超聲波測深系統的應用研究

張勁軍，唐開勝，廖 月，朱增偉，張佳慧

（1.江蘇省灌溉動力管理一處，江蘇 泰州 225300；2.泰興市馬甸水利樞紐服務中心，江蘇 泰興 225400；3.江蘇省泰州引江河管理處，江蘇 泰州 225321）

水運產業的飛速發展，在直接繁榮水上交通和經濟的同時，也給船舶擱淺、船舶碰撞等水上交通安全事故發生可能性的增大帶來了較大隱患。吃水深度作為船舶運輸過程中的重要參數，能夠通過檢測管理有效規避船舶在水深較小河段運行的安全故障，避免阻礙水上交通。但傳統模式下的吃水深度檢測方法較為笨重，測量精度差距較大，直接降低了管理人員或者管理部門對水上交通的治理效率，因此，研究新型船舶吃水深度檢測系統的必要性顯著增強。本文以超聲波測深為基本原理，構建船舶運行過程中的超聲波測深系統也就具備重要理論意義和現實價值。

1 超聲波測深原理

在物理學研究過程中，聲波作為發生物體在氣體、固體甚至是液體等不同介質中振動頻率的傳播，能夠通過聲波在介質中傳播方向和振動方向一致性探究聲波檢測過程，從而利用超聲波檢測船舶吃水深度參數值的大小。以聲波方向性為例進行分析可知，由于聲波作為聲源通過介質向周圍傳播重要信息，其傳播特性直接決取決于聲源振動頻率的大小以及所發出波長的長短，當聲波的波長大于其聲源的大小參數時，將會呈現均勻狀態向周圍范圍內傳遞，而當波長處于較短范圍時，主要能量將會在聲波前方較小范圍內的扇形區域內傳播，具備更強的方向性，因此，能夠通過對聲波在傳播過程中相同位置點所構成面的不同，將其分為不同的波形，從而利用波形分析聲源的具體情況，在此基礎上探究聲音傳播運行過程中具體船舶的吃水深度大小，圖1 即為球面波波形適應結構圖。

圖1 球面波波形適應結構圖

2 超聲波測深系統實現方案

考慮到水運產業快速發展下船舶吃水深度檢測的重要性，本文結合某工程下游航道及其下閘門的具體運行情況，研制了基于超聲波的吃水檢測系統，利用了超聲波所攜帶的數據信息這一技術，能夠在不影響船舶運行通行速度甚至是通行時間的前提條件下，對船舶的吃水深度進行全天候不間斷的實時檢測。船舶信息處理過程中的吃水深度檢測系統、船舶數據信息采集系統以及船舶航行速度檢測系統和船舶檢測顯示系統等能夠組成其綜合管理平臺，其中，船舶吃水檢測系統通過arm 和fpga 進行協同工作，進而通過對超聲波傳感器接收到的檢測數據信息的分析，探究船舶運行過程中的水位數據參數，從而通過檢測其支架的數據信息，得到船舶運行過程中不同點位甚至是不同運輸條件、不同速度下的吃水深度參數值大小，通過無線通信技術將船舶的具體深度數值信息向軟件系統進行傳遞，從而使船舶數據信息采集系統能夠通過船舶自動識別系統加強對其傳船舶航行過程中基礎數據信息的接收和控制，并將該基礎數據信息傳遞到船舶信息管理綜合平臺，而綜合管理平臺又能夠進一步借助船舶速度檢測信息系統在多普勒效應的基礎支撐條件下，實現對其高精度和低速雷達等的有效利用，進而對船舶航行的速度進行檢測，將檢測結果返回到信息綜合管理平臺進行強化，對比得到不同區域范圍內船舶具體吃水參數值大小。

基于超聲波的測深系統的實現過程，主要包括了基于超聲波的測深系統的下位機設計和基于超聲波的測深系統的上位機開發設計兩大部分，其中，就基于超聲波的吃水深度檢測系統下位機設計而言，由于下位機在運行過程中需要結合超聲波傳遞過程中的方向特質、衰減特質甚至其衍射效應等，充分利用原理后進行其下位機硬件結構的設計，充分調整結構電路，實現基于超聲波的船舶航行系統的測深，在此過程中采用了arm 和fpga 的雙核架構模式。能夠充分發揮其基本優勢，arm 作為主控制器，能夠加強對基于超聲波的測深系統的整體控制，確保其檢測數據的高效融合。和上位機系進行無線連接通信的fpga作為輔助控制器，能通過測試系統輸入輸出端口優勢，實現對高速信號的采集和存儲。在船舶航行過程中超聲波傳感器將其放置于發射和接受檢測下方后，檢測支架能夠通過其附體浮力漂浮于水中，從而借助水位計和傾角的傳感器，在發射既定信號后對船舶吃水深度進行檢測，發射端能夠通過電路的調節作用，和超聲波同步數據信號相結合[1]，當船舶航行數據信息模塊能夠接收到上位機控制信號數據后，基于fpga 的數據信息采集模塊和水位計采集模塊開始工作，在接到數據指令通過對接收端的調制甚至是放大之后，實現信號參數的模擬轉化，對采集到的數據信號進行高效率識別，當探測到超聲波同步信號后，能夠通過固定延時作用強化對超聲波檢測數據的轉換，并將轉換得到的數據信息發送到模塊，使水位計模塊能夠在接收到既定的工作指令后，按照固定的檢測效率向arm 模塊發送實時的船舶吃水水位數據信息。

基于超聲波的船舶吃水深度檢測過程中，其上位機的結構設計主要是對檢測系統下位機所接收到的數據信息進行處理，得到數據預處理后的融合分析和解析，對其檢測數據進行優化處理之后得到參數信息，實現對船舶運行過程中吃水深度檢測，主要包括了數據提取和分析、超聲波檢測數據的浮動分析等諸多內容。以超聲波檢測數據的浮動分析為例進行研究可知，基于超聲波的船舶吃水深度檢測系統，檢測裝置主要漂浮于水面，在水面出現波動狀況時，其檢測系統接收數據一端將在水中進行浮動，進而對水面的檢測系統的檢測精確度和可信性造成一定不良影響，因此，基于超聲波的浮動檢測，必須對該類問題做出一定的優化，以確保最終檢測得到的數據參數符合精確度要求。通過對水位計模塊以及傳感器模塊進行優化設計后，在上位機軟件結構系統和下位機的數據信息提取分析之后，能夠將接收到的水位及參數信息等融合[2]，在超聲波檢測數據浮動分析的條件下得到較為精確的參數值。通過對船舶實際運行參數的觀測及船舶吃水深度的檢測，超聲波系統所發生的浮動為不規則浮動且并無規律可循，因此，需要對其超聲波檢測過程中的浮動搖擺情況進行高效率分析，按照超聲波檢測中重心在其三維空間內的位置變化情況進行分類處理。

3 超聲波測深系統的應用

為了進一步探究本文所提出的基于超聲波船舶吃水深度檢測方案的應用有效性，文章對其進行了實驗模擬探測。整個模擬實驗室通過實驗室中水池的墻壁和水池內的水進行航道的模擬，借助具有吸波材料的浮體來模擬船舶的通行過程，借助其材料對超聲波的吸收和減弱作用來模擬傳播通信過程中，在鋼板作用條件下對水下超聲波的遮擋作用。在對系統進行設置過程中，主要采取浮桶和遮擋板以及支架組成的方式，保持船舶運行的整體穩定性，完成多次實驗過程。在對六個不同的遮擋深度進行統一條件下的充分檢測之后，判別船舶運行過程中吃水檢測深度的系統運行的穩定性和可靠性，當其檢測深度為107cm、112cm、117cm、122cm、127cm、132cm 時，得到的模擬航寬度為30m，檢測數據如表1 所示。由表可知，在不同的模擬遮擋深度條件下，基于超聲波的船舶吃水深度檢測效果的最終穩定性較好，實驗誤差在可接受范圍內，也就是說，基于超聲波的船舶吃水深度的檢測系統，能夠有效達成對船舶運行過程中吃水深度的全過程監管和高效率的數據提取，從而為船舶運行過程中的各項決策提供數據支撐。

表1 檢測數據表

4 結論

本文從水運產業飛速發展背景下船舶吃水深度檢測重要性出發，提出以超聲波技術支撐船舶測深，在分析超聲波測深原理的基礎上，詳細研究了超聲波測深系統實現方案，對其中的系統方案設計、功能、運行過程等進行了詳細的分析，最后探究了超聲波測深系統在船舶運輸產業中的具體實踐和應用，能夠有效改變傳統模式下船舶吃水深度檢測方法最終結果精確度不足和受外界環境影響較大的弊端，為我國水運產業技術優化奠定了扎實的基礎。