，，，，,d

(武漢理工大學 a.智能交通系統(tǒng)研究中心； b.能源與動力工程學院；c.國家水運安全工程技術研究中心； d.計算機科學與技術學院，武漢 430063)

基于單波束仰掃回波信號強度處理的船舶吃水檢測技術

李吉祥a,b，周新聰b，初秀民a,c，陳德山a,c，陳先橋a,c,d

(武漢理工大學 a.智能交通系統(tǒng)研究中心； b.能源與動力工程學院；c.國家水運安全工程技術研究中心； d.計算機科學與技術學院，武漢 430063)

針對內河船舶超吃水引發(fā)的船舶安全問題，提出單波束聲吶在水下仰掃，對目標船舶回波信號的強度值進行處理并濾除干擾誤差，測量內河船舶動態(tài)吃水值的檢測方法。采用自適應閾值法甄別仰掃單波束聲吶發(fā)射到船底的回波信號，利用中值濾波濾除回波信號異常數(shù)據(jù)得到單波束聲吶到目標船舶底部的距離，用測深傳感器測得的水深值減去此距離得到船舶的實時吃水值。對不同吃水值的模擬船舶進行吃水測量實驗，結果表明：該系統(tǒng)能夠較為準確測量船舶吃水值。

船舶安全；船舶吃水；單波束；回波強度；自適應閾值法；中值濾波

隨著船舶制造技術的提高和內河運輸需求的增加，船舶正在朝專業(yè)化、大型化方向發(fā)展。受限于內河航道水深較淺、航道較窄等因素，船舶大型化帶來了船舶超吃水航行的問題[1]。船舶超吃水航行既容易導致因船舶擱淺而造成船舶本身結構的損壞，也會因破壞航道而影響其他船舶的安全航行，因此，有必要對內河船舶進行吃水實時檢測，形成對內河船舶吃水全方面監(jiān)管，這是加強船舶和航道安全的有效手段[1-2]。

超聲波具有很強的穿透力，在水中能量衰減小，檢測精度較高，能夠有效地遠距離獨立檢測船舶吃水，聲吶測量船舶吃水是比較具有應用前景的船舶吃水[3-7]。相關的研究[8-13]存在系統(tǒng)復雜、不易安裝、價格昂貴和精確度不高的問題，且后臺軟件數(shù)據(jù)的二次開發(fā)受國外廠商限制。側掃聲吶安裝需要一定的水深條件，不適合低水位航道下測量。單波束測船舶吃水的方法具有設備體積小，成本低，便于安裝，后臺數(shù)據(jù)可二次開發(fā)，易于應用到小型化平臺上的優(yōu)勢[14-16]，因此考慮采用單波束測深設備作為吃水檢測設備，提出一種基于單波束仰掃回波強度信號的船舶吃水檢測方法。該方法布置單個單波束聲吶在船舶底部，聲吶仰掃測量船舶底部目標，使用自適應閾值和中值濾波對回波數(shù)據(jù)進行處理，并設計實驗驗證本測量系統(tǒng)。

1 吃水測量系統(tǒng)設計

1.1 吃水測量原理

單波束聲吶換能器放置在船舶底部向上發(fā)射聲波，聲波遇到船舶目標底部反射，反射聲波到達聲吶換能器接收，船舶經過的每個時刻其每個反射點通過聲吶測深數(shù)據(jù)計算出距離值。以水面為x軸，單波束測深聲吶至水面的垂線為y軸建立平面直角坐標系，見圖1。

α和L由報文數(shù)據(jù)解析得到，H由水深傳感器測量所得，A點處縱坐標為船舶吃水值。

以底部A點為例，其坐標計算公式為

(1)

記錄每一幀數(shù)據(jù)所有反射點L×cosα的最小值，即縱坐標的最大值，此數(shù)值為該時刻的檢測船舶目標的吃水深度值HD。

HD=max (y)

(2)

1.2 系統(tǒng)硬件組成結構

系統(tǒng)實驗布置見圖2。金屬支架1水下部分沿著水池邊墻垂直置于水中，水上部分固定于岸邊。金屬支架2水平放置，并與金屬支架1通過轉軸相連。單波束聲吶放置在檢測目標船舶下方，固定在金屬支架2頂端，單波束聲納的檢測方式為向上仰掃。壓力測深傳感器單波束聲吶一側，測量單波束聲吶所在位置的水深值。通過纜繩的收放來控制鋁合金桁架2的水平放置姿態(tài)。單波束聲吶以串口通信的方式將聲吶數(shù)據(jù)傳輸至岸邊的聲吶數(shù)據(jù)處理中心，聲吶計算機數(shù)據(jù)中心接收到聲吶回波檢測信號并將其封裝成相應的數(shù)據(jù)報文，聲吶數(shù)據(jù)處理中心通過以太網網口通信TCP/IP方式傳輸數(shù)據(jù)至船舶吃水檢測軟件系統(tǒng)。

圖2 系統(tǒng)布置示意

1.3 船舶吃水檢測軟件系統(tǒng)

基于以上硬件設備，設計船舶吃水檢測軟件，功能包括數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示等功能。

軟件基于VS2008平臺。開始偵聽按鈕建立上位機軟件和下位機聲吶通訊連接，控制臺操作通過控制臺命令的編輯框輸入控制命令，接通所有硬件聲納板電源，設置硬件聲納板關聯(lián)。接著解析來自聲吶數(shù)據(jù)中心的報文，提取出相關聲吶回波檢測數(shù)據(jù)，對該聲吶完成數(shù)據(jù)的處理功能，包括回波數(shù)據(jù)的濾波、回波數(shù)據(jù)的成像顯示、船舶吃水深度檢測、吃水檢測數(shù)據(jù)保存等功能。系統(tǒng)軟件顯示界面Depth值為測得到目標物的距離值，即聲吶到回波障礙物距離，Draft值為實時計算得到的船舶吃水值，最大值為開始探測過程最大船舶吃水值。船舶吃水檢測軟件系統(tǒng)界面圖和聲吶圖像、數(shù)據(jù)顯示見圖3。

圖3 軟件系統(tǒng)界面圖和聲吶圖像、數(shù)據(jù)顯示

2 單波束聲吶測量誤差分析

2.1 儀器偏差和多次回波影響

聲吶接收換能器同時可能會收到很多回波信號，這些回波主要是聲吶脈沖多次反射后的余波，如圖4中同一時刻存在多次回波，且多次回波的強度值相比第一次回波強度相當，甚至更強，導致聲吶換能器在接收回波判斷目標船舶底部真實回波時產生錯誤。同時當聲波碰見魚類、氣泡和水草等異物時，在船底的第一次反射回波之前會出現(xiàn)強度較低的回波。實驗時發(fā)現(xiàn)使用的賽洋COM9516單波束聲吶由于本身誤差和多次回波的影響，其自行解析測得的換能器到水面的距離值與實際值偏差很大，得到數(shù)據(jù)無法使用。比如，實際目標距離是1.29 m，聲吶自行解析得到的距離最大值能達到15 m，導致計算船舶吃水值時數(shù)據(jù)無法使用。圖4分別為多次回波聲吶圖像和聲吶自行解析得到距離值。

圖4 多次回波聲吶圖和聲吶自行解析得到距離值

2.2 回波干涉和時間增益影響

若干回波疊加，就會出現(xiàn)聲波的干涉。若多個多次回波相疊加且剛好發(fā)生了相長干涉，則就會出現(xiàn)多次回波的點的回波強度與第一次回波強度相當甚至略大的情況。基于聲波隨傳輸距離增加會導致強度逐漸衰弱考慮，單波束測深儀系統(tǒng)自帶修正聲波衰減的線性時間增益，從而導致在近距離測量時多次回波會可能比第一次回波強度更強。若只把最強回波作為目標物回波計算測量距離，則計算得到距離值大于真實距離值。f1和f2為若多回波中的2個，發(fā)生相長干涉會使疊加后的回波f的強度值增加。見圖5。

圖5 回波相長干涉

2.3 其他異常數(shù)據(jù)產生原因

由于水面之下壞境復雜，測量會受到多種外界因數(shù)的影響，產生大量異常數(shù)據(jù)。異常數(shù)據(jù)干擾的主要來源有：水下魚群、水草、氣泡的環(huán)境影響，水面波浪、船只晃動的影響。同時換能器在復雜實際水下環(huán)境中發(fā)射和接收聲波，經過一段時間后測得的時間t會發(fā)生小幅度波動也可能會產生偏差較大的隨機離散值誤差。

3 聲吶回波數(shù)據(jù)處理

3.1 多次回波干擾處理

針對多次回波問題，根據(jù)接收到的每一幀數(shù)據(jù)可以得到換能器工作面垂直方向上500個回波數(shù)據(jù)的強度Buf值。這500個回波強度中包含了第一次正確回波在內的多次回波數(shù)據(jù)和噪音數(shù)據(jù)。從500個回波數(shù)據(jù)中找到第一次正確回波的強度數(shù)據(jù)信息，并根據(jù)量程參數(shù)命令計算出當前幀的距離L值，具體計算公式為

L=n×d

(3)

式中：n為回波點在數(shù)組Buf中的序號；d為當前回波幀分辨率，d=rang/500，rang為當前量程。

通過對聲吶回波強度等級分析的方法也可濾除部分水下異物干擾。聲波碰見魚類、氣泡和水草等異物時，反射回強度較低的回波。實驗發(fā)現(xiàn)，當出現(xiàn)魚類、氣泡和水草等體積較小、反射面介質相對柔軟、聲波反射面較小時，反射的雜波波峰強度數(shù)量等級在80以下，正常船底鋼鐵介質反射回波波峰強度數(shù)量等級至少會大于150。因此以100強度值作為判斷條件，可濾除回波波峰小于100強度值數(shù)據(jù)以消除魚類、氣泡和水草等的干擾。

3.2 回波干涉和時間增益干擾處理

提出用自適應閾值計算方法來確定目標真實回波在500個回波點中的范圍區(qū)間，再得到的閾值區(qū)間計算出換能器到目標物原始距離數(shù)據(jù)。換能器的發(fā)射聲波設備在水下需要密封保護，密封的橡膠層也會產生回波，實驗分析后首先濾除前40個密封橡膠層的回波點數(shù)據(jù)。由于每幀回波強度數(shù)據(jù)都在一個數(shù)量級上，所以只需找到當前幀的剩余460個回波點最大值就可以計算此幀回波的強度值范圍，這里稱此范圍為回波峰。第一次出現(xiàn)的回波峰的頂點就是第一次回波點，即真實目標船舶回波。

聲吶數(shù)據(jù)回波強度構成的回波峰圖見圖6，閾值計算算法的流程見圖7。

圖6 聲吶回波強度說明

圖7 閾值計算算法流程

3.3 隨機誤差干擾處理

針對隨機誤差來源分析，這種數(shù)據(jù)波動和偏差導致計算得到的船舶吃水值存在小幅度波動或出錯，為了剔除這種錯誤值和減小偏差波動，采用中值濾波算法。中值濾波算法的流程圖如圖8所示，N為待處理數(shù)據(jù)數(shù)。

圖8 中值濾波算法流程

4 實驗結果及分析

為了驗證本船舶吃水測量系統(tǒng)測量的準確性和針對誤差提出的算法的有效性，在水深約2 m的實驗水池對長1.00 m、寬0.60 m、高0.35 m的模擬船舶的鐵箱進行吃水值實驗。實驗現(xiàn)場和設備見圖9。

圖9 實驗現(xiàn)場和設備

4.1 系統(tǒng)測距方法的驗證實驗

對真實距離為1.29 m的目標物進行探測實驗。設置水面平靜無干擾、聲吶探測正上方放置部分雜草和制造波浪、氣泡3種實驗場景。聲吶圖像Matlab數(shù)據(jù)分析對比結果見圖10。

圖10 聲吶探測數(shù)據(jù)分析

結果發(fā)現(xiàn)，水面平靜時聲吶測量結果在真實距離1.29 m周圍小幅度波動，測量距離與真實距離值的最大誤差小于3 cm，最大相對誤差小于3%，未出現(xiàn)多次回波和回波干涉造成的較大錯誤數(shù)據(jù)；中途加入較大水草異物時，聲吶圖像顯示第一次目標物的回波前會有大量雜波，經過該方法處理后的數(shù)據(jù)圖相應位置數(shù)據(jù)波動變化不大，測量距離與真實距離值的最大誤差小于6 cm，最大相對誤差小于5%，濾除了水草異物的影響；人為制造水波浪和氣泡時，聲吶圖像第一次目標物回波前會有強度少量回波，該方法處理后的數(shù)據(jù)圖相應位置數(shù)據(jù)波動變化不大，測量值與真實距離值的最大誤差小于5 cm，最大相對誤差小于4%，濾除了水波和氣泡的影響。

因此，單波束自適應閾值法和回波強度分析方法能夠較好解決單波束存在的多次回波和回波干涉的問題，且當存在水草、波浪、氣泡異物影響時，本文提出的基于單波束仰掃回波強度信號的船舶吃水檢測系統(tǒng)也可以較為準確測量到聲吶到目標物的距離值。

4.2 不同吃水值的測量實驗

為驗證中值濾波算法和系統(tǒng)測量船舶吃水的有效性，設計了模擬船浸入水中0.15 m、0.2 m和0.25 m 3種情況的實驗。在已經驗證的自適應閾值法和回波強度分析方法對聲吶回波數(shù)據(jù)處理的基礎上，對回波數(shù)據(jù)進行中值濾波處理，計算船舶吃水。3種情況下的吃水值數(shù)據(jù)變化及誤差分析見表1。

在3種不同情況下測量的吃水值與真實值誤差最大不超過1 cm，得到的數(shù)據(jù)較為準確，達到了船舶吃水的準確測量。

表1 吃水值誤差分析表

5 結論

基于單波束仰掃回波強度信號處理的內河船舶動態(tài)吃水檢測方法所需設備簡易、成本低、可維護性高、數(shù)據(jù)處理量小。針對誤差分析，采用自適應閾值法和回波強度信號分析甄別目標船底的回波信號，對其他異常數(shù)據(jù)進行中值濾波處理。進行了水草異物和波浪氣泡干擾實驗、不同船舶吃水情況的測量實驗，吃水測量結果與真實吃水值對比，測得船舶吃水值與真實吃水值比較偏差較小、結果穩(wěn)定、測量迅速，表明該方法可以較好地解決存在的多次回波、回波干涉、水下異物、離散數(shù)據(jù)等因素的干擾問題，為航道和船舶安全監(jiān)測提供技術支持。

在更加惡劣的實際水下環(huán)境中系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)所受干擾更加嚴重，例如船舶底部附著密度較大的殼體生物的影響，因此接下來的研究中需要考慮的因素更多，需優(yōu)化數(shù)據(jù)處理算法。同時需要考慮工程實際中換能器的清理和金屬支架結構的腐蝕的問題。

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Ship Draft Detection Technique Based on Single Beam Echo Intensity Signal Processing

LIJi-xianga,b,ZHOUXin-congb,CHUXiu-mina,c,CHENDe-shana,c,CHENXian-qiaoa,c,d

(a.Intelligent Transportation System Research Center; b.College of Energy and Power Engineering; c.National Engineering Research Center for Water Transport Safety; d.College of Computer Science and Technology, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

Aiming at the safety problem of ship caused by over draft in inland river, a method was presented to detect the intensity of the echo signal of the target ship, remove the interference error and measure the dynamic draft value of the river ship. The adaptive threshold method was used to identify the echo signal emitted from the single-beam sonar to the bottom of the ship. The anomalous data of the echo signal was filtered by the median filter to obtain the distance from the single-beam sonar to the bottom of the target ship. The resulting water depth minus the distance could give the real-time ship draft value. The experimental results showed that the system can accurately measure the ship’s draft value.

ship safety; draft; single beam; echo intensity; adaptive threshold method; filtering

U661.75

A

1671-7953(2017)06-0012-06

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.06.003

2017-02-18

2017-03-08

湖北省自然科學基金(2015CFA111)；武漢理工大學自主創(chuàng)新研究基金(2015IVA060)

李吉祥(1991—)，男，碩士生

研究方向：船舶安全、船舶信息化