紀立軍

摘 要：本文闡述的系統(tǒng)可以為航道維護和管理部門快速提供通航船舶的實際吃水深度，可以有效遏制“超吃水”，維護良好的通航秩序。系統(tǒng)具有測量精度高、控制靈活、實時性好、快速等諸多優(yōu)點，可廣泛用于江河湖海各類船舶的吃水監(jiān)測，對航道內船舶吃水深度嚴格監(jiān)測和控制具有十分重要的意義。

關鍵詞：通航船舶 吃水測量 掃描聲納 MS1000

1.引言

我國通航形勢日益嚴峻，但是在利益的驅使下，“超吃水”冒險航行的情況屢禁不止，給通航安全和航道暢通造成巨大的威脅。船舶超吃水擱淺后，很容易在航道內形成淤積沙堆甚至沙埂，對航道的破壞十分嚴重，給船舶航行的安全也帶來很大的隱患。特別是在進入枯水季節(jié)后，船舶一旦擱淺，將給船舶和航道部門雙方都造成嚴重的后果和損失。

本文推薦通航船舶吃水聲學測量系統(tǒng)，它是采用機械式掃描聲納作為吃水監(jiān)測的核心聲學設備，掃描聲納的工作頻率為675kHz，發(fā)射波束角為1.7°的圓錐形波束，聲納換能器可以旋轉進行剖面測量，并快速獲取水底和船體的剖面圖像，使用軟件就可以測量當前的水深和船舶的吃水狀態(tài)。軟件可以對剖面測量的圖像進行測量，就可以獲得船舶的吃水深度dr。系統(tǒng)可以布設在航段上，對過往的船舶進行監(jiān)測，也可以安裝在巡邏艇上，實行機動式的監(jiān)測。下面就對這一系統(tǒng)進行詳細的闡述。

2.系統(tǒng)工作原理及構成

2. 1系統(tǒng)構成

通航船舶吃水聲學測量系統(tǒng)包括PC（含MS1000軟件）、甲板單元、聲納探頭和水下電纜。

MS1000軟件符合ISO標準，品質可靠。任何一臺標準PC只要安裝了MS1000軟件，就可以實現采集和處理聲納圖像數據，無需配置復雜的電路板或硬件作為聲納處理器。

MS1000掃描聲納的探頭配備兩個換能器，長方形換能器用于掃描成像，圓形換能用于剖面測量。它是一種主動聲納，利用發(fā)射基陣向水中發(fā)射聲納脈沖。

2.2系統(tǒng)工作原理

掃描聲納是一種可以實現水下非可視高精度成像的重要技術手段，聲納掃描精度可以達到毫米級別。

本文通過連續(xù)發(fā)射調頻波測距法來測距，當發(fā)射信號遇到目標時，產生回波；利用發(fā)射頻率、回波頻率、聲速、調頻周期等，即可掃描出船舶吃水部分、水面及水底圖像，從而間接獲得船舶的吃水。

而掃描聲納連續(xù)調頻波測距的基本原理如下：

線性調頻信號的初始頻率為，掃頻帶寬為B，掃頻周期為T，信號來回與目標與接收換能器的所需時間為。

線性調頻發(fā)射信號的公式為

按照如上的原理公式，其就能將通過目標產生的脈沖回波對船舶吃水部分進行測距、定位及識別，從而形成有精確數據的船舶吃水部分、水面及水底的聲納圖像。

MS1000掃描聲納的圓形換能器的成像扇形波束可達0.9°× 30°，并可發(fā)射波束角為1.7°的剖面圓錐形波束，聲納換能器在步進電動機的帶動下，可以進行連續(xù)360°角度的旋轉，其成像距離可達0.5—100m，距離精度可達到19mm，當回波信號被采集處理后，可以得到水體的剖面圖像（如圖4所示）。剖面圖像可以反映水面、水底和船體的位置信息，使用 MS1000 軟件可以對圖像進行測量，非常容易的獲取當前的水深 D和船舶的吃水狀態(tài) dr，船體距離海底的高度也可以測量出來。聲納對通航船只進行掃描，軟件可以顯示水底、船體、水面和河岸的圖像，通過軟件的測量功能，就可以測量出當前的吃水深度。測量過程可以在 30 秒內完成。

3.實例應用

本文結合“某海事局通航船舶吃水測量”的實例，來分析和對比MS1000掃描聲納的通航船舶測量系統(tǒng)的可行性與可靠性。

3. 1項目概況

某長江中下游海事局為了應對日益增加的航運船舶的數量和密度，防止因航運船舶的“超吃水”而造成的船舶事故的發(fā)生，故希望利用聲納測量系統(tǒng)實時監(jiān)測通航船舶的吃水量，減少船舶“超吃水”現象，保證長江航道的安全。

3.2吃水測量

系統(tǒng)安裝調試完成后，即對通航的船舶進行了吃水測量，當船頭通過時，剖面圖像清晰可辨，各種數據顯示正?？煽浚?.415m，船舶吃水2.305m；但當船尾通過時，剖面圖像上干擾噪聲很大，完全分辨不出水底與船底。經分析后，認為船尾通過時，掃描聲納脈沖受到螺旋漿的影響，船舶螺旋漿的轉動導致噪聲信號強，干擾了正常的聲納掃描。盡管船尾掃描信號較差，但依然滿足實際測量的需要，掃描工作只需30s，而以一艘50m長、2節(jié)船速（通過檢查口時船速一般較慢）的船為例，通過掃描探頭則需要50s，完全符合實際的要求。

3.3掃測結果與分析

對通航船舶的吃水測量，主要難于把握的就是監(jiān)測儀器與所測通航船舶的相對速度。因在實際監(jiān)測時，通航船舶通過的速度受人為影響較大，所以我們就系統(tǒng)測量的船舶吃水數據與船舶通的速度之間的聯(lián)系進行分析。

由表1所示，隨著測量船舶的速度的增加，測量的船舶吃水深度也隨之變大，測量的誤差逐漸增大，最小的吃水深度誤差為8cm，最大的吃水深度誤差為25.2cm，這一方法可行，但是其測量誤差會隨著監(jiān)測船舶的航速增加而增加。

通過分析可知，因為聲波的傳播頻率和傳播距離存在一定的矛盾，當保證監(jiān)測距離時，就得將聲波的發(fā)射頻率適當減小，同時增加聲波的發(fā)射功率，而在減小發(fā)射頻率和發(fā)射功率的同時，卻導致如聲波散射等情況，測量船舶的船速越大，聲波經過船舶底部邊緣時散射情況越嚴重，船舶吃水深度的測量誤差就越大。

同時當船舶航速達到一定的數值時，導致掃描聲納對水底及船舶吃水部分掃測的不完整，即掃描聲納還未完成整個掃描過程，被監(jiān)測船舶已駛離監(jiān)測區(qū)域。

4.結語

應用MS1000掃描聲納的通航船舶吃水測量系統(tǒng)是基于聲學原理的吃水深度測量系統(tǒng)，利用聲波的反射生成水面、船舶吃水部分及水底的剖面圖像，通過解算，得出船舶的吃水深度及水底深度。并經過分析驗算證明該系統(tǒng)的測量誤差滿足測量要求，能夠實現對通航船舶吃水深度的監(jiān)測。

系統(tǒng)組成相對簡單，所需組件不復雜，且掃描聲納換能器小型、輕便，便于安裝和應用。此系統(tǒng)既能固定安裝，也能安裝在流動監(jiān)測船上。在實際的應用中，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，監(jiān)測成果生成快速精確，在未來航道的安全監(jiān)控方面有著廣泛的應用。

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