應用MS1000掃描聲納的通航船舶吃水測量系統

紀立軍

摘 要：本文闡述的系統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。系統具有測量精度高、控制靈活、實時性好、快速等諸多優點，可廣泛用于江河湖海各類船舶的吃水監測，對航道內船舶吃水深度嚴格監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，它是采用機械式掃描聲納作為吃水監測的核心聲學設備，掃描聲納的工作頻率為675kHz，發射波束角為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。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。系統可以布設在航段上，對過往的船舶進行監測，也可以安裝在巡邏艇上，實行機動式的監測。下面就對這一系統進行詳細的闡述。

2.系統工作原理及構成

2. 1系統構成

通航船舶吃水聲學測量系統包括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，利用發射基陣向水中發射聲納脈沖。

2.2系統工作原理

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。

本文通過連續發射調頻波測距法來測距，當發射信號遇到目標時，產生回波；利用發射頻率、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 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生，故希望利用聲納測量系統實時監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，各種數據顯示正常可靠，水深8.415m，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測儀器與所測通航船舶的相對速度。因在實際監測時，通航船舶通過的速度受人為影響較大，所以我們就系統測量的船舶吃水數據與船舶通的速度之間的聯系進行分析。

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，當保證監測距離時，就得將聲波的發射頻率適當減小，同時增加聲波的發射功率，而在減小發射頻率和發射功率的同時，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，被監測船舶已駛離監測區域。

4.結語

應用MS1000掃描聲納的通航船舶吃水測量系統是基于聲學原理的吃水深度測量系統，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測。

系統組成相對簡單，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。此系統既能固定安裝，也能安裝在流動監測船上。在實際的應用中，該系統運行穩定，監測成果生成快速精確，在未來航道的安全監控方面有著廣泛的應用。

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