一种船舶水下外形实时自动测量系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型属于船舶外形测量技术领域，特别是涉及一种船舶水下外形实时自动 测量系统。
【背景技术】
[0002] 目前，国内外对于过闸船舶的收费模式多种多样，但是都需要了解过闸船舶的外 形尺寸。对于过闸船舶尺寸和载重量的检查主要是依赖船舶的档案，重要外形尺寸的量测 要依赖人工的方式。对于水上航行的船舶，由于测量条件的不同，水下部分外形的量测与水 上部分外形的量测在手段和方法上不同，难度更大。
[0003] 现有技术中主要是采用单波束或多波束测量系统对船舶外形进行自动检测，但 是，在测量中还存在很多问题，单波束系统在船形测量中主要问题是测量速度慢，对运动中 的船舶进行截面外形测量时，无法获得足够多的采样点；多波束系统的测量范围无法覆盖 船舶水下部分，并且价格昂贵，将大大增加仪器成本。因此，为了同时测量船底和船侧面外 形数据，并且考虑到测量系统的安装不能影响船舶的通行，船舶运动对测量精度产生的影 响以及仪器的成本等问题，单波束系统和多波束系统就不适用于单独对船舶水下部分进行 测量。
[0004] 因此，为了解决船舶在水下外形测量中存在的问题，研宄一种高效、自动、快速的 船舶水下外形实时自动测量系统，提高船闸的服务效率已经成为一项重要任务。 【实用新型内容】
[0005] 本实用新型解决的技术问题是提供一种船舶水下外形实时自动测量系统，目的是 采用单波束、多波束综合测量系统对船舶水下外形进行自动测量，提高船舶外形测量系统 的稳定性以及测量精度，并且降低成本，同时也提高了船闸管理部门的工作效率以及船舶 的过闸效率。
[0006] 本实用新型的技术方案为：
[0007] 为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种船舶水下外形实时自动测量系 统，包括测量系统以及与测量系统连接的数据处理与控制系统，所述测量系统包括船底测 量系统和船侧面测量系统，所述船底测量系统包括安装在河底的单波束换能器阵列、以及 安装在单波束换能器阵列上的单波束换能器清洁系统，所述船侧面测量系统包括安装在河 道闸墙两侧的多波束测量阵列，所述多波束测量阵列包括宽波束发射换能器和接收换能 器。
[0008] 所述数据处理与控制系统包括工业控制计算机、安装在工业控制计算机内的单波 束控制器、信号发生器和I/O控制器、连接在I/O控制器与接收换能器之间的信号处理器、 连接在信号发生器与宽波束发射换能器之间的多波束控制器、以及连接在单波束控制器与 单波束换能器阵列之间的单波束信号转换器，单波束换能器阵列通过四芯信号线与控制室 内的单波束信号转换器连接，单波束信号转换器通过工业控制计算机总线与单波束控制器 连接，用于转换单波束的的信号电平；单波束控制器通过工业控制计算机总线与工业控制 计算机连接，用于控制单波束换能器阵列的接收和发射状态切换；宽波束发射换能器通过 钢架安装于河道两侧的闸墙上，用于发射测量船侧面的声学信号，接收换能器与宽波束发 射换能器一起通过钢架安装于河道两侧的闸墙上，用于接收船舶反射的声学信号，并通过 四芯信号线与信号处理器连接；信号处理器用于处理接收换能器的回传信号，并发送至1/ O控制器，信号处理器通过二芯信号线与I/O控制器连接；I/O控制器通过工业控制总线与 工业控制计算机连接，用于将接收换能器信号传送至工业控制计算机。
[0009] 所述多波束控制器与信号发生器之间还连接有功率放大器，多波束控制器通过二 芯信号线与功率放大器相连接，用于接收功率放大发出的信号并对宽波束发射换能器进行 控制；功率放大器通过二芯信号线与信号发生器连接，用于放大信号发生器的信号；信号 发生器通过工业控制总线与工业控制计算机连接，接收工业控制计算机软件控制并产生测 量信号。
[0010] 所述单波束换能器阵列包括6只单波束换能器，6只单波束换能器垂直向上且均 匀安置于混凝土基础上，并布设在河底，单波束换能器采用混凝土基础自重放置在河底，不 需固定，安装过程简单。
[0011] 所述单波束换能器阵列的几何中心处还安装有姿态仪，为保证混凝土基础在河底 安放平稳，在混凝土基础上安装了姿态仪，姿态仪监测软件会显示安装基础在安置过程中 姿态偏离原点角度大小，由施工船通知潜水员调整方向和尺度，保证安装精度在合理范围 之内，在测量过程中，由于水流冲刷，混凝土基础可能会存在一定偏角，这是就需要通过姿 态仪进行校正，从而达到测量精度的要求。
[0012] 所述姿态仪通过RS232串口与工业控制计算机相连。
[0013] 所述单波束换能器阵列采用循环扫描测量方式。
[0014] 所述多波束测量阵列包括一只宽波束发射换能器和12只接收换能器，宽波束发 射换能器的波束角大于60°。
[0015] 所述的单波束换能器清洁系统包括与河堤连通的喷水管道以及与单波束换能器 相对设置的高压水喷嘴，因为运河水泥沙含量较大，所以需要定期对换能器进行清洁，高压 水喷嘴直接对准每个单波束换能器，由喷水管道连接至河堤，自动对换能器进行清淤。
[0016] 所述单波束控制器、信号发生器和I/O控制器均通过工业控制线安装在工业控制 计算机内。
[0017] 整个船舶水下外形实时自动测量系统的测量原理如下：
[0018] 换能器阵同船体运动方向垂直，当船体经过换能器阵所在的平面时，每个换能器 分别向船体发送声波。利用声学测距的原理，可得到船体若干个部位到换能器的相对位置， 从而推算出船体水下部分的截面外形。由于船的运动，利用换能器阵扫描出若干段船体截 面，将这些截面进行积分，从而推算出整个船体水下部分的外形。
[0019] 换能器向待测点所在位置发射某一频率的声波信号，声波在水中以1500m/s左右 的速度传播。当声波到达该点时，部分声波的能量反射回来，当反射声波到达换能器表面 时，换能器将声波信号转换成电波信号，通过信号放大和数据处理，将信号转换为待测点到 换能器之间的直线距离，根据换能器的指向性可确定该点的坐标。
[0020] 多波束测量阵列的声波发射端为一宽波束发射换能器，宽波束角大于60°，接收 端为一窄波束接收换能器，仅接收波束角内的回波，可近似为垂直于接收换能器面的中心 线。
[0021] 发射换能器在其波束角范围内"照亮"被测物体，其中声波沿线b传播到被测物 体，经G点的反射沿线a方向，即垂直于接收换能器面的中心线，传播到接收换能器。可测 得声波经发射换能器到G点，被其反射到接收换能器的声波传播时间t，有以下关系：
[0022] a+b = v*t (I)
[0023] 式（1)中，v为声波在水中传播速度。
[0024] 根据换能器的安装位置可测得发射换能器、接收换能器之间的距离c，以及夹角 Φ，根据三角形几何关系有以下方程：
【主权项】
1. 一种船舶水下外形实时自动测量系统，包括测量系统以及与测量系统连接的数据处 理与控制系统，其特征在于：所述测量系统包括船底测量系统和船侧面测量系统，所述船底 测量系统包括安装在河底的单波束换能器阵列、以及安装在单波束换能器阵列上的单波束 换能器清洁系统，所述船侧面测量系统包括安装在河道闸墙两侧的多波束测量阵列，所述 多波束测量阵列包括宽波束发射换能器和接收换能器。
2. 如权利要求1所述的船舶水下外形实时自动测量系统，其特征在于：所述数据处理 与控制系统包括工业控制计算机、安装在工业控制计算机内的单波束控制器、信号发生器 和I/O控制器、连接在I/O控制器与接收换能器之间的信号处理器、连接在信号发生器与宽 波束发射换能器之间的多波束控制器、以及连接在单波束控制器与单波束换能器阵列之间 的单波束信号转换器。
3. 如权利要求2所述的船舶水下外形实时自动测量系统，其特征在于：所述多波束控 制器与信号发生器之间还连接有功率放大器。
4. 如权利要求2所述的船舶水下外形实时自动测量系统，其特征在于：所述单波束换 能器阵列包括6只单波束换能器，6只单波束换能器垂直向上且均匀安置于混凝土基础上， 并布设在河底。
5. 如权利要求4所述的船舶水下外形实时自动测量系统，其特征在于：所述单波束换 能器阵列的几何中心处还安装有姿态仪。
6. 如权利要求5所述的船舶水下外形实时自动测量系统，其特征在于：所述姿态仪通 过RS232串口与工业控制计算机相连。
7. 如权利要求5所述的船舶水下外形实时自动测量系统，其特征在于：所述单波束换 能器阵列采用循环扫描测量方式。
8. 如权利要求5所述的船舶水下外形实时自动测量系统，其特征在于：所述多波束测 量阵列包括一只宽波束发射换能器和12只接收换能器，宽波束发射换能器的波束角大于 60。。
9. 如权利要求4所述的船舶水下外形实时自动测量系统，其特征在于：所述的单波束 换能器清洁系统包括与河堤连通的喷水管道以及与单波束换能器相对设置的高压水喷嘴。
10. 如权利要求2所述的船舶水下外形实时自动测量系统，其特征在于：所述单波束控 制器、信号发生器和I/O控制器均通过工业控制线安装在工业控制计算机内。
【专利摘要】本实用新型提供了一种船舶水下外形实时自动测量系统，包括测量系统以及与测量系统连接的数据处理与控制系统，所述测量系统包括船底测量系统和船侧面测量系统，所述船底测量系统包括安装在河底的单波束换能器阵列、以及安装在单波束换能器阵列上的单波束换能器清洁系统，所述船侧面测量系统包括安装在河道闸墙两侧的多波束测量阵列，所述多波束测量阵列包括宽波束发射换能器和接收换能器。本实用新型通过单波束和多波束综合测量系统对船舶水下外形进行自动测量，并将船的水下形状数据进行保存，该系统提高了船舶外形测量系统的稳定性以及测量精度，并且降低了成本，同时也提高了船闸管理部门的工作效率以及船舶的过闸效率。
【IPC分类】G01B17-06
【公开号】CN204461382
【申请号】CN201520168820
【发明人】孙强, 刘炎雄, 周兴华, 纪育强, 梁冠辉
【申请人】国家海洋局第一海洋研究所
【公开日】2015年7月8日
【申请日】2015年3月24日