一種多節(jié)點(diǎn)聲吶陣列在船舶水下安檢系統(tǒng)中的應(yīng)用?

陳孟君 仝志永 曹 仲

（1.中國船舶重工集團(tuán)公司第七一О研究所 宜昌 443003）

（2.中國長江三峽集團(tuán)公司三峽樞紐建設(shè)運(yùn)行管理局 宜昌 443133）

1 引言

另據(jù)了解，也有一些自航貨駁船為了防止因船舶碰撞或擱淺對船體造成損壞，在船舶底部安裝有護(hù)底板，主要是用于保護(hù)船舶底部的舵葉和螺旋槳。護(hù)底板大都安裝在舵葉和螺旋槳下部，并與船舶底部牢固地焊接，這些護(hù)底板一般突出船底龍骨0.4m～0.5m，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，當(dāng)船舶出現(xiàn)擱淺時(shí)，這部分裝置首先擱淺，從而造成整個(gè)船體擱淺，對航道的破壞影響非常大［2］。

另一方面，隨著國際戰(zhàn)略形勢的變化，敵對沖突模式也在不斷發(fā)展。“9.11事件”的發(fā)生，徹底改變了傳統(tǒng)意義上的恐怖襲擊方式，多元化、隱蔽性的特點(diǎn)日趨突出。江河大壩和港口是我國重要的大型水利設(shè)施，來往船舶眾多。目前，該類區(qū)域雖擁有完善的陸上和水面安全檢查措施，但船舶水面以下部分的安檢手段極度匱乏。恐怖分子控制民用船舶后，一旦將水下爆炸物放置在船舶底部水下，就可能順利通過現(xiàn)有的水面安全檢查，對該類設(shè)施發(fā)動(dòng)恐怖襲擊，引起經(jīng)濟(jì)損失、造成惡劣的政治和社會(huì)影響。

此外，船只通過船底非法夾帶或拖帶走私物品，現(xiàn)場肉眼不易發(fā)現(xiàn)，往往容易躲過海關(guān)緝私部門的檢查，給國家造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。

鑒于此，了解并開展船舶的水下安檢方面的工作是十分有意義和必要的。

2 船舶水下安檢的發(fā)展現(xiàn)狀

船舶水下安檢主要包括船舶吃水檢測、船舶水下拖帶物或船底附著危險(xiǎn)物等幾個(gè)方面。

對于船舶吃水檢測，目前檢測手段主要有人工檢測和自動(dòng)檢測兩種。人工觀測船舶吃水線標(biāo)尺讀數(shù)是人工檢測船舶吃水量的主要方式。檢測時(shí)，被測船舶需要保持相對靜止?fàn)顟B(tài)，測量人員登船測量或是乘坐檢測用小艇靠近被測船舶測量。測量人員需要分別讀取被測船舶左右舷船首、中、尾共六處吃水線標(biāo)尺的讀數(shù)，然后據(jù)此計(jì)算出被測船舶的實(shí)際吃水量，該測量方法有很大的局限性，已經(jīng)不能適應(yīng)當(dāng)前需求。首先，其容易引入主觀誤差。第二，天氣條件不好時(shí)，或水尺被侵蝕、氧化引起磨損、脫落，或受到泥砂、油垢污染時(shí)，字符很難辨認(rèn)。第三，對于水尺不準(zhǔn)確、故意畫小水尺，以及有些船舶在船底安裝護(hù)板，現(xiàn)場無法觀測等情況，工作人員不能掌握真實(shí)吃水?dāng)?shù)據(jù)。第四，船舶需靠岸檢查，耗費(fèi)大量時(shí)間，影響通航效率［3］。

目前除了人工檢測外，常用于船舶吃水自動(dòng)檢測的技術(shù)手段大致包括以下幾種［4～5］：

津保橋?yàn)樾陆ㄌ旖蛑帘６ㄨF路工程，右線跨津保鐵路特大橋，跨越西外環(huán)河及西外環(huán)，主橋上部結(jié)構(gòu)類型為有砟軌道矮塔斜拉橋?？卓绮贾貌捎?84+56+32)m矮塔斜拉橋方案，結(jié)構(gòu)體系為塔墩梁剛結(jié)的結(jié)構(gòu)體系，膺架現(xiàn)澆施工。主梁全長172.4 m，主墩橋墩高24 m，主墩處梁高6 m，塔高20 m，最小凈空22 m，跨外環(huán)橋處最大凈空12.9 m。

1）超聲波測量法：超聲波傳感器陣列測量就是依據(jù)超聲波測距原理，以船體舷邊甲板為基準(zhǔn)測量船舶吃水，通過測量超聲波回波返回的時(shí)間，根據(jù)當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)芈曀?，測得船體主甲板至水面的距離等參數(shù)，計(jì)算出吃水值；

2）壓力傳感器測量法：此方法是在船舶空載吃水線上安裝壓力傳感器，當(dāng)船舶裝載貨物下沉?xí)r，根據(jù)壓力傳感器的信號(hào)反饋得到吃水量數(shù)據(jù)。該方法原理簡單易實(shí)現(xiàn)，但是壓力傳感器安裝在船體外側(cè)，工作環(huán)境非常惡劣，容易導(dǎo)致儀器損壞，得不到準(zhǔn)確吃水?dāng)?shù)據(jù)；

3）激光測距測量法：測量原理類似于超聲波測量，利用光速的不變性，通過測量激光束往返的時(shí)間，間接獲得當(dāng)時(shí)的水位信息；

4）電子水尺測量法：就是利用水的導(dǎo)電性，采用類似于人工觀測水位的方法，它是自上而下依次讀取每個(gè)感應(yīng)觸點(diǎn)（即探針）的電導(dǎo)，在探測到探針和水面接觸的位置，探針間的電導(dǎo)會(huì)突變增大從而確定水位值，該方法由于探針及電路直接與水接觸，較易被損壞，適應(yīng)性較差；

5）圖像識(shí)別法：基于圖像處理技術(shù)，對水尺刻度進(jìn)行識(shí)別，即利用攝像機(jī)拍攝船只水尺，并利用相應(yīng)算法對拍攝圖像進(jìn)行識(shí)別和處理，進(jìn)而得到吃水深度。該方法設(shè)備簡單、造價(jià)低，可代替人工觀測實(shí)現(xiàn)無人化不間斷監(jiān)控。但該方法仍依賴于水尺準(zhǔn)確程度和清晰度，且當(dāng)船舶姿態(tài)不正時(shí)，測量誤差較大。

上述幾種檢測方法或依賴船舶的吃水線標(biāo)記，或需要安裝在船上，無法滿足船舶吃水離船快速檢測的要求。當(dāng)這些設(shè)備安裝在船體上時(shí)，設(shè)備的管理及其維修與船員的能力有很大關(guān)系，其檢測效果受船體、船速的影響較大，其檢測結(jié)果的可靠性受人為因素影響。所以，從某種程度上講，這些檢測手段并不能滿足船舶監(jiān)督管理和船舶吃水控制現(xiàn)實(shí)的需要。經(jīng)文獻(xiàn)查詢可知，目前國內(nèi)已有相關(guān)單位開展過多波束用于船舶吃水及超載檢測方面的應(yīng)用研究［6］。

另外，對于船底水下拖帶物檢測，文獻(xiàn)［7］提出了一種“反走私水下取證系統(tǒng)”，該系統(tǒng)主要包括安裝于緝私艇上水下機(jī)器人和探測聲吶，能夠?qū)Ω难b過的船只進(jìn)行識(shí)別，對船底走私物進(jìn)行檢查和辨識(shí)，達(dá)到現(xiàn)場取證，打擊走私的目的。文獻(xiàn)［8］提出了一種利用多波束掃描船底的水下安檢系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括多波束和水下浮動(dòng)平臺(tái)等，多波束安裝在水下平臺(tái)上朝水面發(fā)射，對通過的船只底部進(jìn)行掃描檢測，形成船底圖像，可對船底異物進(jìn)行有效檢測。

綜上分析，采用常規(guī)的光學(xué)或其他測量方法難以可靠和高效地對船舶吃水及船底情況進(jìn)行檢測，而聲探在水中是唯一有效的信息載體，可快速高效地完成船舶水下安檢工作，本文接下來將要介紹一種多節(jié)點(diǎn)聲吶陣列在船舶水下安檢系統(tǒng)中的應(yīng)用。

3 多節(jié)點(diǎn)聲吶陣列

3.1 系統(tǒng)組成

多節(jié)點(diǎn)聲吶陣列系統(tǒng)主要包含多組聲吶陣元、數(shù)據(jù)傳輸鏈路、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器、電纜組件及岸上綜合處理機(jī)，聲吶陣列由若干個(gè)水下聲吶陣元串聯(lián)組成，每組聲吶陣元里包括若干個(gè)（如3～5個(gè)）單波束聲吶頭，聲吶頭安裝越密，系統(tǒng)探測分辨率越高，聲吶陣列數(shù)量越多，水面探測范圍越寬。

聲吶陣列系統(tǒng)安裝在水下平臺(tái)上，平臺(tái)布放在安檢區(qū)域航道水下固定深度，采用多組聲吶陣元擺成一定長度呈直線并行安裝的方式，當(dāng)受檢船只從其上方通過時(shí)，聲吶陣列系統(tǒng)對經(jīng)過的船只水下部分進(jìn)行掃描，聲信號(hào)遇船舶底部反射被陣列接收，聲吶掃描的原始數(shù)據(jù)通過復(fù)合纜上傳至岸基站的水上綜合處理機(jī)，經(jīng)數(shù)據(jù)圖像處理后能得到船只吃水及船底三維圖像信息［9］。

系統(tǒng)工作示意圖見圖1。

圖1 聲吶陣列系統(tǒng)工作示意圖

3.2 基本原理

在多節(jié)點(diǎn)聲吶陣列系統(tǒng)中，單個(gè)聲吶頭完成在一個(gè)窄波束范圍內(nèi)的聲脈沖發(fā)射，接收回波進(jìn)行信號(hào)調(diào)理和采集，將結(jié)果數(shù)據(jù)打包通過數(shù)據(jù)傳輸鏈路送到水上綜合處理機(jī)進(jìn)行圖像信號(hào)處理和顯示。聲吶頭工作頻率在600kHz～700kHz之間，每個(gè)聲吶頭具有獨(dú)立的地址，岸基站水上綜合處理機(jī)通過數(shù)據(jù)傳輸鏈路的下行指令控制聲吶頭的工作狀態(tài)，相鄰的聲吶頭采用分時(shí)工作，避免了相互干擾。3～5個(gè)聲吶頭組成一組聲吶陣元，包括換能器、水密殼體，以及聲吶陣元兩端的水密連接纜和裝在聲吶陣元內(nèi)部的信號(hào)處理及通信單元［10］。

根據(jù)聲吶數(shù)據(jù)容量和傳輸速度及系統(tǒng)的多節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸特點(diǎn)，數(shù)據(jù)傳輸鏈路采用了LVDS傳輸?shù)姆绞?。LVDS是一種小振幅差分信號(hào)技術(shù)，也是一種為滿足高性能數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用的新型技術(shù)。它具有傳輸速度快，功耗低，抗干擾能力強(qiáng)，傳輸距離遠(yuǎn)，易于匹配等優(yōu)點(diǎn)［11～12］。

聲吶陣列數(shù)據(jù)傳輸鏈路見圖2所示，其功能是完成命令、狀態(tài)數(shù)據(jù)和聲吶數(shù)據(jù)的傳輸。數(shù)據(jù)傳輸鏈路包括數(shù)據(jù)傳輸模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器和水上綜合處理機(jī)等。

圖2 數(shù)據(jù)傳輸鏈路示意圖

數(shù)據(jù)傳輸模塊是數(shù)據(jù)傳輸鏈路的核心，每個(gè)數(shù)據(jù)傳輸模塊包括接收本地聲吶陣元的數(shù)據(jù)、上一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸模塊的LVDS數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理和將數(shù)據(jù)傳送給下一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸模塊。數(shù)據(jù)傳輸模塊的核心處理器采用了現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA），主要實(shí)現(xiàn)本地聲吶陣元聲學(xué)數(shù)據(jù)的接收，前端數(shù)據(jù)傳輸模塊的數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)處理和把相關(guān)的數(shù)據(jù)送給下一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸模塊。前端數(shù)據(jù)傳輸模塊輸出的差分LVDS信號(hào)經(jīng)過差分和串并轉(zhuǎn)換后，通過并口送給FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)，確認(rèn)無誤后再由FPGA的發(fā)送模塊進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換、發(fā)射均衡和差分驅(qū)動(dòng)后發(fā)送給后端數(shù)據(jù)傳輸模塊，數(shù)據(jù)傳輸模塊結(jié)構(gòu)框圖見圖3。

圖3 數(shù)據(jù)傳輸模塊結(jié)構(gòu)框圖

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器的主要功能是除了給各聲吶陣元供電之外，還把各個(gè)數(shù)據(jù)傳輸模塊輸入的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，通過光纖傳送到水上綜合處理機(jī)。岸基站水上綜合處理機(jī)通過光纖接收聲吶頭采集的數(shù)據(jù)，完成每個(gè)聲吶頭聲學(xué)信號(hào)和聲學(xué)圖像處理，并根據(jù)聲吶頭地址和安裝位置的對應(yīng)關(guān)系，將所有單個(gè)聲吶頭的掃描信息進(jìn)行融合，顯示掃描到的完整圖像。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

本文所述的多節(jié)點(diǎn)聲吶陣列經(jīng)過了多次湖上和長江實(shí)船試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明，由聲吶陣列掃描船底測量得出的結(jié)果與真實(shí)船只情況相符合。當(dāng)然，測量結(jié)果會(huì)因?yàn)榇煌ㄟ^速度、螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)情況及船只艏向偏移等因素存在一定的誤差，通過控制船只低速通過安檢區(qū)，測量誤差大大減小。圖4為湖上試驗(yàn)船只通過聲吶陣列上方時(shí)在某個(gè)時(shí)刻船只截面的吃水情況實(shí)時(shí)效果圖，由圖中可以看出該時(shí)刻船只斷面輪廓的吃水狀態(tài)及深度信息，整個(gè)船只完全通過之后，即可獲得船底完整圖像信息和吃水深度信息。

圖4 湖上試驗(yàn)測試吃水實(shí)時(shí)結(jié)果

除了可以檢查船只吃水狀態(tài)之外，系統(tǒng)可以通過功能擴(kuò)展和升級，融合船速、掃描頻率、聲吶陣列姿態(tài)等數(shù)據(jù)將船底橫斷面外輪廓圖像合成，形成完整的船底三維圖像，用來檢查整個(gè)船底情況，可實(shí)時(shí)檢測到船底異常。

通過進(jìn)一步實(shí)船試驗(yàn)驗(yàn)證，在船底未攜帶目標(biāo)物和攜帶目標(biāo)物的情況下，船只先后通過聲吶陣列上方，分別得到圖5和圖6所示的實(shí)測船底效果圖。圖5為船只底部未攜帶任何目標(biāo)物從陣列上方完全通過時(shí)的掃描效果圖，從圖中可以看出船底比較干凈，無異物。圖6為船只底部攜帶目標(biāo)物從聲吶陣列上方完全通過時(shí)的掃描效果圖，圖中船底圓圈標(biāo)記內(nèi)目標(biāo)即為探測到的目標(biāo)物，圖中左上角為水下相機(jī)拍攝的放置于船底的水下目標(biāo)實(shí)物照片。

圖5 實(shí)船測試效果圖（船底無模擬目標(biāo)）

圖6 實(shí)船測試效果圖（船底有一個(gè)模擬目標(biāo)）

5 結(jié)語

針對船舶水下安檢技術(shù)現(xiàn)狀，本文分析了幾種船舶吃水檢測技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)和技術(shù)特性，介紹了一種應(yīng)用于船舶水下安檢的多節(jié)點(diǎn)聲吶陣列系統(tǒng)，開展了湖上和江上實(shí)船通過試驗(yàn)測試。該系統(tǒng)可望建設(shè)成一套自動(dòng)、智能、集成、高效的船底測量和報(bào)警系統(tǒng)，既能自動(dòng)測量通過船舶的吃水信息，又能測量船舶水下部分形狀，自動(dòng)提取船舶的吃水深度信息，對發(fā)現(xiàn)的“超吃水”船舶自動(dòng)報(bào)警。從而消除船舶“超吃水”給船閘等通航建筑物和水上交通造成的安全隱患，切實(shí)保護(hù)航道資源；同時(shí)還能發(fā)現(xiàn)船底異常，能有效檢查船底走私物品或攜帶危險(xiǎn)品，協(xié)助海關(guān)緝私取證或海事部門船底異物檢查，實(shí)現(xiàn)陸上人員肉眼無法完成的安檢任務(wù)，具有重要的意義。