關(guān)于單波束聲吶在內(nèi)河過(guò)閘船舶吃水深度測(cè)量上應(yīng)用的研究
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作者：張毅
通常在船閘管理中，主要通過(guò)測(cè)量船舶吃水深度來(lái)控制船舶是否允許過(guò)閘，進(jìn)入相對(duì)較低等級(jí)的航道，從而避免船舶擱淺事故的發(fā)生。
鹽邵船閘近年船舶通過(guò)量持續(xù)攀升，設(shè)計(jì)通過(guò)量為1 000萬(wàn)t，而近3年船舶通過(guò)量已達(dá)1億t，船閘防堵保通壓力劇增。鹽邵線(xiàn)航道等級(jí)低、自然條件差、枯水期長(zhǎng)，重載下行船舶吃水深度把握不準(zhǔn)，極易造成擱淺堵航。
目前，常用的測(cè)量船舶吃水深度的方法是：用鋼管自制“L”形工具人工鉤測(cè)船舶底部，通過(guò)讀取鋼管上的數(shù)據(jù)了解船舶吃水深度。該方法工作量大，異常繁瑣，效率低，還不太準(zhǔn)確（尤其是單機(jī)船，其底部有拖泥龍筋，無(wú)法鉤測(cè)），工作人員自身也不安全。同時(shí)，也容易因人工檢測(cè)自由裁量權(quán)大導(dǎo)致行風(fēng)不端問(wèn)題。為了較好地解決上述問(wèn)題，在鹽邵船閘上游錨地安裝了單波束聲吶陣列，自動(dòng)測(cè)量過(guò)往船舶的吃水深度。
1 單波束聲吶陣列介紹
所謂單波束聲吶陣列，是指將多個(gè)單波束收發(fā)一體水聲換能器按一定順序排列成一個(gè)線(xiàn)陣。本次安裝的單波束聲吶陣列具有以下特點(diǎn)。
(1)豎直安裝在錨地靠船墩側(cè)面。由于錨地附近水域深度一般在3～5 m，水面寬度100多m，不具備底面和兩側(cè)安裝的條件。
(2)換能器間距不一樣，中間小兩頭大。為了節(jié)約經(jīng)費(fèi)，考慮到鹽邵船閘下游水位常年控制范圍在2.0～3.5 m，故在這個(gè)范圍內(nèi)盡量減少換能器間距，兩頭適當(dāng)增加間距，從而減少換能器的數(shù)量，節(jié)約成本。
(3)陣列通過(guò)浮筒可以上下移動(dòng)。受南水北調(diào)的影響，鹽邵船閘上游（即京杭大運(yùn)河）水位變化很大，一般在3m左右�？紤]到換能器不能長(zhǎng)期處于水面以上，我們選擇用浮筒控制聲吶陣列的深度，如圖1所示，同時(shí)也方便了維護(hù)。
2 單波束聲吶陣列測(cè)量原理
2.1測(cè)量技術(shù)原理
利用水聲信號(hào)的傳播、反射原理是該測(cè)量方法的基本原理，如圖2所示。
左側(cè)是有一定指向性角的收發(fā)水聲換能器陣列，它們?cè)谒掳凑找欢ǖ捻樞虬l(fā)射水聲信號(hào)，射向過(guò)往船舶水下船身側(cè)面部分。水聲信號(hào)在水下傳播時(shí)遇到船身產(chǎn)生回波信號(hào)，換能器接收回波信號(hào)，經(jīng)放大、濾波、檢波等模擬信號(hào)處理；通過(guò)AD采樣，對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化，再用DSP對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，檢測(cè)出有效水聲回波信號(hào)。通過(guò)判斷一定深度的換能器發(fā)射信號(hào)后是否有回波信號(hào)來(lái)判斷當(dāng)前船舶吃水深度。
2.2單波束聲吶陣列測(cè)量原理
如圖3所示，聲吶陣列中的每一個(gè)聲吶探頭均有一個(gè)專(zhuān)配的發(fā)射接收模塊與之相配，形成n個(gè)通道的發(fā)射與接收信號(hào)模塊。主控模塊通過(guò)“信號(hào)發(fā)射控制”部分依次控制每個(gè)通道的發(fā)射；發(fā)射后，n個(gè)通道同時(shí)接收信號(hào)；接收到的信號(hào)由接收數(shù)字采樣模塊處理后向主控模塊的數(shù)據(jù)處理部分傳送，由主控模塊的數(shù)據(jù)處理單元處理數(shù)據(jù)，然后把測(cè)量的數(shù)據(jù)經(jīng)通信處理模塊分別通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式向現(xiàn)場(chǎng)的手持終端和有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)向遠(yuǎn)調(diào)站的PC計(jì)算機(jī)傳送吃水深度數(shù)據(jù)。
2.3單波束聲吶陣列測(cè)量要求
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)多次測(cè)量試驗(yàn)，對(duì)需要測(cè)量的船舶提出如下要求。
(1)測(cè)量的船舶要平行通過(guò)聲吶陣列。
(2)船舶通行時(shí)距離聲吶陣列的距離要控制在5m左右，最大不能超過(guò)10 m。
(3)船舶行駛的速度盡可能慢，低于1 m/s。
如果船舶通過(guò)時(shí)停機(jī)，利用慣性通過(guò)，效果更好，測(cè)量精度更高。
2.4測(cè)量精度范圍與換能器間距的分析
單波束聲吶陣列測(cè)出的船舶吃水深度是由發(fā)射換能器的深度來(lái)確定，理論上換能器的間距越小，越能提高測(cè)量精度。但實(shí)際應(yīng)用中，換能器有一定的尺寸大小影響安裝，換能器越多造價(jià)越高，實(shí)際精度要求無(wú)需無(wú)限小。綜合上述條件，需設(shè)計(jì)符合測(cè)量精度要求而且合理經(jīng)濟(jì)的測(cè)量陣列。
測(cè)量精度要求在10 cm以?xún)?nèi)，由于受另2個(gè)因素的影響，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)選擇換能器中心間距7 cm，第n個(gè)換能器與第n-1（或n+1）個(gè)換能器的信號(hào)可能存在誤測(cè)量，這樣測(cè)量深度誤差將控制在14 cm(2×7 cm)的范圍。實(shí)際測(cè)量時(shí)，誤差都在±10 cm范圍之內(nèi)。
3測(cè)量效果分析
在現(xiàn)場(chǎng)選擇了11艘要過(guò)閘的船舶，分別用傳統(tǒng)方法鉤測(cè)、聲吶陣列自動(dòng)測(cè)量，結(jié)果見(jiàn)表1。
由表1可見(jiàn)，實(shí)際測(cè)量的誤差范圍在-9～8cm之間，平均誤差為-3 cm，符合精度要求。
4結(jié)語(yǔ)
船舶吃水深度是航道部門(mén)決定船舶是否能夠過(guò)閘的重要參數(shù)之一，對(duì)低等級(jí)航道的管理而言尤為重要。造成船舶吃水深度難以測(cè)量的主要原因有：①船舶形狀各異，標(biāo)準(zhǔn)化程度低；②船舶超等級(jí)航行在低等級(jí)航道上現(xiàn)象比較普遍；③船主在裝載貨物時(shí)前傾現(xiàn)象比較普遍，簡(jiǎn)單利用型深測(cè)量會(huì)造成較大誤差。
本文提出了用聲吶陣列固定在特定位置上，讓過(guò)閘船舶按一定要求通過(guò)，從而自動(dòng)測(cè)量出船舶最大吃水深度，為航道部門(mén)監(jiān)測(cè)提供重要依據(jù)．有效地解決了傳統(tǒng)測(cè)量難題，在鹽邵船閘管理中發(fā)揮了重要作用。
5摘要船舶實(shí)際吃水深度是航道部門(mén)決定船舶能否過(guò)閘的關(guān)鍵因素之一，文中以鹽邵船閘為工 程實(shí)例，用單波束聲吶陣列自動(dòng)測(cè)量過(guò)往船舶的實(shí)際吃水深度，有效地解決了傳統(tǒng)“鉤測(cè)”難題，為航道部門(mén)的管理工作提供了重要依據(jù)。
