基于多波束聲納的船舶超載檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

黃其培

(昆明船舶設(shè)備研究試驗(yàn)中心　昆明　650051)

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基于多波束聲納的船舶超載檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

黃其培

(昆明船舶設(shè)備研究試驗(yàn)中心昆明650051)

船舶超載是一種危害性極大的水上交通違法行為，為了有效制止此類行為的發(fā)生，論文提出了一種基于多波束聲納對超載船只進(jìn)行快速、有效的檢測方法。論文介紹了系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)和基本工作原理，并分別對水下檢測分系統(tǒng)和岸端分系統(tǒng)做了詳細(xì)論述。系統(tǒng)經(jīng)過大量船只的測量驗(yàn)證，檢測概率95%以上，對船只幾何特征和吃水深度的測量誤差小于0.2m，證明了系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠，滿足實(shí)際使用需求。

船舶; 超載; 檢測; 多波束聲納

Class NumberTP302.1

1　引言

我國內(nèi)河水運(yùn)資源豐富，在交通運(yùn)輸部《關(guān)于加快“十二五”期水運(yùn)結(jié)構(gòu)調(diào)整的指導(dǎo)意見》中，將“興內(nèi)河”作為“十二五”水運(yùn)發(fā)展的重中之重，使得近年來內(nèi)河航運(yùn)得以飛速發(fā)展，有力推動了我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[1]。由于內(nèi)河航運(yùn)具有運(yùn)輸量大、成本低、污染小、效益高等優(yōu)點(diǎn)，在綜合運(yùn)輸體系中有較為明顯的優(yōu)勢，部分船主受利益驅(qū)使，采取謊報(bào)船舶裝載，瞞報(bào)船舶實(shí)際吃水，故意制造假吃水標(biāo)識等手段，躲避執(zhí)法部門的檢查，然而，相關(guān)執(zhí)法部門檢查船舶吃水仍采用查看船舶水尺或在艙內(nèi)實(shí)際丈量艙深等登船檢測的傳統(tǒng)方式[2]。由于受技術(shù)手段制約，執(zhí)法部門無法對船只進(jìn)行快速準(zhǔn)確的檢測，致使船舶超吃水現(xiàn)象仍屢禁不止，這種危害性極大的水上交通違法行為，容易造成較為嚴(yán)重的事故，導(dǎo)致財(cái)產(chǎn)損失、人員傷亡，嚴(yán)重影響了內(nèi)河運(yùn)輸?shù)耐ê桨踩秃竭\(yùn)效率，同時(shí)也阻礙了航運(yùn)經(jīng)濟(jì)的健康發(fā)展。因此，研究船舶超載檢測技術(shù)，開發(fā)離船快速自動檢測裝置成為當(dāng)前水上交通安全管理的當(dāng)務(wù)之急。目前國內(nèi)也出現(xiàn)一些關(guān)于船只吃水深度的檢測方法，如有在船閘底部安裝單波束傳感器陣列對船舶底部進(jìn)行掃描檢測，此方法適用于在船閘這樣一個(gè)穩(wěn)定、可控的環(huán)境，而在大水位差變幅、寬水域、多卵石沙的內(nèi)河自然航道顯然并不適用。除此之外，有利用光學(xué)原理檢測的設(shè)計(jì)，采用激光成像技術(shù)對船舶水面部分進(jìn)行成像，判斷其吃水情況，但此方法容易受天氣和水域水況影響，不能準(zhǔn)確地檢查，容易出現(xiàn)錯(cuò)誤檢測[3～4]。以上方法均有一定的應(yīng)用，但在檢測的準(zhǔn)確性和環(huán)境適應(yīng)性上還存在一定的不足。

為了提高系統(tǒng)的檢測準(zhǔn)確性和環(huán)境的適應(yīng)能力，本文提出利用多波束聲納對船只超載情況進(jìn)行檢測，通過在航道的兩側(cè)水底對稱布放兩臺多波束聲納設(shè)備對航行的船只進(jìn)行波束掃描，并對船體回波的進(jìn)行接收和解算，得出船只的吃水深度及船體的形狀特性。通過對比船只最大吃水深度，以判斷船只是否超載，并對超載情況給予實(shí)時(shí)報(bào)警。此方案不受天氣、水域水況的影響，檢測效率高，節(jié)省了大量人力、物力，具有較高應(yīng)用價(jià)值。

2　系統(tǒng)組成與工作原理

2.1系統(tǒng)組成

船只超載檢測系統(tǒng)主要由水下檢測分系統(tǒng)和岸端分系統(tǒng)組成。水下檢測分系統(tǒng)主要包括水下云臺、多波束聲納、深度傳感器、姿態(tài)傳感器等；岸端分系統(tǒng)主要有數(shù)據(jù)處理與顯示主機(jī)、DGPS設(shè)備及通信單元、報(bào)警裝置等。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)組成框圖

2.2系統(tǒng)工作原理

為了使聲納的波束掃描對航道內(nèi)航行的船只有足夠覆蓋，以保證檢測的準(zhǔn)確性，系統(tǒng)采用兩個(gè)多波束聲納設(shè)計(jì)[5]。該系統(tǒng)利用兩個(gè)多波束聲納設(shè)備置于水底且分別位于固定航道兩側(cè)，所有過往船只在GPS導(dǎo)航的指引下，以一定速度緩慢通過指定航道進(jìn)行檢測，水下聲納設(shè)備將對航行船只進(jìn)行波束掃描，通過解析回波信息對船只進(jìn)行檢測，然后通過水下光纜把檢測到的回波信息傳送至岸端數(shù)據(jù)處理設(shè)備進(jìn)行綜合數(shù)據(jù)處理，并進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，對于超載情況給予報(bào)警，以便執(zhí)法人員快速響應(yīng)。系統(tǒng)工作測試示意圖，如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)工作測試示意圖

3　水下分系統(tǒng)

水下分系統(tǒng)主要用于收發(fā)波束信號，并對船只的回波信號進(jìn)行解析，最終把解析數(shù)據(jù)和傳感器數(shù)據(jù)傳送至岸端設(shè)備進(jìn)行綜合處理，實(shí)現(xiàn)對船只的實(shí)時(shí)檢測。在信號的處理流程中，水下分系統(tǒng)主要由模擬信號處理單元和數(shù)字信號處理單元兩個(gè)部分組成，下面將對這兩方面內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

3.1模擬信號處理單元

模擬信號處理單元主要由前置放大電路和通道電路組成，模擬信號處理電路結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3　模擬信號電路結(jié)構(gòu)圖

3.1.1前置放大器

前置放大器置于水聽器腔體中，將水聽器接收的微弱信號放大后傳送至水密電子艙內(nèi)的電路進(jìn)行處理，采用高可靠性、低紋波單電源前置放大器。

3.1.2通道電路

通道電路完成接收水中噪聲信號的放大、濾波等調(diào)理功能，并由數(shù)字處理器(DSP)對信號進(jìn)行增益控制(AGC)。整個(gè)電路設(shè)計(jì)具有低功耗、低噪聲特性，使調(diào)理后的信號具有較好的動態(tài)范圍、較高的信噪比。

3.2數(shù)字信號處理單元

數(shù)字信號處理模塊是水下電子設(shè)備的核心功能模塊。其不但要完成多路A/D數(shù)據(jù)的同步讀取、實(shí)時(shí)信號預(yù)處理和多波束形成外，并且需要負(fù)責(zé)干濕端數(shù)據(jù)、命令的發(fā)送和接收，并將控制命令解析后發(fā)送到相應(yīng)的功能模塊，控制水下各設(shè)備協(xié)同工作。數(shù)字信號處理模塊結(jié)構(gòu)圖如圖4所示[6]。

圖4　數(shù)字信號處理模塊結(jié)構(gòu)圖

數(shù)字信號處理模塊主要包含以下功能：1)完成多路A/D數(shù)據(jù)的同步讀取。2)實(shí)時(shí)完成多路數(shù)據(jù)的正交解調(diào)、FIR濾波抽取和多波束形成處理[7]。3)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、命令的收發(fā)和外圍芯片控制。4)實(shí)現(xiàn)回波增益控制，包括自動/手動增益控制。5)解析波束時(shí)延等相關(guān)信息。其中，波束形成和波束信息解算為數(shù)字信號處理單元的最為重要的功能，下面將對多波束形成和波束解算方法進(jìn)行介紹。

3.3多波束形成

波束形成主要是對特定方向的有用信號形成波束，使之輸出最大并衰減其他方向的干擾信號。其作用一方面是進(jìn)行空間處理獲取抗噪聲和混響干擾的空間增益，另一方面是為了得到高的目標(biāo)分辨率，對目標(biāo)進(jìn)行有效測量。

多波束形成既可以用模擬電路實(shí)現(xiàn)也可以用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)。模擬多波束形成以線性的方式工作，不受非線性影響引起的性能下降。但聲納通道數(shù)多且需形成多個(gè)波束，采用模擬方式實(shí)現(xiàn)會使系統(tǒng)體積變得非常龐大，且功率消耗也會相當(dāng)大。與模擬電路相比，數(shù)字電路具有高度的靈活性、可擴(kuò)展性，且隨著VLSI、DSP以及EDA技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字波束形成器(DBF)有取代模擬方法的趨勢。該技術(shù)充分利用了陣列所接收到的攜帶有空間信息的回波信號，可以方便地實(shí)現(xiàn)密集多波束掃描。

采用數(shù)字波束形成(DBF)設(shè)計(jì)多波束系統(tǒng)可以在不降低信噪比的情況下同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)獨(dú)立并且可控的波束，獲取良好的波束特性。數(shù)字多波束形成首先把接收聲基陣接收的回波信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再經(jīng)過正交解調(diào)、FIR濾波抽取分量得到正交和同相分量后對這些信號進(jìn)行加權(quán)疊加，產(chǎn)生多波束。多波束形成信號處理流程如圖5所示。

圖5　多波束形成信號處理流程圖

3.4波束解析

多波束測量船只時(shí)，關(guān)鍵是如何作回波時(shí)延估計(jì)(TOA)。檢測回波信號時(shí)延一般有兩種方法幅度檢測和相位差相干檢測。

相位差相干檢測是基于相位差相干的原理進(jìn)行檢測。接收端需要兩個(gè)獨(dú)立的陣列，且對于中心波束由于接收回波信號聲程差不明顯,相位差相干法檢測效果較差，故在這里不考慮用相位相干法檢測[8]。

幅度檢測利用船只反向散射回波信號幅度能量信息判斷時(shí)延，又可細(xì)化為回波前沿過門限檢測法、極大值檢測法及能量中心檢測法等幾種方法。由于不同方向的船只反向散射信號具有相同的頻率，其強(qiáng)度隨掠射角的減小而減小，并隨船只形狀、特性而變化，船只某采樣點(diǎn)的回波信號是船只一定面積上的散射波，因此接收波束具有一定寬度，且沒有陡峭的前沿，故不能采用前沿檢測和回波幅度極大值檢測法估計(jì)接收波束的時(shí)延，而一般采用快速能量中心收斂檢測法[9]。快速能量中心收斂檢測法是將回波信號在所劃分的子時(shí)間窗內(nèi)進(jìn)行幅度積分，經(jīng)過迭代求出能量最大值(能量中心)所收斂的子時(shí)間窗位置，再將能量中心的估值位置在子窗中心位置的前后作微小的移動，使該位置兩邊的能量差值達(dá)到極小值，此時(shí)間位置就是能量中心的精確位置，即回波信號時(shí)延值。幾種幅度檢測法的比較如圖6所示?；夭ㄐ盘枙r(shí)延估計(jì)流程如圖7所示。

由圖7所示，回波信號經(jīng)過波束形成后，數(shù)據(jù)分塊存儲，并對數(shù)據(jù)塊進(jìn)行時(shí)延計(jì)算，為了避免由周圍環(huán)境所帶來的干擾，根據(jù)聲納至船只測量點(diǎn)的距離設(shè)定一個(gè)合理的時(shí)延門限，使船只的回波信號時(shí)延大于該門限值。當(dāng)回波信號來到時(shí)開始對回波進(jìn)行分析處理，通過運(yùn)用能量中心檢測法得出回波時(shí)延。

圖6　幅度檢測方法

圖7　回波信號時(shí)延估計(jì)流程

4　岸端分系統(tǒng)

4.1船只幾何特征

船只的幾何特征的測量通常受到水域水況等因素的影響。為了準(zhǔn)確測量船只的幾何特征，需要結(jié)合姿態(tài)、深度及聲線修正數(shù)據(jù)等多種信息進(jìn)行解算[10]。這里測量的過程中主要考慮聲納的橫滾補(bǔ)償?shù)膯栴}。圖8表示橫滾角度為β的情況。

圖8　聲納姿態(tài)對船只幾何特征測量的影響

從圖中可以看出

hw=H-h=H-l*cos(φ+β)

(1)

x=l*sin(φ+β)

(2)

式中，φ為波束角；β為橫滾角；h為船只測量點(diǎn)垂直于聲納水平面的距離；hw為測量點(diǎn)船只吃水深度；x為測量點(diǎn)相對于聲納的橫向距離；H為聲納在水中的深度；l為聲納距離測量點(diǎn)的斜距。其中l(wèi)可表示為

(3)

式中，c為聲速儀測量聲速；Δt為回波波束時(shí)延值。

由此可知，船只的幾何特征可表示為

W=xl-max+xr-max

(4)

T=hw-max

(5)

L=v*t

(6)

式中，W、T、L分別表示船只的寬度、吃水深度、長度；xl-max為船只測量點(diǎn)相對于聲納左側(cè)最大橫向距離；xr-max為船只測量點(diǎn)相對于聲納左側(cè)最大橫向距離；hw-max為船只最大深度；v被測量船的航速；t為船只通過時(shí)間。

綜上可知，在進(jìn)行船只幾何特征測量時(shí)需要進(jìn)行橫滾角度補(bǔ)償。在測得聲納橫滾角時(shí)，可在發(fā)射時(shí)控制發(fā)射波束指向，保證激勵(lì)所需的照射扇面；而在接收時(shí)，則可在預(yù)形成的多個(gè)波束中進(jìn)行選擇，使其覆蓋扇面與發(fā)射扇面相對應(yīng)。這樣，當(dāng)聲納有較大橫滾角度時(shí)，仍可保證測量的正確性。

4.2岸端上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

岸端系統(tǒng)中綜合數(shù)據(jù)處理與顯示單元主要實(shí)現(xiàn)對數(shù)字信號處理單元所解析的波束相關(guān)信息數(shù)據(jù)，并綜合深度和姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出船只的幾何特征(吃水深度、長度、寬度等)和航行信息等數(shù)據(jù)，并以圖形顯示。通過獲取船只的GPS信息確定被檢船只的唯一性，最后對船只吃水深度測量值和正常運(yùn)載的最大吃水深度值進(jìn)行對比，在誤差允許范圍內(nèi)，有超吃水運(yùn)載情況則給予報(bào)警。岸端上位機(jī)軟件處理流程，如圖9所示。

5　測量結(jié)果

河道內(nèi)過往船只，在到達(dá)檢測航道附近，將根據(jù)檢測航道的GPS位置自行導(dǎo)航進(jìn)入檢測航道進(jìn)行檢測，岸端系統(tǒng)也將對過往船只航行軌跡進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，如果出現(xiàn)有不按規(guī)定航線進(jìn)入檢測航道的船只，開啟報(bào)警，并對船只信息進(jìn)行記錄，以便相關(guān)執(zhí)法人員進(jìn)行信息回查。船只航行軌跡，如圖10所示。

圖9　岸端上位機(jī)軟件處理流程

圖10　船只航行軌跡示意圖

通過對船只幾何特征的測量，得出其尺寸，結(jié)合船只的GPS信息，確定具體船只，并把測得的吃水深度值與該船只正常運(yùn)載最大吃水深度值進(jìn)行對比(船只的吃水深度值計(jì)算采用均值法)，從而有效判斷船只是否處于超載狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)超載情況，則觸發(fā)報(bào)警，告知現(xiàn)場值守的執(zhí)法人員，以便及時(shí)對超載船只進(jìn)行違法處理。

為了對系統(tǒng)性能進(jìn)行充分論證，在多方協(xié)調(diào)下，在河域水況約為二級(浪高0.2m～0.5m)，主要對500T、1000T、1500T及2000T等多個(gè)噸位級別的船只進(jìn)行了大量測量，同時(shí)為了驗(yàn)證系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，對被測船只進(jìn)行登船實(shí)際測量，給出一個(gè)參考值，通過對檢測系統(tǒng)測量值與登船測量的參考值進(jìn)行對比，以此來驗(yàn)證系統(tǒng)檢測的準(zhǔn)確性。這里給出了對1000T和2000T兩個(gè)級別的船只測量結(jié)果統(tǒng)計(jì)圖，如圖11所示。

圖11　1000T和2000T級船只檢測值與登船測量對比統(tǒng)計(jì)結(jié)果

綜上所述，系統(tǒng)經(jīng)過大量實(shí)際船只的測量驗(yàn)證，系統(tǒng)有效檢測概率大于95%，對船只幾何特性和吃水深度的測量誤差小于0.2m，證明了系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠，滿足實(shí)際使用需求。在水域狀況為二級時(shí)，1000T級船只實(shí)測圖形結(jié)果如圖12所示，圖中3D視圖是指船底形狀以三維形式呈現(xiàn)，而2D視圖則是指對船只吃水部分一個(gè)橫切面的一個(gè)輪廓描繪，其中2D視圖一個(gè)方格寬、高均表示1m，故被測船只吃水2m，寬約9m。

圖12　1000T級船只實(shí)測圖形結(jié)果

6　結(jié)語

本文所設(shè)計(jì)的基于多波束聲納超載檢測系統(tǒng)，經(jīng)過對河道內(nèi)運(yùn)輸船只的實(shí)際檢測，有效檢測概率95%以上，應(yīng)用效果較好，提高了檢查效率，節(jié)省了大量人力、物力，產(chǎn)生了較大經(jīng)濟(jì)效益。

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Design of Ship Overload Detection System Based on Multi Beam Sonar

HUANG Qipei

(Kunming Shipborne Equipment Research & Test Center, Kunming650051)

The ship overload is a great harm water traffic illgal act, in order to effectively prevent the occurrence of such behavior, this paper presents a fast and effective detection method to overloading of vessels based on multi beam sonar. The paper introduces the overall design and the basic working principle of the system, and discusses the underwater detect branch system and the shore end point system in detail. The system has been verified by detect a large number of vessels, the detection probability is more than 95%, the measurement error of the geometric characteristics of the vessel and the draft depth is less than 0.2m, it is proved that the system is stable and reliable, and can meet the application demand.

boats and ships, overload, detection, multi-beam sonar

2016年4月9日,

2016年5月26日

黃其培，男，碩士研究生，工程師，研究方向：水下航行體軌跡跟蹤技術(shù)。

TP302.1

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.10.032