一种船舶吃水深度计算方法及系统

1.本发明涉及船舶吃水深度计算的技术领域，尤其涉及一种船舶吃水深度计算方法及系统，利用侧扫声呐实现对内河散货船的吃水深度计算。


背景技术：

2.船舶超载很容易导致船舶在航道内搁浅，造成航道泥沙的急剧淤积，严重的会破坏航道，造成财产损失和人员伤亡。随着内河航运量的逐年增长，船载吃水等关键信息得不到有效核验，谎报、瞒报配载吃水的违规行为频发，严重威胁通航秩序和通航安全。
3.侧扫声呐是利用回声探测原理，通过发射声波来探知水面、海面、海底声学结构和介质性质的探测设备。侧扫声呐的拖鱼左右两侧各安装了一条换能器线阵，通过发射声脉冲向外传播，当碰到海底或水中物体时会产生散射，其中的反向散射声波会按原传播路径返回换能器阵被换能器接收。侧扫声呐将接收到的回波信号根据到达时间进行逐点映射，然后将每一发射周期接收到的信号逐一排列显示，构成声图。
4.已知当声波从介质1传播到介质2时，在介质分界面处会发生反射、散射和折射。设介质1和介质2的声阻抗分别为z1＝ρ1c1,z2＝ρ2c2，入射角为θi，反射角为θr，折射角为θ
t
，入射声压为pi，则反射声压pr和折射声压p
t
分别为：
[0005][0006][0007]
设m＝c1/c2，n＝ρ2/ρ1则由折射定律可得：
[0008][0009]
将式(3)分别代入式(1)(2)中可得：
[0010][0011][0012]
已知水的密度ρ1＝1000kg/m3，声速c1＝1500m/s。空气密度ρ2＝1.293kg/m3，声速c2＝343m/s。由式(4)(5)计算得到|pi|＝pr，p
t
≈0。由此可知，无论声波以何种角度从水下发射到平静水面，都会发生全反射。
[0013]
内河散货船的船壳材料大多为钢板或水泥壳，当声波从水下发射到船体时会发生强反射。尤其是与水面波纹、漂浮物等杂物产生的反向散射声波相比要强很多，可以比较容易在获取的声呐信号中提取到船舶目标信息。
[0014]
内河散货船的船型结构规则，船底为平底，船舷侧板为垂直结构。船舷侧板与船底通过船舭部连接。当声波从水下斜向上发射到船体上时，在船舷侧板上发生斜入射，而在船体与水面交界点、船舭部会发生垂直入射，即这两处的反向散射信号要比船舷侧板的回波信号要强很多。但由于散货船的舭部不是直角结构，是具有一定放样的弧形，所以船体和水面交点处的回波信号要比船舭部的回波信号更强一些。
[0015]
目前内河航道及港口常见的船舶吃水深度检测方法有人工检测法、激光测量法、声学测量法等。人工检测法一般是通过人工读取船舷设置的水尺数值，在测量时需要船舶静止，检测效率较低，且很容易受到能见度、水面波动等不利因素的影像，导致读数误差大，容易引起处罚纠纷。激光测量法容易受水质等环境因素的影响，尤其是在汛期期间，浑浊的水质会极大的影响测量精度。常用的声波测量法有超声测距法和多波束检测法，该两种方法都需要将声呐设备铺设于航道底部或安装在航道中央，容易受水底砂石、淤泥等杂物覆盖，对于设备的安全维护难度较大。且该两种方法监测范围有限，通常仅适用于船闸内的船舶监测。


技术实现要素：

[0016]
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种监测范围大、施工和维护简单的内河散货船的吃水深度计算方法及系统，基于声学回声探测原理，利用侧扫声呐对内河航道散货船进行吃水深度自动检测。
[0017]
本发明的上述发明目的是通过以下技术方案得以实现的：
[0018]
一种船舶吃水深度计算方法，包括以下步骤：
[0019]
s1：在航道一侧的底部安装侧扫声呐，所述侧扫声呐24小时不间断向水面发射声波束；
[0020]
s2：当所述侧扫声呐接收到船体对所述声波束产生的强回波信号时，判断船舶目标出现；
[0021]
s3：依据所述侧扫声呐接收到的声呐信号，找到所述船体与水面交点的所述强反射信号和船舭部所述强反射信号的采样点位置，结合所述侧扫声呐的安装深度计算出所述船体的吃水深度值。
[0022]
进一步地，当所述船舭部具有弧度时，在计算所述吃水深度时，加入所述船舭部的放样半径进行计算。
[0023]
进一步地，步骤s3，依据所述侧扫声呐接收到的所述声呐信号，找到所述船体与水面交点的所述强回波信号和所述船舭部所述强回波信号的采样点位置，结合所述侧扫声呐的所述安装深度计算出所述船体的吃水深度值具体为：
[0024]
记所述侧扫声呐的安装位置为o点，所述侧扫声呐的所述安装深度为h，所述船体与所述侧扫声呐之间的水平距离为x0，所述船舭部的放样半径为r，所述船舭部的放样圆心为p，所述船体与水面交点为a，oa的长度为l1，所述船舭部所述强回波信号的最高点为op与所述船舭部的交点b，ob的长度为l2，所述吃水深度为h；
[0025]
过所述侧扫声呐的安装位置o点画一条水平线，过所述船舭部的放样圆心p画一条竖直线，两条线的交点记为p’；
[0026]
根据直角三角形勾股定理，在
△
pop’中有：
[0027]
op'2+pp'2＝op2[0028]
(x0+r)2+(h-h+r)2＝(l2+r)2[0029]
所述吃水深度h为
[0030][0031]
式中则
[0032][0033]
从所述侧扫声呐接收到的所述船体对所述声波束产生的所述强回波信号中解算出l1和l2的长度，即计算出所述吃水深度值h。
[0034]
进一步地，获取所述船体与水面交点a和所述船舭部所述强回波信号的最高点b，具体为：
[0035]
在所述侧扫声呐接收到的单帧的所述强回波信号中获取回波信号最强点和回波信号次强点的采样点位置；
[0036]
所述回波信号最强点对应的采样点位置为所述船体与水面交点a；
[0037]
所述回波信号次强点对应的采样点位置为所述船舭部所述强回波信号的最高点b。
[0038]
进一步地，从所述侧扫声呐接收到的所述船体对所述声波束产生的所述强回波信号中解算出l1和l2的长度，具体为：
[0039]
记录一帧的所述强回波信号的总采样点数为n，所述回波信号最强点为第na个采样点，所述回波信号次强点为第nb个采样点；
[0040]
所述侧扫声呐的垂直航迹分辨率为
△
l，则
[0041]
l1＝na×
δl
[0042]
l2＝nb×
δl。
[0043]
一种采用如上述的船舶吃水深度计算方法的船舶吃水深度计算系统，包括：
[0044]
水下声呐检测模块，用于在航道一侧的底部安装侧扫声呐，所述侧扫声呐24小时不间断向水面发射声波束，当所述侧扫声呐接收到船体对所述声波束产生的强回波信号时，判断船舶目标出现；
[0045]
吃水深度计算模块，用于依据所述侧扫声呐接收到的声呐数据，找到所述船体与水面交点的所述强反射信号和船舭部所述强反射信号的采样点位置结合所述侧扫声呐的安装深度计算出所述船体的吃水深度值。
[0046]
一种计算机设备，包括存储器和一个或多个处理器，所述存储器中存储有计算机代码，所述计算机代码被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器执行如上述的方法。
[0047]
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机代码，当所述计算机代码被执行时，如上述的方法被执行。
[0048]
与现有技术相比，本发明包括以下至少一种有益效果是：
[0049]
(1)通过提供应用于内河散货船的一种船舶吃水深度计算方法，包括以下步骤：s1：在航道一侧的底部安装侧扫声呐，所述侧扫声呐24小时不间断向水面发射声波束；s2：
当所述侧扫声呐接收到船体对所述声波束产生的强回波信号时，判断船舶目标出现；s3：依据所述侧扫声呐接收到的声呐数据，找到所述船体与水面交点的所述强反射信号和船舭部所述强反射信号的采样点位置，结合所述侧扫声呐的安装深度计算出所述船体的吃水深度值。上述技术方案，基于声学回声探测原理，利用侧扫声呐对内河航道散货船进行吃水深度自动检测。
[0050]
(2)采用侧扫声呐的形式，将侧扫声呐安装于航道侧一侧的底部，不仅不易受河床砂石、船舶抛锚的影响，还可以实现大范围航道监测，而且施工难度小，对于设备的安全维护也比较方便。同时测量精度不易受光照、水质等环境因素影响。
附图说明
[0051]
图1为本发明一种船舶吃水深度计算方法的整体流程图；
[0052]
图2为本发明船舶吃水深度计算示意图；
[0053]
图3为本发明侧扫声呐采集到的船舶目标声图；
[0054]
图4为本发明一种船舶吃水深度计算系统的整体结构图。
具体实施方式
[0055]
为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
[0056]
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。
[0057]
现有技术中，常用的声波测量法有超声测距法和多波束检测法：
[0058]
(1)超声测距法
[0059]
根据河道宽度，在河床底部固定间隔铺设若干个测深仪。从河床底部向水面发射声波，测量河底到水面的距离hh。当船舶经过时，测量得到河底到船底距离hc，计算吃水深度为h
h-hc。该方法具有成本低、测量精度高等优势，但缺点是监测范围小，且设备容易受到河床底部砂石、淤泥、船舶抛锚的影响，造成设备损坏，维护困难。
[0060]
(2)多波束检测法
[0061]
多波束声呐是一种高精度的海洋仪器，常用于测量海底地形、地貌，具有对深度信息敏感、数据准确等优点。将声呐安装于河床底部，发射声波到水面。当没有船只通过时，声波经水面反射回接收端。当有船只通过时，接收到的除了水面回波，还有船底的反射波。根据这些回波信息就可以比较准确的获得船舶的吃水深度。但是该方法造价高、监测范围有限，且设备容易受到船舶抛锚造成损坏。
[0062]
本发明基于侧扫声呐对船体吃水深度进行检测，能够实现对内河航道内散货船吃水深度的快速计算，且测量精度高。侧扫声呐是利用回声探测原理探测海底地貌和水下目标的设备，通常单侧量程就可以达到数百米，具有监测范围广、分辨率高、性价比高等优势。
本发明设计将侧扫声呐安装于航道一侧的底部，不仅不易受河床砂石、船舶抛锚的影响，还可以实现大范围航道监测，而且施工难度小，方便对设备进行安全维护。同时测量精度不受光照、水质等环境因素影响。
[0063]
以下通过具体实施例进行说明：
[0064]
第一实施例
[0065]
如图1所示，本实施例提供了一种船舶吃水深度计算方法，包括以下步骤：
[0066]
s1：在航道一侧的底部安装侧扫声呐，所述侧扫声呐24小时不间断向水面发射声波束。
[0067]
具体的，在本实施例中，将侧扫声呐安装于航道一侧的底部。对于侧扫声呐不仅不易受河床底部砂石、船舶抛锚的影响，还可以实现大范围航道监测，而且施工难度小，方便对设备进行安全维护。同时测量精度不易受光照、水质等环境因素影响。
[0068]
s2：当所述侧扫声呐接收到船体对所述声波束产生的强回波信号时，判断船舶目标出现。
[0069]
具体的，在本实施例中，侧扫声呐24小时不间断向水面发射声波束。当有船体进入侧扫声呐的监测区域时，船体将对声波束反射强回波信号。当侧扫声呐接收到船体的强回波信号时，就可以判断出有船舶目标出现。
[0070]
s3：依据所述侧扫声呐接收到的所述声呐数据，找到所述船体与水面交点的所述强反射信号和船舭部所述强反射信号的采样点位置，结合所述侧扫声呐的安装深度计算出所述船体的吃水深度值。同时当所述船舭部具有弧度时，在计算所述吃水深度时，加入所述船舭部的放样半径进行计算。
[0071]
具体的，在本实施例中，如图2所示，船体的吃水深度的计算过程为：
[0072]
记所述侧扫声呐的安装位置为o点，所述侧扫声呐的所述安装深度为h，所述船体与所述侧扫声呐之间的水平距离为x0，所述船舭部的放样半径为r，所述船舭部的放样圆心为p，所述船体与水面交点为a，oa的长度为l1，所述船舭部所述强回波信号的最高点为op与所述船舭部的交点b，ob的长度为l2，所述吃水深度为h；
[0073]
过所述侧扫声呐的安装位置o点画一条水平线，过所述船舭部的放样圆心p画一条竖直线，两条线的交点记为p’；
[0074]
根据直角三角形勾股定理，在
△
pop’中有：
[0075]
op'2+pp'2＝op2[0076]
(x0+r)2+(h-h+r)2＝(l2+r)2[0077]
所述吃水深度h为
[0078][0079]
式中则
[0080][0081]
从所述侧扫声呐接收到的所述船体对所述声波束产生的所述强回波信号中解算出l1和l2的长度，即计算出所述吃水深度值h。
[0082]
因此，只需要从回波信号中解算出l1和l2，即oa、ob的长度，就可以计算出船舶的吃
水深度值。侧扫声呐形成的声图是根据回波信号的到达时间进行逐点映射的。所以在所述侧扫声呐接收到的单帧的所述强回波信号中获取回波信号最强点和回波信号次强点的采样点位置，即可以获得l1和l2的大小。
[0083]
所述回波信号最强点对应的采样点位置为所述船体与水面交点a；所述回波信号次强点对应的采样点位置为所述船舭部所述强回波信号b。
[0084]
记录一帧的所述强回波信号的总采样点数为n，所述回波信号最强点为第na个采样点，所述回波信号次强点为第nb个采样点；
[0085]
所述侧扫声呐的垂直航迹分辨率(量程分辨率)为
△
l，则
[0086]
l1＝na×
δl
[0087]
l2＝nb×
δl。
[0088]
将l1和l2代入上述公式，即可以计算出吃水深度h。
[0089]
第二实施例
[0090]
如图4所示，本实施例提供了一种采用如第一实施例中的船舶吃水深度计算方法的船舶吃水深度计算系统，包括：
[0091]
水下声呐检测模块1，用于在航道一侧的底部安装侧扫声呐，所述侧扫声呐24小时不间断向水面发射声波束，当所述侧扫声呐接收到船体对所述声波束产生的强回波信号时，判断船舶目标出现；
[0092]
吃水深度计算模块2，用于依据所述侧扫声呐接收到的声呐数据，找到所述船体与水面交点的所述强反射信号和船舭部所述强反射信号的采样点位置，结合所述侧扫声呐的安装深度计算出所述船体的吃水深度值。
[0093]
一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机代码，当计算机代码被执行时，如上述方法被执行。本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(rom，read only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁盘或光盘等。
[0094]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
[0095]
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0096]
应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种船舶吃水深度计算方法，其特征在于，包括以下步骤：s1：在航道一侧的底部安装侧扫声呐，所述侧扫声呐24小时不间断向水面发射声波束；s2：当所述侧扫声呐接收到船体对所述声波束产生的强回波信号时，判断船舶目标出现；s3：依据所述侧扫声呐接收到的声呐数据，找到所述船体与水面交点的所述强反射信号和船舭部所述强反射信号的采样点位置，结合所述侧扫声呐的安装深度计算出所述船体的吃水深度值。2.根据权利要求1所述的船舶吃水深度计算方法，其特征在于，在步骤s3中，还包括：当所述船舭部具有弧度时，在计算所述吃水深度时，加入所述船舭部的放样半径进行计算。3.根据权利要求2所述的船舶吃水深度计算方法，其特征在于，步骤s3，依据所述侧扫声呐接收到的所述声呐数据，找到所述船体与水面交点的所述强回波信号和所述船舭部所述强回波信号的采样点位置，结合所述侧扫声呐的所述安装深度计算出所述船体的吃水深度值具体为：记所述侧扫声呐的安装位置为o点，所述侧扫声呐的所述安装深度为h，所述船体与所述侧扫声呐之间的水平距离为x0，所述船舭部的放样半径为r，所述船舭部的放样圆心为p，所述船体与水面交点为a，oa的长度为l1，所述船舭部所述强回波信号的最高点为op与所述船舭部的交点b，ob的长度为l2，所述吃水深度为h；过所述侧扫声呐的安装位置o点画一条水平线，过所述船舭部的放样圆心p画一条竖直线，两条线的交点记为p’；根据直角三角形勾股定理，在
△
pop’中有：op'2+pp'2＝op2(x0+r)2+(h-h+r)2＝(l2+r)2所述吃水深度h为式中则从所述侧扫声呐接收到的所述船体对所述声波束产生的所述强回波信号中解算出l1和l2的长度，即计算出所述吃水深度值h。4.根据权利要求3所述的船舶吃水深度计算方法，其特征在于，还包括：获取所述船体与水面交点a和所述船舭部所述强回波信号b，具体为：在所述侧扫声呐接收到的单帧的所述强回波信号中获取回波信号最强点和回波信号次强点的采样点位置；所述回波信号最强点对应的采样点位置为所述船体与水面交点a；所述回波信号次强点对应的采样点位置为所述船舭部所述强回波信号b。5.根据权利要求4所述的船舶吃水深度计算方法，其特征在于，从所述侧扫声呐接收到的所述船体对所述声波束产生的所述强回波信号中解算出l1和l2的长度，具体为：
记录一帧的所述强回波信号的总采样点数为n，所述回波信号最强点为第n
a
个采样点，所述回波信号次强点为第n
b
个采样点；所述侧扫声呐的垂直航迹分辨率为
△
l，则l1＝n
a
×
δll2＝n
b
×
δl。6.根据权利要求1所述的船舶吃水深度计算方法，其特征在于，还包括：将所述侧扫声呐每一发射周期接收到的回波信号按照时间排列显示，构成所述船体的声图；所述声图中显示所述船体侧面的线性轮廓。7.根据权利要求6所述的船舶吃水深度计算方法，其特征在于，还包括：在所述声图中采用灰度代表所述回波信号的强度，亮色代表信号强，暗色代表信号弱；所述声图中亮色代表船型轮廓的上沿和下沿。8.一种采用如权利要求1-7任意一项所述的船舶吃水深度计算方法的船舶吃水深度计算系统，其特征在于，包括：水下声呐检测模块，用于在航道一侧的底部安装侧扫声呐，所述侧扫声呐24小时不间断向水面发射声波束，当所述侧扫声呐接收到船体对所述声波束产生的强回波信号时，判断船舶目标出现；吃水深度计算模块，用于依据所述侧扫声呐接收到的声呐数据中对所述声波束产生的强回波信号，找到所述船体与水面交点的所述强反射信号和船舭部所述强反射信号的采样点位置，结合所述侧扫声呐的安装深度计算出所述船体的吃水深度值。9.一种计算机设备，包括存储器和一个或多个处理器，所述存储器中存储有计算机代码，所述计算机代码被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器执行如权利要求1至7中任一项所述的方法。10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机代码，当所述计算机代码被执行时，如权利要求1至7中任一项所述的方法被执行。

技术总结
本发明涉及船舶吃水深度计算技术领域，提供了一种船舶吃水深度计算方法，用于利用侧扫声呐实现对内河散货船的吃水深度进行计算。包括以下步骤：S1：在航道一侧的底部安装侧扫声呐，所述侧扫声呐24小时不间断向水面发射声波束；S2：当所述侧扫声呐接收到船体对所述声波束产生的强回波信号时，判断船舶目标出现；S3：依据所述侧扫声呐接收到的所述声呐数据，找到所述船体与水面交点的所述强反射信号和船舭部所述强反射信号的采样点位置，结合所述侧扫声呐的安装深度计算出所述船体的吃水深度值。声呐的安装深度计算出所述船体的吃水深度值。声呐的安装深度计算出所述船体的吃水深度值。


技术研发人员：陈晶晶 王晨 张平 邹彬彬 郭英歌 孙小伟 冯強峰 杨文俊 任飞 刘振宇 刘晓锋 姜霞
受保护的技术使用者：中国科学院声学研究所东海研究站
技术研发日：2023.02.08
技术公布日：2023/7/4