基于一发多收超声波的仰扫式吃水检测系统及检测方法与流程

本发明涉及通航船舶仰扫式吃水检测技术领域，具体涉及一种基于一发多收超声波的仰扫式吃水检测系统及检测方法。

背景技术：

现有的仰扫式吃水检测系统中采用多路传感器一发一收式，即一路超声波传感器发射超声波信号，该传感器通过接受自己的发出的超声波回波信号根据时间差计算出与船底距离。这种测量方式容易受到单个传感器接受错误回波造成距离计算错误，会带来系统误差，影响数据的测量精度和准确性。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于一发多收超声波的仰扫式吃水检测系统及检测方法，可实现多路数据接受，具备测量数据量增大，检测精度高的优点。

本发明采取的技术方案为：

基于一发多收超声波的仰扫式吃水检测系统，包括固定装置、超声波传感器阵列、水压传感器模块、数据处理模块。

所述固定装置位于引航道底部，固定装置上等间距安装多个超声波传感器，多个超声波传感器构成超声波传感器阵列，超声波传感器阵列用于测量固定装置与通航船舶的间距。所述固定装置上安装有水压传感器模块，水压传感器模块用于监测水位变化。

所述超声波传感器阵列、水压传感器模块均连接数据处理模块。

数据处理模块用于对超声波传感器阵列测得的固定装置与通航船舶底部的间距h，以及水压传感器模块测得的固定装置与水平面的间距h采集传输后进行处理，通过计算h-h的值，即得通航船舶的吃水值d。

所述固定装置包括不锈钢架材质的安装架，安装架与水平面平行，多个超声波传感器通过安装板水平等间距固定在安装架上，构建超声波传感器阵列。在安装架上同时等间距安装n个水压传感器模块，用来测定安装架各处与水平面的间距h。

所述数据处理模块安装于岸上电气柜中，数据处理模块用于吃水数据处理和补偿。所述数据处理模块设有传感器收发控制模块，传感器收发控制模块用来实现同步时序控制、传感器信号收/发、超声波状态控制。

本发明基于一发多收超声波的仰扫式吃水检测系统及检测方法，技术效果如下：

1）相比于超声波一发一收式仰扫吃水检测系统，一发多收式可实现多路数据接受，测量数据量增大，数据拟合后绘制船底模型更精确。

2）相比于超声波一发一收式仰扫吃水检测系统，本发明一发多收式避免了因一路超声波传感器测量出现错误导致系统吃水值计算错误。

3）本发明对于数据滤波处理，可根据各路传感器数据可有剔除错误数据剔除错误数据更有科学依据性。

附图说明

图1为本发明系统的安装布置示意图。

图2为本发明系统的固定装置结构示意图。

图3为通航船舶在航道通航时俯视示意图。

图4为本发明超声波一发多收测距示意图。

其中：1-固定装置，2-超声波传感器阵列，3-水压传感器模块，4-引航道，5-通航船舶，6-数据处理模块，7-传感器收发控制模块，8-安装架，9-安装板，b1-上行船舶，b2-下行船舶。

具体实施方式

基于一发多收超声波的仰扫式吃水检测系统，包括固定装置1、超声波传感器阵列2、水压传感器模块3、数据处理模块6。

所述固定装置1位于引航道4底部，并尽量保证水平。固定装置1上等间距安装多个超声波传感器，多个超声波传感器构成超声波传感器阵列2，超声波传感器阵列2用于测量固定装置1与通航船舶5的间距；

所述固定装置1上安装有水压传感器模块3，水压传感器模块3用于通过测量水压值得到水深，实时监测水位变化。

所述超声波传感器阵列2、水压传感器模块3均连接数据处理模块6；

数据处理模块6用于对超声波传感器阵列2测得的固定装置1与通航船舶5底部的间距h水压传感器模块3测得的固定装置1与水平面的间距h采集传输后进行处理，通过计算h-h的值，即得通航船舶5的吃水值d。

所述固定装置1包括不锈钢架材质的安装架8，安装架8与水平面平行，多个超声波传感器通过安装板9水平等间距固定在安装架8上，构建超声波传感器阵列2。

其中，为保证传感器不受水流冲击影响造成传感器损坏，影响系统测量，安装架8采用不锈钢材质且具有高强度和重量大的特点。安装板9保证安装架与传感器不易脱落。多个超声波传感器具体安装数量，可根据航道宽度及测量宽度来确定。在安装架8上同时等间距安装n个水压传感器模块3，用来测定安装架8各处与水平面的间距h。

所述数据处理模块6安装于岸上电气柜中，数据处理模块6用于吃水数据处理和补偿。

所述数据处理模块6设有传感器收发控制模块7，传感器收发控制模块7用来实现同步时序控制、传感器信号收/发、超声波状态控制。

超声波传感器采用谐振频率500hz，波束角6度，工作温度-40~80摄氏度，防护等级ip68级的超声波传感器。

水压传感器采用cyw11系列液位变送器，量程0~50m，精度0.1%fs。

数据处理模块6采用altera公司cyclone系列ep1c6q240c8核心处理芯片及外围信号传输电路。

传感器收发控制模块7采用stm32单片机控制模块，进行传感器指令收发及深度计算。

基于一发多收超声波的仰扫式吃水检测方法，包括以下步骤：

步骤一：在航道底部布设不锈钢架结构的安装架8，安装架8与水平面平行；

步骤二：首先，确定安装架8在水中的安装位置，设通航船舶5的吃水量为d，因天气、季节、水流等因素导致的水位变化值为d1，实际中0<d1<3m，则应保证超声波传感器阵列2在水下的安装位置h>d+d1；

然后，在安装架8上以等间距d安装m个朝向水面的超声波传感器，构成超声波传感器阵列2，则第n个超声波传感器与靠岸左侧的引航道的距离sn为：

sn=(n-1)d，n=1、2、…、m；

由此可得各个超声波传感器在安装架8上的安装位置。

且安装架8的总长度为：

s=（m-1）d；

另外，超声波传感器的波束角越小时，指向性越大，发挥的性能越好。因此在安装超声波传感器阵列2时，保证安装架8与水平面平行，使超声波传感器通过安装板9水平固定在安装架8上。

步骤三：

在安装架8上同时以等间距d1安装n个水压传感器模块3，用来测定安装架8各处与水平面的间距h，以此检验安装架8是否平行于水平面；第i个水压传感器模块与靠岸左侧的引航道的距离si为：

si=(i-1)d1i=1、2、…、n；

由此可得各个水压传感器模块在安装架8上的安装位置。

步骤四：

传感器收发控制模块7采用fpga进行同步时序控制、传感器信号收/发、超声波状态控制，具体时序控制方式为：①、检测系统系统上电，fpga初始化所有模块；②、根据fpga程序设定间隔时间，依次为超声波传感器阵列2提供使能信号；③、收到发射使能信号的超声波传感器进行工作，同时fpga通过指令控制其他传感器处于接受状态；④、fpga发送指令读取各路传感器测到的距离结果。其中，控制逻辑为m路超声波传感器中使能其中一路超声波传感器进行超声波发送，同时其余m-1路超声波传感器收到接受指令处于接受状态。此时发送超声波的传感器发射超声波完成后，收到fpga的接受指令，即发送超声波的传感器发送状态完成后立刻处于接收状态，未发送超声波信号的传感器只进行回波的接受。

步骤五：

数据处理模块6采集超声波传感器阵列2测得安装架8与通航船舶底部的多路间距hm和水压传感器模块3测得的安装架8与水平面的间距h，通过计算（h-hm）的值，得到通航船舶的多路吃水值dm，得到多路数据进行船舶吃水数据拟合，测算吃水值，完成船舶吃水测量。

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