多频率超声波阵列侧扫式吃水检测系统的研究

发布时间：2020-04-30 16:54

【摘要】：随着近些年来国家的大力支持,内河水域经济发展需求的不断攀升,船舶货运量呈现出猛增趋势。但越来越重的船舶载货,使得船舶吃水深度激增,如果超吃水现象严重,则会威胁航道安全。为解决这些问题,需要对通航船舶进行吃水检测,当检测出超吃水违章船舶时,能够及时制止,从而避免事故的发生,有效地提高通航效率。目前国内外吃水检测方法均存在不小弊端,例如无法离船检测、准确性差等。为此,本文提出多频率超声波阵列侧扫式吃水检测系统,首先分析了水中超声波的多途效应以及衍射效应原理,根据这些原理完成了短时分时控制方法以及幅值细分技术的设计;其次对超声波换能器的特性展开了研究,为后续的超声波换能器选取提供了依据。根据多频率超声波阵列侧扫式吃水检测系统的要求,本文设计了 DSP多频率数据采集模块,实现不同频率超声波的发射与接收,利用频谱分析技术解析出对应每一路频率的超声波信号电压幅值,消除了通道间干扰,有效地提高了检测效率。设计了 ARM数据融合模块,与DSP多频率数据采集模块构成双核的实时采集结构,完成了超声波数据与水位计数据的提取融合、噪声处理等功能,并将数据通过光纤进行远程传输给上位机系统。研制的上位机软件系统采用中值滤波的方法解决了随机噪声的问题,采用换能器数据特性标准化方法解决因各种因素导致超声波换能器参数差异的问题,同时使用幅值细分技术提高了系统的检测精度。经过在大连海事大学校打捞馆的实验和三峡升船机现场的投入运行证明,本文开发的侧扫式吃水检测系统能够满足工程实际要求,技术方案可行。该系统经过中国计量科学院的计量认证,当航道宽度为30m时,测量精度达2.0cm;当航道宽度为50m时,测量精度达2.8cm。
【图文】：

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图１．邋１船载超声波检测法示意图逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｓｈｉｐ邋ｂｏｒｎｅ邋ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ邋ｔｅｓｔｉｎｇ邋ｍｅｔｈｏｄ逡逑但该方法仍存在缺陷：首先，超声波换能器不允许进行离船测量，，浪费次，超声波传输速率受到环境湿度以及温度的影响，声速的差异严重影

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（５）仰扫式超声波检测法逡逑仰扫式超声波检测法是将超声波传感器装置在检测区域的河道底部，由支架逡逑固定，如图１．２所示。当通航船舶途径检测区域时，传感器阵列发射超声波被水面逡逑或者船体底部反射后再次由传感器采集，通过得知此时超声波传输速度来计算得逡逑出船舶吃水值［（；］。检测船只经过时传感器阵列距水面高度／／，检测此时传感器阵逡逑列距船体底部高度／／，所以可得船舶吃水深度Ｄ：逡逑Ｄ邋＝邋Ｈ－ｈ逦（１．２）逡逑ｒ￣＞逡逑——邋——逡逑Ｄ逡逑逦ｉ＿＿ｖ逦１逦逡逑Ｈ逡逑ｈ邋：：：：：：：：：：：：逦ｈ逡逑逦＾——ｍ——ｉ；——？——ｗ—邋－ｍ邋—■逦ｗ逦逡逑图１．２仰扫式超声波检测法示意图逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｉｎｖｅｒｔｅｄ邋ｓｃａｎｎｉｎｇ邋ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ邋ｔｅｓｔｉｎｇ邋ｍｅｔｈｏｄ逡逑该方法虽然能够实现离船测量，但是由于传感器阵列固定在河道底部，不方逡逑便后期设备的安装检修。逡逑除了以上几种方法，还有多波束扫描法［１（）１等，但这些方法仍然无法进行高精逡逑度离船实时检测。逡逑１．２．３侧扫式吃水检测系统现状逡逑由于现今吃水检测系统都或多或少存在弊端，大连海事大学与三峡通航管理逡逑局合作提出侧扫式吃水检测方法。该系统结构示意图如图１．３。侧扫式吃水检测系逡逑统利用船舶对单频率超声波传输路径的遮挡产生的衍射效应结合水位信息来计算逡逑得到船舶吃水值。该系统主要包括：水位计模块、超声波发射阵列、超声波接收逡逑阵列、数据采集模块、上位机软件系统。该方法虽然能够进行离船实时检测，并逡逑－４邋－逡逑
【学位授予单位】：大连海事大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U698

【参考文献】