船舶水下外形實(shí)時(shí)自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)研究與應(yīng)用

2015-05-06 09:12:26陳明輝

江蘇船舶 2015年2期

陳明輝

(京杭運(yùn)河江蘇省交通運(yùn)輸廳蘇北航務(wù)管理處，江蘇淮安223002)

0 引言

我國(guó)京杭大運(yùn)河蘇北段全長(zhǎng)404 km流域內(nèi)建有28座大型船閘，這些船閘每天承擔(dān)著數(shù)以百計(jì)的船只通行任務(wù)。面對(duì)如此巨大的工作量，實(shí)現(xiàn)高效、自動(dòng)、快速的過(guò)閘船舶外形自動(dòng)化測(cè)量技術(shù)來(lái)代替原有的人工測(cè)量方式，為工作人員實(shí)時(shí)地提供船舶的長(zhǎng)度、寬度、吃水深度以及干舷高度等數(shù)據(jù)，從而提高船閘的服務(wù)效率和保障船閘運(yùn)行安全，對(duì)我國(guó)水路運(yùn)輸事業(yè)的發(fā)展具有重大意義。

對(duì)于水上航行的船舶，由于測(cè)量條件的不同，水下部分外形的量測(cè)與水上部分外形的量測(cè)在手段和方法上有所不同，難度更大。此外，經(jīng)檢索和查新沒(méi)有發(fā)現(xiàn)國(guó)外有關(guān)船舶水下部分外形測(cè)量系統(tǒng)的正式文獻(xiàn)和報(bào)道，無(wú)法借鑒和參考國(guó)外的有關(guān)資料。本文將介紹1套利用多波束與單波束技術(shù)相結(jié)合，從而得到船舶水下部分外形的測(cè)量系統(tǒng)。

1 基于水聲測(cè)距測(cè)量水下點(diǎn)位位置的原理

水聲測(cè)深儀換能器向待測(cè)點(diǎn)所在位置發(fā)射某一頻率的聲波信號(hào)，聲波在水中以1 500 m/s左右的速度傳播。當(dāng)聲波到達(dá)該點(diǎn)時(shí)，部分聲波的能量反射回來(lái)。當(dāng)反射聲波到達(dá)換能器表面時(shí)，換能器將聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換成電波信號(hào)，通過(guò)信號(hào)放大和數(shù)據(jù)處理，將信號(hào)轉(zhuǎn)換為待測(cè)點(diǎn)到換能器之間的直線距離。根據(jù)換能器的指向性可確定該點(diǎn)的坐標(biāo)。

水聲測(cè)深儀的聲波發(fā)射端為一寬波束角(大于60°)換能器，接收端為一窄波束角換能器，僅接收波束角內(nèi)的回波，可近似為垂直于接收換能器面的中心線。聲學(xué)測(cè)距原理圖如圖1所示。

圖1 聲學(xué)測(cè)距原理圖

發(fā)射換能器在其波束角范圍內(nèi)“照亮”被測(cè)物體，其中聲波沿線b傳播到被測(cè)物體，經(jīng)G點(diǎn)的反射沿線a方向(垂直于接收換能器面的中心線)傳播到接收換能器?？蓽y(cè)得聲波經(jīng)發(fā)射換能器到G點(diǎn)與被其反射到接收換能器的聲波傳播時(shí)間t有以下關(guān)系:

式中:v為聲波在水中傳播速度。

由換能器的安裝位置可測(cè)得發(fā)射、接收換能器之間的距離c，以及夾角Φ，根據(jù)三角形幾何關(guān)系有以下方程:

解算出:

相對(duì)于圖1定義的坐標(biāo)系，θ為換能器與水平方向夾角，最終得到G(x，y)點(diǎn)坐標(biāo)位置:

式中:x1、y1為換能器1的坐標(biāo)位置。

如布置更多接收換能器，可得到被測(cè)物體外部形狀不同點(diǎn)的位置:

2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和研究思路

水聲測(cè)深儀主要有單波束測(cè)深儀和多波束測(cè)深儀。目前商用的單波束測(cè)量系統(tǒng)和多波束測(cè)量系統(tǒng)主要是針對(duì)水下測(cè)深或水下地形測(cè)量，無(wú)法直接應(yīng)用測(cè)量船舶水下部分。單波束系統(tǒng)在船形測(cè)量中主要問(wèn)題是測(cè)量速度慢，對(duì)運(yùn)動(dòng)中的船舶進(jìn)行截面外形測(cè)量時(shí)，無(wú)法獲得足夠多的采樣點(diǎn);多波束系統(tǒng)的測(cè)量范圍無(wú)法覆蓋船舶水下部分，并且價(jià)格昂貴，將大大增加儀器成本。因此，為了同時(shí)測(cè)量船底和船側(cè)面外形數(shù)據(jù)，并且考慮到測(cè)量系統(tǒng)的安裝不能影響船舶的通行，船舶運(yùn)動(dòng)對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生的影響以及儀器的成本等問(wèn)題，單波束系統(tǒng)和多波束系統(tǒng)并不適用于單獨(dú)對(duì)船舶水下部分進(jìn)行測(cè)量。

經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，研究人員最終決定采用單波束、多波束綜合測(cè)量系統(tǒng)。單波束系統(tǒng)主要測(cè)量船舶底部外形及船舶吃水深度，多波束系統(tǒng)測(cè)量船舶側(cè)面外形及水下寬度。

3 系統(tǒng)的實(shí)施方案和硬件組成

3.1 單波束測(cè)量系統(tǒng)

單波束傳感器陣在河道測(cè)量斷面一字排開(kāi)，間距2 m，共布設(shè)6套，垂直向上測(cè)量通過(guò)船只的底部，采用循環(huán)掃描的測(cè)量方式。由于傳感器數(shù)量少，測(cè)得船舶斷面的邊界不確定性可忽略。

船舶的底部外形一般比較平坦，因此對(duì)于船舶的底部外形測(cè)量，可以通過(guò)測(cè)量到的幾點(diǎn)關(guān)鍵數(shù)據(jù)來(lái)近似推算出整個(gè)船底外形。船舶底部外形測(cè)量點(diǎn)位置按以下公式確定:

式中:Xn為換能器在測(cè)量截面的X方向坐標(biāo);Yn為換能器到船舶的測(cè)量距離。

3.2 多波束測(cè)量系統(tǒng)

船舶水下側(cè)面外形采用多波束測(cè)量方式。多波束測(cè)量陣由1只寬波束發(fā)射換能器和12只接收換能器組成。根據(jù)水下聲納多波束測(cè)量的結(jié)果，完成對(duì)船舶側(cè)面的外形測(cè)量。

3.3 船舶水下外形測(cè)量系統(tǒng)的硬件組成

測(cè)量系統(tǒng)由多波束測(cè)量系統(tǒng)及單波束測(cè)量系統(tǒng)組成，其硬件主要有:1臺(tái)多波束主控制器、1套PXI板卡機(jī)箱、1套信號(hào)發(fā)生器、2套8通道信號(hào)處理板卡、1套I/O控制器、1套功率放大器、1套寬波束高功率發(fā)射換能器、12套接收換能器、1套電氣機(jī)柜、1套多波束換能器安裝支架、1套姿態(tài)儀、1套高壓水系統(tǒng)、1套單波束控制器、1套單波束信號(hào)轉(zhuǎn)換控制器、7套單波束收發(fā)換能器。

4 船舶水下外形測(cè)量系統(tǒng)的誤差分析

4.1 多波束測(cè)量系統(tǒng)的誤差分析

(1)接收換能器的波束角(指向性)帶來(lái)的測(cè)量誤差

在本系統(tǒng)內(nèi)接收換能器的波束角為3°。在接收換能器的波束角內(nèi)的較強(qiáng)發(fā)射被記錄為波束角中心線方向的測(cè)量距離a。

據(jù)現(xiàn)場(chǎng)換能器陣安裝的相對(duì)位置，Φ為90°。由于波束角為3°，a值實(shí)際長(zhǎng)度在如下范圍內(nèi):

式中:c為接收換能器到發(fā)射換能器的距離。

a的最大誤差約為15 mm。

(2)時(shí)間采樣帶來(lái)的測(cè)量誤差

本裝置信號(hào)采集器測(cè)時(shí)精度為10-6s，按聲速1 500 m/s計(jì)算，帶來(lái)的測(cè)量誤差為0.15 mm;軟件計(jì)算帶來(lái)誤差約為15 mm，聲速可按聲速計(jì)測(cè)得，系統(tǒng)總體誤差可控制在30 mm內(nèi)。

4.2 單波束測(cè)量系統(tǒng)的誤差分析

本系統(tǒng)采用美國(guó)FFT測(cè)深儀作為船舶吃水深度的測(cè)量?jī)x器，其測(cè)量精度為70 mm。

在本方案中采用測(cè)深儀垂直向上測(cè)量來(lái)確定船舶吃水深度及船底外形，因此，換能器的安裝精度直接影響系統(tǒng)測(cè)量精度。

換能器事先固定在水泥基礎(chǔ)上，由水準(zhǔn)儀檢測(cè)其安裝水平度，確保6只換能器在同一水平線上。

水泥基礎(chǔ)上安裝姿態(tài)傳感器，在安放橫梁過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)橫梁姿態(tài)。本次安裝橫梁的左右橫滾角度為0.635°，前后俯仰角為0.237°，安裝帶來(lái)的測(cè)量誤差為6 mm。單波束測(cè)量精度為70 mm。該裝置總體測(cè)量誤差小于80 mm。

5 系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)圖1及式(6)、式(7)可知，各點(diǎn)位的精度取決于所測(cè)得的反射點(diǎn)G到接收換能器之間的距離值a的精度。為了驗(yàn)證船舶水下部分外形測(cè)量系統(tǒng)的可行性，項(xiàng)目組就系統(tǒng)對(duì)該距離值的測(cè)量進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

5.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

項(xiàng)目組在京杭運(yùn)河淮安2號(hào)船閘處進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。本次實(shí)驗(yàn)采用的是NI-PXI綜合測(cè)試儀。通過(guò)測(cè)量發(fā)射換能器及接收換能器的實(shí)時(shí)信號(hào)數(shù)據(jù)，記錄發(fā)射聲波及回波的波形，得到測(cè)量波形1～波形10。本文以波形10、波形4進(jìn)行分析。波形10、波形4測(cè)量到對(duì)岸距離分別如圖2、圖3所示。

圖2 波形10測(cè)量到對(duì)岸距離

圖3 波形4測(cè)量到船舶距離

5.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)波形10，換能器回波信號(hào)有兩種不同的信號(hào)。實(shí)驗(yàn)中，兩接收換能器同步接收到回波信號(hào)。因安裝位置及發(fā)射角度關(guān)系，二者存在相位差，證明多波束測(cè)量技術(shù)方案是可行的。

記錄發(fā)射及接收換能器的波峰時(shí)刻，計(jì)算出時(shí)間差、聲波傳播距離及接收端到被測(cè)物體的距離。波形10發(fā)射信號(hào)、接收信號(hào)處理分別如圖4、圖5所示。

根據(jù)波形10實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，推算出接收端到對(duì)面河岸的距離約為30 m，與實(shí)際尺寸大致相等。

波形4發(fā)射信號(hào)、接收信號(hào)處理分別如圖6、圖7所示。

波形4在船舶通過(guò)時(shí)測(cè)量到船舶距離約為12.5 m，根據(jù)實(shí)驗(yàn)波形圖可見(jiàn)船舶的運(yùn)動(dòng)未對(duì)測(cè)量系統(tǒng)帶來(lái)大的影響，可清晰區(qū)分出回波信號(hào)。

6 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種實(shí)時(shí)自動(dòng)的船舶水下部分形狀測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于單波束與多波束測(cè)距技術(shù)，可得到船舶水下部分的外形、寬度以及吃水深度。船舶水下部分形狀測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)穩(wěn)定性較好，精度較高。