Scanning measurement method of buttock contour line at ship bottom
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摘要: 分析了船舶底部纵剖轮廓线的单点测量原理, 利用声波测量组件往复扫描, 测量多个吃水部位, 将船舶航速、扫描距离、扫描速度等数据进行有效处理, 提出了一种新的基于单波束声呐传感器的船舶底部纵剖轮廓线测量方法。以声波接收场的面积为约束条件, 给出了船舶底部边缘的判断判据, 推导了船舶底部轮廓线的重构公式, 并利用小比尺船模进行仿真试验。试验结果表明: 当船舶航速为2cm·s-1时, 测得19个轮廓点数据, 船艏、船艉吃水分别为2.91、3.09cm, 吃水差为0.18cm; 当船舶航速为4cm·s-1时, 测得10个轮廓点数据, 船艏、船尾吃水分别为2.79、3.15cm, 吃水差为0.36cm。所有测点一致性较好, 船舶航行姿态与实际相符。Abstract: The single-point measurement principle of buttock contour line at ship bottom was analyzed.Acoustic measurement components were used to measure several draught points through reciprocating scanning, various parameters including ship sailing speed, scanning distance and scanning speed were effectively processed, and a new measurement method of buttock contour line at ship bottom based on single-beam sonar sensor was proposed.The acoustic receiving area was taken as constraint condition, the judgement criterion of ship bottom edge was carried out, the reconstruction formula of buttock contour line at ship bottom was deduced, and simulation test was carried out by using small scaled ship model.Test result shows that when ship sailing speed is 2 cm·s-1, 19 contour points are measured, the draughts of ship bow and poop are 2.91 and 3.09 cm respectively, and the trim is 0.18 cm.When ship sailing speed is 4 cm·s-1, 10 contour points are measured, the draughts of ship bow and poop are 2.79 and 3.15 cm respectively, and the trim is 0.36 cm.All the measured point data are of good consistency, and the sailing attitude is consistent well with the actual state.
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Key words:
- ship engineering /
- buttock contour line /
- sonar sensor /
- scanning /
- measurement method /
- draught
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0. 引言
内河航道作为国家交通大动脉, 保证其安全畅通是航道管理部门的不懈追求。然而, 近年来随着船舶大型化的发展, 枯水期“超吃水”船舶搁浅引起航道大堵塞的事件时有发生, 大型船舶的“超吃水”行为管理已成为航道行政管理部门需要迫切解决的重难点问题[1]。
目前, 航道管理部门对船舶吃水的检查仍采用查验船舶水尺或在舱内丈量舱深等传统方式, 不仅耗时费力, 而且影响船舶正常营运[2-5]。由于原有传统方法效率低下, 且无成熟的船舶吃水快速测量手段, 管理部门无法对过往船舶进行全数检查, 仅能抽查一部分疑似船舶, 致使漏检“超吃水”船舶搁浅事件屡见不鲜。研究船舶吃水实时检测技术, 开发离船快速自动检测装置, 消除船舶超吃水搁浅事故隐患已成为当前水上交通安全管理的当务之急。
目前, 针对内河离港船舶吃水实时检测方法的研究是整个行业研究的热点。罗婧等提出了基于图像处理技术的船舶吃水测量方法[6-7], 但该方法易受船主私改水位线的蒙蔽, 且易受天气环境影响; 罗宁提出了在三峡船闸底部安装超声测距传感器阵列对过闸船舶底部轮廓进行扫描检测的方法, 并开发了相应的装置[8], 但由于超声波测距传感器均安装在河道底部, 可适用于诸如船闸等对传感器性能影响较小的稳定、可控水道环境, 但在大水位差变幅、宽水域、多卵石沙坡的内河自然航道显然并不适用; 毕方全等提出了基于多波束测深和侧扫声呐系统的“超吃水”检测方法, 该装置可直接固定于执法船舷, 实现对过往船舶的流动测量, 不仅测量方便, 而且耗时短, 机动性强[9], 但该方法测量精度易受水面、河底声波混响信号的影响, 测量精度较低, 且该装置完全依赖进口, 设备昂贵, 使用成本高[10-13]。
鉴于目前船舶吃水测量技术的研究现状, 吴俊等提出了基于单声波发射、接收器同步扫描的船舶单点吃水测量方法, 并针对该方法进行了小比尺船模静止条件下的吃水测量试验[14], 但船舶在航行过程中的吃水状态与静止条件下完全不同, 行驶过程中, 船舶会受到水体顶推力作用, 船舶各部位的吃水均存在较大差异, 船舶的单点吃水值无法代表船舶的真实吃水情况, 对客观反映船舶整体吃水状态的船舶底部纵剖轮廓线进行实时测量尤为必要。为此, 本文在单波束收发、分体传感器同步扫描的船舶单点吃水测量方法基础上, 提出了一种新的船舶底部纵剖轮廓线测量方法。
1. 船舶底部纵剖轮廓线单点测量原理
基于单波束声波收、发分体传感器同步扫描的船舶底部纵剖轮廓线单点测量原理见图 1, 测量系统包含水面线测量系统与船舶吃水测量系统2部分。
1.1 航道水面线测量
由于船舶航行、自然风浪等影响, 内河航道均是动态波动的, 船舶驶过时, 原有波浪与船舶船行波叠加后会使水面产生近十几厘米的波动。为此, 必须采取必要措施, 提高航道水面线测量精度。根据《驳船水尺计重技术规程》 (JT/T 227—1996) 对吃水测量的要求, 须首先利用长玻璃管对水面原始波浪进行初步消能, 然后利用超声波测量仪对玻璃管中经过初步消能的波浪进行动态采集, 并利用统计平均的方法从动态波浪数据中提取出准确的水面线值。航道水面线动态测量原理见图 2。将测量得到的动态水面线数据经过历时均化后为航道水面线高度, 即
式中: y1为水面线高度; n0为均化数据点数量; y1i为第i次测量得到的动态水面线数据。
1.2 船舶底部纵剖轮廓线单点吃水位高度
在图 1中, 船舶底部纵剖轮廓线单点测量系统由步进电机、精密导轨、单波束声波发射接受分体传感器及相关的后续数据分析部分组成。单波束声波发射器与声波接收器分别安装在河岸两侧, 利用步进电机驱动, 声波发射器与声波接收器可在精密导轨上沿竖直方向同步移动。
式中: A为信号幅值; w为声波频率; r为声波传播距离; v为信号传输速度; φ0为声波初始相位; P(r, t)为距声源r距离处t时刻的声强信号; j为虚数单位。
测量前, 声波发射、接收器均位于水下高度y2, 当船舶驶过时, 声波发射器发射的信号被船身阻隔, 声波接收器输出信号为0, 设此时刻为t0, 同步触发声波测量组件沿导轨自上而下以速度vs扫描。在船舶行驶过程中, 声波发射、接收器自上而下扫描船舶底部边缘, 传感器与船舶的竖向对应位置见图 3。
在图 3 (a)中, 声波发射器发射的声波信号无法传播至右岸的声波接收器, 声波信号完全被船身阻隔, 声波接收器输出声强信号为0;在图 3 (b)中, 声波发射器发射的声波信号部分传播至右岸的声波接收器, 声波信号部分被船身阻隔, 声波接收器的输出信号逐渐增大; 在图 3 (c)中, 声波接收器与船身位置完全错开, 声波接收器接受到最强声波信号, 此时声波接收器输出声强达到最大值。
声波接收器能够探测声强信号的声场面积与时间的关系为
式中: s为声波接收器能够探测到声强信号的声场面积; d为声波接收场直径; y3为船舶底部高度。
声波接收器接收的声强信号V为
式中: P(D, t)为t时刻距声波发射器距离为D处声波接收器接收到的声强信号。
将式(2)、(3) 代入式(4), 可得声强输出信号仿真结果, 见图 4, t1、t2分别为声波接收器刚露出与全部露出的时刻, 当声波接收器全部露出时, 声波接收器输出达到最大值Vmax为
由图 4可知, 在声波接收器声强信号变化过程中, 当声波接收器声强输出达到最大时, 表明声波发射器刚移动至船舶底部边缘, 此处为船舶底部轮廓测点, 此时有
船舶吃水深度为
由式(7) 可知, 由航道水面线高度y1、传感器初始位置高度y2、声波发射与接收器的测量起始时刻t0、声强最大时刻t2、扫描速度vs, 可计算得到船舶底部纵剖轮廓线单点吃水的数值。
2. 船舶底部纵剖轮廓线测量方法
2.1 测量流程
船舶底部纵剖轮廓线测量以单点吃水位测量方法为基础, 在船舶航行过程中, 利用声波测量组件的往复扫描, 测量多个吃水位, 通过对船舶航速、声波测量组件往复扫描距离、扫描速度等数据进行有效处理、融合, 可实现对船舶底部轮廓线的扫描测量。船舶底部纵剖轮廓线测量流程见图 5。在传感器测量过程中, 传感器与船舶的相对运动轨迹见图 6。
2.2 测量原理
为了重构船舶底部纵剖轮廓线, 需扫描得到尽可能多的轮廓点数据。假设船舶长度为l, 以匀速通过测量区域, 船舶航速为vb, 则有
式中: T为船舶驶过测量点的时间。
在传感器往复扫描测量过程中, 相邻2次测量时间间隔Δt为
式中: a为传感器往复扫描的距离。
测量点数量n为
若船舶航速与传感器扫描速度相等, 式(10) 可简化为
由式(11) 可见, 若船舶航速与传感器扫描速度相等, 测量点数量为船长l与传感器往复扫描距离2a的比。川江3 000t级代表船舶长度为110m, 传感器往复扫描距离为2m, 在船舶通过中, 可得到约55个轮廓点数据。
设船舶航行方向为x方向, 传感器竖向扫描方向为y方向, 则有如下关系
式中: ti、ti+1分别为测量到第i、i+1个船舶底部轮廓点的时刻; xi、xi+1分别为测量的第i、i+1个船舶底部轮廓点的船舶航行方向坐标; yi、yi+1分别为测量的第i、i+1个船舶底部轮廓点的传感器竖向扫描方向坐标。
通过测量获得多个轮廓点坐标, 即可重构生成船舶航行过程中的船舶底部轮廓形态。
3. 试验方案设计
为了验证船舶底部纵剖轮廓线重构方法的可行性, 设计了试验原理, 见图 7。试验系统见图 8, 将单波束声波发射、接收器分别安装在2根丝杆端部, 丝杆通过步进电机驱动沿竖直方向移动, 实现对船舶底部边缘的动态扫描, 步进电机的位置控制精度为1mm。在扫描测量过程中, 声波接收器声压信号经过外围积分电路积分后通过16位高精度采集设备进行同步采集。
在试验中, 选用主频为0.4 MHz的声波发射、接收器, 声波发射角为8°, 水下有效传播距离为3m, 声波发射、接收器直径为1cm[17-19]。测量组件的线性扫描速度设为2cm·s-1, 竖向往复扫描距离设为3cm。试验船舶选用川江3 000t级典型船舶, 利用其1∶100比尺自航船模进行试验, 自航小比尺船舶满载吃水位为3cm, 船体长度为110cm, 测量船舶在2、4cm·s-1两种航速下的船舶底部纵剖轮廓线。
由于静水条件与风浪条件仅会对水面线的测量产生影响, 而不会对船舶水下轮廓线测量产生影响, 且本文已针对实际情况下的水面风浪情况提出了完备的水面线消能统计测量方法, 所以为了简化试验, 试验仅在静水条件下进行。
4. 试验结果分析
试验现场见图 9。在试验中, 以2cm·s-1航速共测得19个轮廓坐标点, 以4cm·s-1的航速共测得10个轮廓坐标点, 按测量得到的底轮廓点进行重构绘图, 可得船舶航行状态下的轮廓线, 见图 10、11。
从图 10、11可见, 所测得船舶轮廓点坐标较为一致, 无奇异数据, 船舶在2种航速下底部轮廓线型呈现不同形态, 由于船艏的分水作用, 船舶航速越高, 船艏、船艉的吃水差越大。船舶各部位吃水测量结果见表 1。
表 1 吃水测量结果Table 1. Draught mearsurement results
由表 1可见, 由于船艏的分水作用, 船舶船艏吃水较静水吃水值小, 船舶船尾吃水较静水状态下的大。在2cm·s-1航速下, 船艏、船艉吃水差为0.18cm, 在4cm·s-1航速下船艏、船艉吃水差为0.36cm。
5. 结语
本文提出了一种基于单波束声呐传感器往复扫描的新型船舶底部纵剖轮廓线重构方法, 分析了船舶底部纵剖轮廓线测量的基本流程与测量原理, 并进行了2、4cm·s-1两种航速下的船舶底部轮廓测试试验, 通过将轮廓坐标点绘图重构后发现, 所测结果一致性较好, 且符合船舶航速越高, 船艏、船艉的吃水差越大的实际情况, 可见该测量结果可信, 测量方法可行。为了进一步验证该方法的适用性, 还需进行实船试验。
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