雙聲納探頭差動(dòng)掃描的掛舷式船舶吃水測(cè)量方法*

吳 俊， 舒岳階， 周遠(yuǎn)航

(1.重慶交通大學(xué) 西南水運(yùn)工程科學(xué)研究所，重慶 400016; 2.重慶交通大學(xué) 內(nèi)河航道整治技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074)

雙聲納探頭差動(dòng)掃描的掛舷式船舶吃水測(cè)量方法*

吳 俊1,2， 舒岳階1， 周遠(yuǎn)航1

(1.重慶交通大學(xué) 西南水運(yùn)工程科學(xué)研究所，重慶 400016; 2.重慶交通大學(xué) 內(nèi)河航道整治技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074)

針對(duì)現(xiàn)有船載式船舶吃水測(cè)量方法的局限，提出了一種基于雙聲納探頭差動(dòng)掃描的掛舷式船舶吃水測(cè)量方法。在詳細(xì)分析船舶弧形輪廓外形基礎(chǔ)上，利用雙聲納探頭差動(dòng)掃描技術(shù)，建立測(cè)量船舶吃水量的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)了一種船舶吃水測(cè)量方法。設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)方案，搭建了小比尺船模吃水深度實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，獲取了小比尺船模吃水深度，通過對(duì)5組吃水測(cè)量結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，小比尺船模吃水深度測(cè)量最大相對(duì)誤差為4.87 %，精度較高,滿足實(shí)際工程誤差要求，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方案的可行性。

船舶工程； 超吃水； 超聲波； 回波； 船舶吃水

0 引 言

大型船舶的“超吃水”問題已經(jīng)成為航道主管部門關(guān)注的重大問題[1]?，F(xiàn)有船舶吃水深度檢測(cè)方法主要可分為兩類：1)固定式，主要包含側(cè)壁聲吶陣列固定測(cè)量法、水底聲吶陣列固定測(cè)量法與雙測(cè)深儀檢測(cè)法。該類方法需將測(cè)量裝置固定在航道某個(gè)位置，安裝和維護(hù)麻煩，而且由于枯水期危險(xiǎn)淺灘具有分散性，固定安裝方式不能靈活地對(duì)航道中疑似超吃水船舶進(jìn)行隨機(jī)抽查[2～7]。2)船載式，主要為圖像法與多波束側(cè)掃聲吶，該類裝置可安裝在執(zhí)法船上，靈活對(duì)船舶進(jìn)行吃水深度測(cè)量，但是圖像法受限條件較多，測(cè)量精度不高，多波束側(cè)掃聲吶完全依賴進(jìn)口，價(jià)格極為昂貴，且在寬淺河道使用時(shí)易受混響信號(hào)影響，所以，多波束聲吶側(cè)掃測(cè)量方法難以在內(nèi)河航道推廣使用[8～10]。

通過比較固定式與船載式兩種測(cè)量方法，不難發(fā)現(xiàn)船載式船舶吃水測(cè)量方法靈活、方便，直接搭載在執(zhí)法船上即可流動(dòng)測(cè)量，代表了船舶吃水測(cè)量技術(shù)的發(fā)展方向。本文針對(duì)現(xiàn)有船載式船舶吃水測(cè)量方法的局限，提出了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低的搭載式船舶吃水測(cè)量新方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，測(cè)量最大相對(duì)誤差為4.87 %，滿足工程應(yīng)用要求。

1 船舶吃水測(cè)量基本原理

基于雙超聲探頭差動(dòng)掃描的掛舷式船舶吃水測(cè)量方法如圖1所示，測(cè)量裝置直接安裝固定在執(zhí)法船的船舷上，包含電機(jī)、豎向?qū)к?、收發(fā)式超聲探頭、接收型超聲探頭、控制部件與信號(hào)處理部分。以水面作為船舶吃水測(cè)量的基準(zhǔn)面，收發(fā)式超聲探頭與接收型超聲探頭可在軟件控制下沿導(dǎo)軌豎向差動(dòng)掃描測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶吃水深度的測(cè)量。

如圖1(a)所示，當(dāng)超聲波波束以水平方向投射在其垂直區(qū)域上時(shí)，僅收發(fā)式超聲波探頭即可獲取到有效回波信號(hào)；當(dāng)掃描階段進(jìn)入船舶殼體下部弧面區(qū)域后，如圖1(b)所示，由于回波信號(hào)與超聲波波束信號(hào)之間存在夾角，當(dāng)夾角達(dá)到一定數(shù)值后，收發(fā)式超聲波探頭無法獲取到有效回波信號(hào)，此時(shí)，通過使收發(fā)式超聲波探頭駐停在信號(hào)跳變位置，同時(shí)控制接收型超聲波探頭向下移動(dòng)以尋找有效回波信號(hào)，當(dāng)接收型超聲波探頭尋找到有效回波信號(hào)后，根據(jù)超聲波定位原理以及簡(jiǎn)單的幾何關(guān)系，確定出反射面的位置，最終根據(jù)掃描過程中記錄到的反射面位置復(fù)原出船舶的外壁輪廓，進(jìn)而檢測(cè)出船舶的吃水深度。

圖1 測(cè)量原理

當(dāng)收發(fā)式超聲波探頭工作在被測(cè)船弧形區(qū)域時(shí)，由于超聲波反射平面為弧形，因此，收發(fā)式超聲波探頭、接收型超聲波探頭和反射面三者的位置構(gòu)成直角三角形[11]。

設(shè)絲杠對(duì)應(yīng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)行程為l0/脈沖，信號(hào)控制器向收發(fā)式超聲波探頭滑塊發(fā)出脈沖數(shù)為n1，則收發(fā)式超聲波探頭距離執(zhí)法船面距離h1為

h1=l0n1

(1)

設(shè)絲杠對(duì)應(yīng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)行程為l0/脈沖，信號(hào)控制器向接收型超聲波探頭滑塊發(fā)出脈沖數(shù)為n2，則接收型超聲波探頭距離執(zhí)法船面距離h2為

h2=l0n2

(2)

設(shè)超聲波波速為v1，發(fā)射和接收超聲波時(shí)間差為t2，則超聲波的行程s為

s=v1t2

(3)

根據(jù)圖1(b)所示形成的三角關(guān)系可得

(s-L)2=L2+(h2-h1)2

(4)

化解式(4)可得收發(fā)式超聲波探頭與超聲波反射面之間的水平距離L為

(5)

根據(jù)圖1以及式(1)、式(5)可以實(shí)時(shí)計(jì)算出被測(cè)船相對(duì)于執(zhí)法船的輪廓點(diǎn)，其每一時(shí)刻輪廓點(diǎn)坐標(biāo)值為(L(t),h1(t))；根據(jù)實(shí)時(shí)輪廓點(diǎn)繪制出被測(cè)船輪廓線,并且找出輪廓線最低點(diǎn),計(jì)算出被測(cè)船舶吃水深度h1(n1)。

2 船舶吃水測(cè)量系統(tǒng)組成及算法研究

2.1 船舶吃水測(cè)量系統(tǒng)組成

船舶吃水測(cè)量系統(tǒng)主要由信號(hào)處理控制器、步進(jìn)電機(jī)、導(dǎo)軌、絲杠、滑塊、收發(fā)式超聲波探頭、接收型超聲波探頭組成，具體船舶吃水測(cè)量系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 船舶吃水深度測(cè)量系統(tǒng)組成示意

傳動(dòng)裝置和滑塊均設(shè)置于支架外側(cè)面上，支架內(nèi)側(cè)面與執(zhí)法船側(cè)舷連接；傳動(dòng)裝置與滑塊通過絲杠副連接，并且2個(gè)滑塊的運(yùn)動(dòng)范圍相同；收發(fā)式超聲波探頭設(shè)置于一個(gè)滑塊上，接收型超聲波探頭設(shè)置于另一個(gè)滑塊上；收發(fā)式超聲波探頭和接收型超聲波探頭運(yùn)動(dòng)軌跡同軸線如圖3所示。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通過絲杠副將轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為滑塊直線運(yùn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)滑塊的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。

2.2 船舶吃水測(cè)量算法研究

執(zhí)法船檢測(cè)被測(cè)船吃水深度的具體方法如圖3。

1)檢測(cè)開始，收發(fā)式超聲波探頭發(fā)射超聲波并獲取回波信號(hào)，同時(shí)，收發(fā)式超聲波探頭下移并且記錄脈沖數(shù)n1。

2)若收發(fā)式超聲波探頭始終能收到回波信號(hào)并且其下移至最大行程位置處，則根據(jù)式(1)計(jì)算吃水深度；若在下移過程中收發(fā)式超聲波探頭回波信號(hào)消失則駐停，并且啟動(dòng)接收型超聲波探頭下移，若接收型超聲波探頭下移至最大行程位置處時(shí)仍無法收到回波信號(hào)，則根據(jù)式(1)計(jì)算吃水深度；若接收型超聲波探頭下移過程中收到了回波信號(hào)，則接收型超聲波探頭在該位置處駐停。

3)收發(fā)式超聲波探頭繼續(xù)下移，若其下移至最低處時(shí)，接收型超聲波探頭仍能接收到回波信號(hào)，則根據(jù)式(1)計(jì)算吃水深度；收發(fā)式超聲波探頭在下移過程中若接收型超聲波探頭回波信號(hào)消失，則收發(fā)式超聲波探頭駐停，接收型超聲波探頭繼續(xù)下移；若接收型超聲波探頭下移至最低處時(shí)仍無法收到其回波信號(hào)，則根據(jù)式(1)計(jì)算吃水深度；若接收型超聲波探頭下移過程中接收型超聲波探頭收到回波信號(hào)，則接收型超聲波探頭駐停，返回步驟(3)。

4)檢測(cè)過程結(jié)束，收發(fā)式超聲波探頭和接收型超聲波探頭關(guān)閉并回到初始位置處。

3 實(shí)驗(yàn)研究與結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，控制器控制收發(fā)式超聲波探頭發(fā)射接收超聲波、步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)以及接收型超聲波探頭接收超聲波。

圖4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)中，選用主頻為100kHz的收發(fā)式超聲波探頭，其水下有效傳播距離為100m，測(cè)量組件的線性掃描精度為0.5mm/脈沖，豎直方向往復(fù)掃描量程為25cm。實(shí)驗(yàn)船舶選用川江3 000t級(jí)典型船舶，利用其1∶50比尺船模進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)僅在靜水條件下進(jìn)行。

圖5 小比尺船模

實(shí)驗(yàn)以水面作為基準(zhǔn)面，掃描脈沖數(shù)等于控制器脈沖累計(jì)計(jì)數(shù)器數(shù)值，根據(jù)h1=nll0計(jì)算船舶吃水深度。對(duì)船舶共進(jìn)行了5次吃水深度測(cè)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。其中，導(dǎo)軌滑塊運(yùn)動(dòng)距離為0.5 mm/脈沖，實(shí)際吃水深度為15.4 cm。

表1 測(cè)量結(jié)果

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，最大相對(duì)誤差為4.87 %，滿足實(shí)際工程船舶吃水深度測(cè)量要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種成本較低、安裝簡(jiǎn)便、可搭載在執(zhí)法船上進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)船舶吃水深度的測(cè)量系統(tǒng)。對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了硬件設(shè)計(jì)以及測(cè)量算法分析，并且設(shè)計(jì)了小比尺船舶吃水測(cè)量實(shí)驗(yàn)獲取了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過對(duì)5組吃水測(cè)量結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，吃水深度測(cè)量最大相對(duì)誤差為4.87 %，其精度較高可以滿足工程實(shí)踐要求，驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)方案的可行性。

[1] 童 飛,曾 文.“超吃水”航行管理問題研究[J].中國(guó)水運(yùn),2008(7)：32-33.

[2] 駱國(guó)強(qiáng),朱漢華,陳一奇,等.手持式智能船舶吃水及載重測(cè)量?jī)x研制[J].航海工程,2007,36(6):27-29.

[3] 陳文煒,俞 汲,徐 杰,等.一種船舶吃水測(cè)量系統(tǒng)[J].中國(guó)造船,2013,54(1):166-171.

[4] 吳 俊,丁甡奇,余 葵,等.內(nèi)河離港船舶吃水在線動(dòng)態(tài)掃描檢測(cè)方法[J].水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào),2013(5)：83-88.

[5] 吳 俊,丁甡奇,余 葵,等.船舶底部縱剖輪廓線掃描測(cè)量方法[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào),2014,14(2)：62-67.

[6] 孫國(guó)元,毛奇凰.自動(dòng)檢測(cè)船舶吃水和穩(wěn)性參數(shù)的方法探討[J].中國(guó)航海,2002(2):28-30.

[7] 王 勇,顏昌平.船舶吃水現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)及方法探討[J].中國(guó)水運(yùn)報(bào)，2008(8):44-45．

[8] 熊木地,朱四印,李 祿,等.通航船舶吃水實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方法研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2012,33(1):173-180.

[9] 羅 寧.內(nèi)河船舶吃水自動(dòng)檢測(cè)裝置研究及應(yīng)用前景[J].中國(guó)水運(yùn),2012,12(2):86-88.

[10] 畢方全，梁 山.船舶“超吃水”航行動(dòng)態(tài)檢測(cè)方法研究[J].中國(guó)水運(yùn),2011,11(7):1-3.

[11] 閆其年,王 旭.簡(jiǎn)易超聲水聽傳感器的設(shè)計(jì)與制作方法[J].傳感器與微系統(tǒng),2010,29(11):117-119.

Ship’s draft measurement method based on double probe differential scanning sonar for hanging type side ship*

WU Jun1,2, SHU Yue-jie1, ZHOU Yuan-hang1

(1.Southwestert Research Institute of Waterway Engineering,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400016,China; 2.Key Laboratory for Inland Waterway Engineering of Ministry of Transport,Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074,China)

In view of the limitation of the existing ship’s draft measurement methods.A hanging side ship method based on double sonar probe differential scanning is presented to detect the depth of ship’s draft.On the basis of detailed analysis on ship’s curved contour shape,use double sonar differential scanning technology,mathematical model for ship’s draft measurement is set up,design a draught measurement method of ship.Through statistical analysis on 5 groups of draft measurement results,it is found that the maximum relative error is only 4.87 %,and the precision is higher than the actual engineering error,which verifies the feasibility of the design scheme.

ship engineering; super draft; ultrasonic; echo; ship’s draft

2016—07—05

重慶市基礎(chǔ)與前沿計(jì)劃資助項(xiàng)目(CSTS 2014JCYJA70006)；重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(KJ1500514)

10.13873/J.1000—9787(2017)06—0032—03

U 666

A

1000—9787(2017)06—0032—03

吳 俊(1981-)，男，工學(xué)博士，副研究員，主要從事水運(yùn)航道工程相關(guān)測(cè)量技術(shù)研究工作，E—mail：wujun_gd@126.com。