收器陣列(10)接收未被障礙物阻擋傳播來的超聲波；數據傳輸裝置將超聲波接收器陣列(10)的測量結果傳輸給數據處理模塊(5)；支架將此模塊固定安裝在航道與超聲波發射模塊(2)相對的另一側；線性超聲波接收器陣列(8)方向豎直并且其中心點位于或者接近船舶吃水警戒線(7)；所述的非線性陣列式超聲波接收模塊(3)包括同步信號接收裝置、浮箱(9)、超聲波接收器陣列(10)、DGPS定位裝置和數據傳輸裝置；同步信號接收裝置接收同步信號；浮箱(9)用來固定安裝超聲波接收器陣列(10)，使其能在水中保持靜止的狀態；超聲波接收器陣列(10)的陣列面大于發射來的超聲波有效圓形面(11)；DGPS定位裝置監控并定位浮箱(9)的位置坐標，監測浮箱(9)是否偏離出有效的接收位置；數據傳輸裝置將超聲波接收器陣列(10)的測量結果傳輸給數據處理模塊(5)；所述的DGPS定位裝置為差分全球定位系統定位裝置的簡稱；

所述的測距模塊(4)包括同步信號接收裝置、測距裝置和數據傳輸裝置；測距模塊(4)的測距點與超聲波發射模塊(2)的超聲波發出點位于同一豎直線上。

2.一種船舶吃水超限檢測系統的檢測方法，其特征在于：包括以下步驟：

A、同步信號產生模塊(1)發出同步信號

同步信號產生模塊(1)采用搭建硬件電路或者GPS同步時鐘發出同步信號，保證超聲波發射模塊(2)、超聲波接收模塊(3)和測距模塊(4)同時開始工作，測得船舶同一時刻的所需數據；

B、超聲波發射模塊(2)發出超聲波

超聲波發射模塊(2)安裝在航道一側，它以船舶吃水警戒線(7)為中心發出小角度的超聲波脈沖；此超聲波脈沖為固定頻率，便于與水中其它聲波的區分；超聲波在傳輸途中沒有被遮擋時，會完整的被超聲波接收模塊(3)接收；當中途被船舶遮擋時，超聲波接收模塊(3)接收到的超聲波信號會發生變化；

C、超聲波接收模塊(3)接收超聲波

超聲波接收模塊(3)根據測量環境的不同，分別采用以下方式工作：當航道兩側距離短、水深且水質澄澈，聲波的多途相應不明顯時轉步驟C1；否則，轉步驟C2；

C1、當航道兩側距離短、水深且水質澄澈，聲波的多途效應不明顯時，超聲波接收模塊(3)采用線性陣列式超聲波接收模塊(3)，在測量船舶吃水是否超限之前，預先準確測量出在沒有障礙物時線性超聲波接收器陣列(8)能接收到超聲波的有效范圍的長度M，轉步驟D；

C2、當在航道兩岸距離長，水淺且水質渾濁，聲波的多途效應明顯的環境中，超聲波接收模塊(3)受外界干擾嚴重，采用非線性陣列式超聲波接收模塊(3)；超聲波發射模塊(2)和超聲波接收模塊(3)同時開始工作，沿著最短直線路徑傳播來的超聲波經過時間t開始被超聲波接收器陣列(10)接收，而因多途效應沿著散亂路徑折射、反射來的超聲波由于路徑長、方向雜散、能量分散的原因，到達超聲波接收器陣列(10)的時間大于t，且波形的強度弱，所以接收到的有效的超聲波脈沖應該在時間t～t+Δt間隔內，且其信號強度遠大于干擾信號強度；因此從超聲波接收器陣列(10)接收到的超聲波的延遲時間和波形強度準確的判定出接收信號的有效范圍，從而消除聲波的多途效應對測量結果的影響；在測量船舶吃水是否超限之前，預先準確測量出在沒有障礙物時超聲波接收器陣列(10)能接收到超聲波的有效圓范圍的直徑長度M；

D、測距模塊(4)測距

測距模塊(4)在接收到同步信號之后開始工作，測得測距點到船身的距離L₁，然后將所測得的結果由數據傳輸裝置傳輸給數據處理模塊(5)；

E、數據處理模塊(5)進行數據處理

設數據處理模塊(5)從船舶的VTS信息或者AIS信息中得船身半寬度為L₂，從測距模塊(4)接收到超聲波發射模塊(2)到船身的距離為L₁，則超聲波發射模塊(2)到船舶底部中心的水平距離L₃＝L₁+(L₂/2)；在超聲波發射模塊(2)開始工作后，沿著最短直線路徑傳播來的超聲波經過時間T開始被超聲波接收器陣列(10)接收，而因多途效應沿著散亂路徑折射、反射來的超聲波由于路徑長、能量分散的原因，到達超聲波接收器陣列(10)的時間大于T，且波形的強度弱，因此從超聲波接收器陣列(10)接收到的超聲波的延遲時間和波形強度可以準確的判定出接收信號的有效范圍，從而消除聲波的多途效應對測量結果的影響；設超聲波接收器陣列(10)接收有效信號范圍長度為D₁，發射的超聲波發射中心線(15)與吃水警戒線角度偏移量為β；在無船舶駛進檢測區域之前，預先測量超聲波接收器陣列(10)接收超聲波范圍的完全有效長度M；

設超聲波發射模塊(2)為a；在有船舶阻擋超聲波傳播時，超聲波接收器陣列(10)接收信號范圍的有效上限點為b；發射超聲波的中心線與超聲波接收器陣列(10)的交點為c；吃水警戒線與超聲波接收器的交點為d；船底點為e；船舶中心線與吃水警戒線交點為f；船底到吃水警戒線的距離為H；超聲波發射模塊(2)和超聲波接收器陣列(10)之間的水平距離L₄為已知；b、c兩點之間的長度D₂＝D₁-M/2；a、f兩點之間的長度L₃＝L₁+L₂；c、d兩點之間的距離D₃＝L₄×tanβ；首先根據D₁與M的關系進行判定，若D₁＝M，則轉E1；若D₁≤(M/2－D₃)，則轉E2；若(M/2－D₃)≤D₁＜M，則轉E3；

E1、待測船舶(12)駛過測量區時并沒有對超聲波的傳播產生阻礙，說明船舶吃水深度比警戒線要淺，可以安全通航；轉F；

E2、待測船舶(12)駛過測量區時已經對超聲波的傳播產生阻礙，并且船底吃水深度已經超過警戒線；轉F；

E3、待測船舶(12)駛過測量區時已經對超聲波的傳播產生阻礙，但是船底吃水深度未超過警戒線，對警戒程度進行進一步的判定；在Δabc和Δaef中∠a所對應的兩組正切比相等，所以有：

HL3=D2+D3L4]]>

即推出船舶吃水深度與警戒線的距離：

H=(D2+D3)×L3L4]]>

根據H的大小對船舶的吃水深度警告等級進行分級，得到最終的測量結果；

F、顯示報警模塊(6)進行顯示報警

顯示報警模塊(6)根據數據處理模塊(5)的測量結果進行顯示或報警。