一種基于平行多波束聲納的船舶吃水檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及陣列信號處理領(lǐng)域，特別設(shè)及一種基于平行多波束聲納的船舶吃水檢 測方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在內(nèi)河航道中，有些船舶為了經(jīng)濟利益，使得船舶的實際吃水深度超過航道維護 水深，而不采取減載措施，此行為稱為船舶"超吃水"。運些"超吃水"船舶冒險通過一些淺 險航段時，給船員、航道和巧體建筑安全帶來較大威脅，引起糾紛事件，影響正常通航調(diào)度 工作的開展，危害極其嚴(yán)重。
[0003] 聲納技術(shù)是目前最有效的水下探測技術(shù)，現(xiàn)階段國內(nèi)外運用聲納技術(shù)檢測船舶吃 水深度的常用方法有：側(cè)壁固定法、水底固定法、雙測深儀檢測法、換能器陣檢測法和側(cè)掃 聲納圖像處理檢測法。但是上述方法存在一定的不足，如側(cè)壁固定法要求信號發(fā)射器和接 收器具有較高的靈敏度，在水中安裝時要求精度高，且安裝難度大；水底固定法中由于聲納 安裝在河床底部，泥沙渺積對其具有一定的影響；雙測深儀檢測法中當(dāng)船舶距離信號發(fā)射 器較近時，測量誤差較大等。所W，上述五種方法在實際應(yīng)用中具有一定的局限性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于克服已有的船舶吃水深度檢測方法在實際應(yīng)用中所存在的局 限性，從而提供了一種基于平行多波束聲納的船舶吃水檢測方法。 陽〇化]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于平行多波束聲納的船舶吃水檢測方 法，所述平行多波束聲納在河岸兩側(cè)分別安裝有一套；該方法包括：
[0006] 步驟1)、根據(jù)所述平行多波束聲納的探測距離與測量精度，為所述平行多波束聲 納設(shè)定參數(shù)，所述參數(shù)包括波束寬度、基陣的孔徑長度；
[0007] 步驟2)、由步驟1)所設(shè)定的參數(shù)確定聲納系統(tǒng)中基陣的長度W及基陣中陣元的 分布；
[000引步驟如、聲納系統(tǒng)向所經(jīng)船舶發(fā)射波束；
[0009] 步驟4)、在聲納系統(tǒng)中選擇不同的陣元，形成多個平行波束，反射信號被平行多波 束所接收；
[0010] 步驟5)、根據(jù)波束接收反射信號的強度，測量出船底所對應(yīng)的平行波束的中屯、位 置，進而計算出船舶的吃水深度。
[0011] 上述技術(shù)方案中，所述波束寬度的計算公式為：
[0012] R=BW*X;
[0013] 其中，BW為波束寬度，單位為弧度；R為垂直線分辨率，X為船舶的最大探測距離；
[0014] 基陣的孔徑長度的計算公式為：
[0015]
[0016] 其中，終為半波束寬度，λ為波長，Μ為陣元個數(shù)，d為相鄰陣元間距，妍為波束 偏置角，％ = 0%基陣的孔徑長度為陣元個數(shù)Μ與相鄰陣元間距d的乘積。
[0017] 上述技術(shù)方案中，所述步驟5)包括：
[0018] 若第1，2,…，η個平行波束均能接收到較強的回波信號，而第n+1個平行波束接收 的回波信號強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于前η個平行波束的回波強度，則認(rèn)為第n+1個波束達(dá)到了船舶的 底部；由第n+1個波束的中屯、位置距離基陣頂端的距離Zw得到船底距離聲納基陣頂端的 高度h，結(jié)合聲納基陣的頂端距離水面的高度H，計算出船舶的吃水深度H+h。
[0019] 本發(fā)明的優(yōu)點在于：
[0020] 1、本發(fā)明的方法能夠?qū)崟r測量出船舶的吃水深度，適合于對各種船型的測量；
[0021] 2、本發(fā)明的方法安裝簡單方便，成本較低，且易于修理維護。
【附圖說明】
[0022] 圖1是聲納系統(tǒng)的安裝示意圖；
[0023] 圖2 (a)為選擇第1-10號陣元所形成的平行接收波束示意圖；
[0024] 圖2(b)為選擇第2-11號陣元所形成的平行接收波束示意圖。
【具體實施方式】
[00巧]現(xiàn)結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的描述。
[00%] 本發(fā)明的基于平行多波束聲納的船舶吃水檢測方法通過安裝在船閩附近的河岸 上的聲納裝置系統(tǒng)向所經(jīng)船舶發(fā)射波束，聲信號經(jīng)船舶的平行反射，被聲納系統(tǒng)裝置采用 平行多波束接收，根據(jù)波束接收反射信號的強度，測量出船底所對應(yīng)的波束的中屯、位置，進 而計算出船舶的吃水深度。
[0027] 圖1為聲納系統(tǒng)的安裝示意圖，如圖所示，在靠近船閩的河岸兩側(cè)分別安裝一套 聲納系統(tǒng)，每一套聲納系統(tǒng)中的聲納基陣的頂端距離水面的高度記為H，該高度值可根據(jù)每 天的水位監(jiān)測獲取。
[002引將聲納系統(tǒng)安裝后，本發(fā)明的方法包括W下步驟：
[0029] 步驟1)、根據(jù)聲納系統(tǒng)的探測距離與測量精度，為聲納系統(tǒng)設(shè)定參數(shù)。
[0030] 聲納系統(tǒng)中所要設(shè)定的參數(shù)包括：波束寬度、基陣的孔徑長度；其中，所述波束寬 度的計算公式為：
[0031]
(1)
[0032] 其中，BW為波束寬度，單位為弧度，即角度分辨率；游為半波束寬度，λ為波長，Μ 為陣元個數(shù)，d為相鄰陣元間距，騎為波束偏置角。
[0033] 在上述公式（1)中，波長λ為已知值，聲納系統(tǒng)采用平行多波束進行測量，因此波 束偏置角錢=0°，因此在該公式中波束寬度BW與相鄰陣元間距t陣元個數(shù)Μ均為未知值。
[0034] 已知采用平行多波束測量時，波束偏置角為零，此時垂直線分辨率（即與水面垂 直方向上的分辨率）與波束寬度、船舶的最大探測距離之間的關(guān)系為：
[0035]R=BW*X似
[0036] 式中，R為垂直線分辨率，X為船舶的最大探測距離。
[0037] 在上述公式（2)中，垂直線分辨率R、船舶的最大探測距離X均為預(yù)設(shè)值，因此由該 公式可計算波束寬度BW。再結(jié)合公式（1)即可得到基陣的孔徑長度Md。
[0038] 步驟2)、由步驟1)中所設(shè)定的參數(shù)確定聲納系統(tǒng)中基陣的長度及基陣中陣元的 分布；
[0039] 步驟如、聲納系統(tǒng)向所經(jīng)船舶發(fā)射波束；
[0040] 步驟4)、在聲納系統(tǒng)中選擇不同的陣元，形成多個平行波束，反射信號被平行多波 束所接收；
[0041] 步驟5)、根據(jù)波束接收反射信號的強度，測量出船底所對應(yīng)的平行波束的中屯、位 置，進而計算出船舶的吃水深度。
[0042] 具體的說，若聲納系統(tǒng)中有N個平行接收波束，編號為1，2, 3,…，η,…，N;假設(shè)第 1，2,…，η個平行波束均能接收到較強的回波信號，而第η+1個平行波束接收的回波信號強 度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于前η個平行波束的回波強度，則認(rèn)為第η+1個波束達(dá)到了船舶的底部（為了船 舶通行的安全考慮，測量的船舶吃水深度必須大于等于船舶的實際吃水深度）。若第η+1個 波束的中屯、位置距離基陣頂端的距離Zw，將該距離值Zw作為船底距離聲納基陣頂端的高 度h，結(jié)合聲納基陣的頂端距離水面的高度H，就可計算出船舶的吃水深度H+h。
[0043] 為了便于理解，下面結(jié)合一個具體的實施例對本發(fā)明的方法做進一步說明。
[0044] 在一個實施例中，預(yù)先設(shè)定的或已知的系統(tǒng)參數(shù)包括：系統(tǒng)的工作頻率為 400曲Z，聲速C= 1500m/s，最大船舶探測距離為30米，船舶吃水測量精度為0. 1米。
[0045] 由上述系統(tǒng)參數(shù)首先根據(jù)公式（2)計算得出波束寬度為：
[0046] BW= 0. 1/30 = 0. 0033 (rad)
[0047]接著根據(jù)公式（1)，計算出基陣的孔徑長度為：
[0048]
[0049] 計算可得基陣的孔徑長度至少為0. 9545米，可選用基陣長度為2. 4米、共24個陣 元的均勻線陣。相鄰陣元間距為0. 1米，符合系統(tǒng)的需求。
[0050] 然后，選擇不同的陣元，形成平行多波束，就接收波束來說，選擇1-10,2-11，3-13 等產(chǎn)生N個平行波束，如圖2所示，接收波束指向為0°，圖2 (a)為選擇第1-10號陣元所 形成的平行接收波束示意圖，圖2化）為選擇第2-11號陣元所形成的平行接收波束示意圖。 若第1-n個波束均能接收到較強的反射回波能量，而第η+1個波束接收的反射回波信號能 量很弱，則認(rèn)為第η+1個波束照射到了船舶的底部，計算得到第η+1個波束的中屯、位置距離 基陣頂端為Zwi米，進而得出船底距離基陣頂端的距離為h米。根據(jù)監(jiān)測水位的高度，計算 出基陣頂端距離水面的高度Η米，則可W得出船舶的吃水深度為（H+h)米。
[0051] 最后所應(yīng)說明的是，W上實施例僅用W說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制。盡管參 照實施例對本發(fā)明進行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對本發(fā)明的技術(shù)方 案進行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明 的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【主權(quán)項】
1. 一種基于平行多波束聲納的船舶吃水檢測方法，所述平行多波束聲納在河岸兩側(cè)分 別安裝有一套；該方法包括： 步驟1)、根據(jù)所述平行多波束聲納的探測距離與測量精度，為所述平行多波束聲納設(shè) 定參數(shù)，所述參數(shù)包括波束寬度、基陣的孔徑長度； 步驟2)、由步驟1)所設(shè)定的參數(shù)確定聲納系統(tǒng)中基陣的長度以及基陣中陣元的分布； 步驟3)、聲納系統(tǒng)向所經(jīng)船舶發(fā)射波束； 步驟4)、在聲納系統(tǒng)中選擇不同的陣元，形成多個平行波束，反射信號被平行多波束所 接收； 步驟5)、根據(jù)波束接收反射信號的強度，測量出船底所對應(yīng)的平行波束的中心位置，進 而計算出船舶的吃水深度。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于平行多波束聲納的船舶吃水檢測方法，其特征在于，所 述波束寬度的計算公式為： R=BW*X; 其中，BW為波束寬度，單位為弧度；R為垂直線分辨率，X為船舶的最大探測距離； 基陣的孔徑長度的計算公式為：其中，爐λ為半波束寬度，λ為波長，Μ為陣元個數(shù)，d為相鄰陣元間距，頓為波束偏置 角，1? = 0° .基陣的孔徑長度為陣元個數(shù)Μ與相鄰陣元間距d的乘積。 ，-3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于平行多波束聲納的船舶吃水檢測方法，其特征在于，所 述步驟5)包括： 若第1，2,…，η個平行波束均能接收到較強的回波信號，而第n+1個平行波束接收的回 波信號強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于前η個平行波束的回波強度，則認(rèn)為第n+1個波束達(dá)到了船舶的底部； 由第n+1個波束的中心位置距離基陣頂端的距離Zn+1得到船底距離聲納基陣頂端的高度h， 結(jié)合聲納基陣的頂端距離水面的高度H，計算出船舶的吃水深度H+h。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于平行多波束聲納的船舶吃水檢測方法，所述平行多波束聲納在河岸兩側(cè)分別安裝有一套；該方法包括：根據(jù)所述平行多波束聲納的探測距離與測量精度，為所述平行多波束聲納設(shè)定參數(shù)，所述參數(shù)包括波束寬度、基陣的孔徑長度；由所設(shè)定的參數(shù)確定聲納系統(tǒng)中基陣的長度以及基陣中陣元的分布；聲納系統(tǒng)向所經(jīng)船舶發(fā)射波束；在聲納系統(tǒng)中選擇不同的陣元，形成多個平行波束，反射信號被平行多波束所接收；根據(jù)波束接收反射信號的強度，測量出船底所對應(yīng)的平行波束的中心位置，進而計算出船舶的吃水深度。
【IPC分類】B63B39/12
【公開號】CN105292396
【申請?zhí)枴緾N201510363477
【發(fā)明人】許楓, 閆路, 劉佳
【申請人】中國科學(xué)院聲學(xué)研究所
【公開日】2016年2月3日
【申請日】2015年6月26日