基于多波束聲納的船舶超載檢測系統設計*

黃其培

(昆明船舶設備研究試驗中心　昆明　650051)

?

基于多波束聲納的船舶超載檢測系統設計*

黃其培

(昆明船舶設備研究試驗中心昆明650051)

船舶超載是一種危害性極大的水上交通違法行為，為了有效制止此類行為的發生，論文提出了一種基于多波束聲納對超載船只進行快速、有效的檢測方法。論文介紹了系統的整體設計和基本工作原理，并分別對水下檢測分系統和岸端分系統做了詳細論述。系統經過大量船只的測量驗證，檢測概率95%以上，對船只幾何特征和吃水深度的測量誤差小于0.2m，證明了系統工作穩定、可靠，滿足實際使用需求。

船舶; 超載; 檢測; 多波束聲納

Class NumberTP302.1

1　引言

我國內河水運資源豐富，在交通運輸部《關于加快“十二五”期水運結構調整的指導意見》中，將“興內河”作為“十二五”水運發展的重中之重，使得近年來內河航運得以飛速發展，有力推動了我國經濟的發展[1]。由于內河航運具有運輸量大、成本低、污染小、效益高等優點，在綜合運輸體系中有較為明顯的優勢，部分船主受利益驅使，采取謊報船舶裝載，瞞報船舶實際吃水，故意制造假吃水標識等手段，躲避執法部門的檢查，然而，相關執法部門檢查船舶吃水仍采用查看船舶水尺或在艙內實際丈量艙深等登船檢測的傳統方式[2]。由于受技術手段制約，執法部門無法對船只進行快速準確的檢測，致使船舶超吃水現象仍屢禁不止，這種危害性極大的水上交通違法行為，容易造成較為嚴重的事故，導致財產損失、人員傷亡，嚴重影響了內河運輸的通航安全和航運效率，同時也阻礙了航運經濟的健康發展。因此，研究船舶超載檢測技術，開發離船快速自動檢測裝置成為當前水上交通安全管理的當務之急。目前國內也出現一些關于船只吃水深度的檢測方法，如有在船閘底部安裝單波束傳感器陣列對船舶底部進行掃描檢測，此方法適用于在船閘這樣一個穩定、可控的環境，而在大水位差變幅、寬水域、多卵石沙的內河自然航道顯然并不適用。除此之外，有利用光學原理檢測的設計，采用激光成像技術對船舶水面部分進行成像，判斷其吃水情況，但此方法容易受天氣和水域水況影響，不能準確地檢查，容易出現錯誤檢測[3～4]。以上方法均有一定的應用，但在檢測的準確性和環境適應性上還存在一定的不足。

為了提高系統的檢測準確性和環境的適應能力，本文提出利用多波束聲納對船只超載情況進行檢測，通過在航道的兩側水底對稱布放兩臺多波束聲納設備對航行的船只進行波束掃描，并對船體回波的進行接收和解算，得出船只的吃水深度及船體的形狀特性。通過對比船只最大吃水深度，以判斷船只是否超載，并對超載情況給予實時報警。此方案不受天氣、水域水況的影響，檢測效率高，節省了大量人力、物力，具有較高應用價值。

2　系統組成與工作原理

2.1系統組成

船只超載檢測系統主要由水下檢測分系統和岸端分系統組成。水下檢測分系統主要包括水下云臺、多波束聲納、深度傳感器、姿態傳感器等；岸端分系統主要有數據處理與顯示主機、DGPS設備及通信單元、報警裝置等。系統組成框圖如圖1所示。

圖1　系統組成框圖

2.2系統工作原理

為了使聲納的波束掃描對航道內航行的船只有足夠覆蓋，以保證檢測的準確性，系統采用兩個多波束聲納設計[5]。該系統利用兩個多波束聲納設備置于水底且分別位于固定航道兩側，所有過往船只在GPS導航的指引下，以一定速度緩慢通過指定航道進行檢測，水下聲納設備將對航行船只進行波束掃描，通過解析回波信息對船只進行檢測，然后通過水下光纜把檢測到的回波信息傳送至岸端數據處理設備進行綜合數據處理，并進行實時顯示，對于超載情況給予報警，以便執法人員快速響應。系統工作測試示意圖，如圖2所示。

圖2　系統工作測試示意圖

3　水下分系統

水下分系統主要用于收發波束信號，并對船只的回波信號進行解析，最終把解析數據和傳感器數據傳送至岸端設備進行綜合處理，實現對船只的實時檢測。在信號的處理流程中，水下分系統主要由模擬信號處理單元和數字信號處理單元兩個部分組成，下面將對這兩方面內容進行詳細的介紹。

3.1模擬信號處理單元

模擬信號處理單元主要由前置放大電路和通道電路組成，模擬信號處理電路結構圖如圖3所示。

圖3　模擬信號電路結構圖

3.1.1前置放大器

前置放大器置于水聽器腔體中，將水聽器接收的微弱信號放大后傳送至水密電子艙內的電路進行處理，采用高可靠性、低紋波單電源前置放大器。

3.1.2通道電路

通道電路完成接收水中噪聲信號的放大、濾波等調理功能，并由數字處理器(DSP)對信號進行增益控制(AGC)。整個電路設計具有低功耗、低噪聲特性，使調理后的信號具有較好的動態范圍、較高的信噪比。

3.2數字信號處理單元

數字信號處理模塊是水下電子設備的核心功能模塊。其不但要完成多路A/D數據的同步讀取、實時信號預處理和多波束形成外，并且需要負責干濕端數據、命令的發送和接收，并將控制命令解析后發送到相應的功能模塊，控制水下各設備協同工作。數字信號處理模塊結構圖如圖4所示[6]。

圖4　數字信號處理模塊結構圖

數字信號處理模塊主要包含以下功能：1)完成多路A/D數據的同步讀取。2)實時完成多路數據的正交解調、FIR濾波抽取和多波束形成處理[7]。3)實現數據、命令的收發和外圍芯片控制。4)實現回波增益控制，包括自動/手動增益控制。5)解析波束時延等相關信息。其中，波束形成和波束信息解算為數字信號處理單元的最為重要的功能，下面將對多波束形成和波束解算方法進行介紹。

3.3多波束形成

波束形成主要是對特定方向的有用信號形成波束，使之輸出最大并衰減其他方向的干擾信號。其作用一方面是進行空間處理獲取抗噪聲和混響干擾的空間增益，另一方面是為了得到高的目標分辨率，對目標進行有效測量。

多波束形成既可以用模擬電路實現也可以用數字電路實現。模擬多波束形成以線性的方式工作，不受非線性影響引起的性能下降。但聲納通道數多且需形成多個波束，采用模擬方式實現會使系統體積變得非常龐大，且功率消耗也會相當大。與模擬電路相比，數字電路具有高度的靈活性、可擴展性，且隨著VLSI、DSP以及EDA技術的發展，數字波束形成器(DBF)有取代模擬方法的趨勢。該技術充分利用了陣列所接收到的攜帶有空間信息的回波信號，可以方便地實現密集多波束掃描。

采用數字波束形成(DBF)設計多波束系統可以在不降低信噪比的情況下同時產生多個獨立并且可控的波束，獲取良好的波束特性。數字多波束形成首先把接收聲基陣接收的回波信號轉換成數字信號，再經過正交解調、FIR濾波抽取分量得到正交和同相分量后對這些信號進行加權疊加，產生多波束。多波束形成信號處理流程如圖5所示。

圖5　多波束形成信號處理流程圖

3.4波束解析

多波束測量船只時，關鍵是如何作回波時延估計(TOA)。檢測回波信號時延一般有兩種方法幅度檢測和相位差相干檢測。

相位差相干檢測是基于相位差相干的原理進行檢測。接收端需要兩個獨立的陣列，且對于中心波束由于接收回波信號聲程差不明顯,相位差相干法檢測效果較差，故在這里不考慮用相位相干法檢測[8]。

幅度檢測利用船只反向散射回波信號幅度能量信息判斷時延，又可細化為回波前沿過門限檢測法、極大值檢測法及能量中心檢測法等幾種方法。由于不同方向的船只反向散射信號具有相同的頻率，其強度隨掠射角的減小而減小，并隨船只形狀、特性而變化，船只某采樣點的回波信號是船只一定面積上的散射波，因此接收波束具有一定寬度，且沒有陡峭的前沿，故不能采用前沿檢測和回波幅度極大值檢測法估計接收波束的時延，而一般采用快速能量中心收斂檢測法[9]。快速能量中心收斂檢測法是將回波信號在所劃分的子時間窗內進行幅度積分，經過迭代求出能量最大值(能量中心)所收斂的子時間窗位置，再將能量中心的估值位置在子窗中心位置的前后作微小的移動，使該位置兩邊的能量差值達到極小值，此時間位置就是能量中心的精確位置，即回波信號時延值。幾種幅度檢測法的比較如圖6所示。回波信號時延估計流程如圖7所示。

由圖7所示，回波信號經過波束形成后，數據分塊存儲，并對數據塊進行時延計算，為了避免由周圍環境所帶來的干擾，根據聲納至船只測量點的距離設定一個合理的時延門限，使船只的回波信號時延大于該門限值。當回波信號來到時開始對回波進行分析處理，通過運用能量中心檢測法得出回波時延。

圖6　幅度檢測方法

圖7　回波信號時延估計流程

4　岸端分系統

4.1船只幾何特征

船只的幾何特征的測量通常受到水域水況等因素的影響。為了準確測量船只的幾何特征，需要結合姿態、深度及聲線修正數據等多種信息進行解算[10]。這里測量的過程中主要考慮聲納的橫滾補償的問題。圖8表示橫滾角度為β的情況。

圖8　聲納姿態對船只幾何特征測量的影響

從圖中可以看出

hw=H-h=H-l*cos(φ+β)

(1)

x=l*sin(φ+β)

(2)

式中，φ為波束角；β為橫滾角；h為船只測量點垂直于聲納水平面的距離；hw為測量點船只吃水深度；x為測量點相對于聲納的橫向距離；H為聲納在水中的深度；l為聲納距離測量點的斜距。其中l可表示為

(3)

式中，c為聲速儀測量聲速；Δt為回波波束時延值。

由此可知，船只的幾何特征可表示為

W=xl-max+xr-max

(4)

T=hw-max

(5)

L=v*t

(6)

式中，W、T、L分別表示船只的寬度、吃水深度、長度；xl-max為船只測量點相對于聲納左側最大橫向距離；xr-max為船只測量點相對于聲納左側最大橫向距離；hw-max為船只最大深度；v被測量船的航速；t為船只通過時間。

綜上可知，在進行船只幾何特征測量時需要進行橫滾角度補償。在測得聲納橫滾角時，可在發射時控制發射波束指向，保證激勵所需的照射扇面；而在接收時，則可在預形成的多個波束中進行選擇，使其覆蓋扇面與發射扇面相對應。這樣，當聲納有較大橫滾角度時，仍可保證測量的正確性。

4.2岸端上位機軟件設計

岸端系統中綜合數據處理與顯示單元主要實現對數字信號處理單元所解析的波束相關信息數據，并綜合深度和姿態數據進行處理，得出船只的幾何特征(吃水深度、長度、寬度等)和航行信息等數據，并以圖形顯示。通過獲取船只的GPS信息確定被檢船只的唯一性，最后對船只吃水深度測量值和正常運載的最大吃水深度值進行對比，在誤差允許范圍內，有超吃水運載情況則給予報警。岸端上位機軟件處理流程，如圖9所示。

5　測量結果

河道內過往船只，在到達檢測航道附近，將根據檢測航道的GPS位置自行導航進入檢測航道進行檢測，岸端系統也將對過往船只航行軌跡進行實時監測，如果出現有不按規定航線進入檢測航道的船只，開啟報警，并對船只信息進行記錄，以便相關執法人員進行信息回查。船只航行軌跡，如圖10所示。

圖9　岸端上位機軟件處理流程

圖10　船只航行軌跡示意圖

通過對船只幾何特征的測量，得出其尺寸，結合船只的GPS信息，確定具體船只，并把測得的吃水深度值與該船只正常運載最大吃水深度值進行對比(船只的吃水深度值計算采用均值法)，從而有效判斷船只是否處于超載狀態，發現超載情況，則觸發報警，告知現場值守的執法人員，以便及時對超載船只進行違法處理。

為了對系統性能進行充分論證，在多方協調下，在河域水況約為二級(浪高0.2m～0.5m)，主要對500T、1000T、1500T及2000T等多個噸位級別的船只進行了大量測量，同時為了驗證系統的準確性，對被測船只進行登船實際測量，給出一個參考值，通過對檢測系統測量值與登船測量的參考值進行對比，以此來驗證系統檢測的準確性。這里給出了對1000T和2000T兩個級別的船只測量結果統計圖，如圖11所示。

圖11　1000T和2000T級船只檢測值與登船測量對比統計結果

綜上所述，系統經過大量實際船只的測量驗證，系統有效檢測概率大于95%，對船只幾何特性和吃水深度的測量誤差小于0.2m，證明了系統工作穩定、可靠，滿足實際使用需求。在水域狀況為二級時，1000T級船只實測圖形結果如圖12所示，圖中3D視圖是指船底形狀以三維形式呈現，而2D視圖則是指對船只吃水部分一個橫切面的一個輪廓描繪，其中2D視圖一個方格寬、高均表示1m，故被測船只吃水2m，寬約9m。

圖12　1000T級船只實測圖形結果

6　結語

本文所設計的基于多波束聲納超載檢測系統，經過對河道內運輸船只的實際檢測，有效檢測概率95%以上，應用效果較好，提高了檢查效率，節省了大量人力、物力，產生了較大經濟效益。

[1] 吳俊,丁甡奇,余葵,等.內河離港船舶吃水在線動態掃描檢測方法[J].水利水運工程學報,2013(5):83-88.

[2] 王勇,顏昌平.船舶吃水現場檢測技術及方法探討[J].中國水運,2008(8)：44-45.

[3] 孫坤凱.三峽船舶吃水量檢測門同步升降系統的研究[D].大連:大連海事大學,2010:10-18.

[4] 周廣程.圖像處理技術在船舶吃水自動檢測系統中的應用[D].南京:南京理工大學,2006:9-15.

[5] 杜敬林,馬忠成,陳建輝,等.艦船尾流聲散射和幾何特征試驗[J].哈爾濱工程大學學報,2010, 31(7):910-911.

[6] 胡廣書.數字信號處理-理論、算法與實現[M].北京：清華大學出版社，2003:132-156.

[7] 趙建虎,劉經南.多波束測深及圖像數據處理[M].武漢：武漢大學出版社,2008:31-35.

[8] 張哲,顧錦華,謝從濤,等.多波束數據處理系統技術研究[J].海洋測繪,2010,30(2):52-54.

[9] 陳文藝,楊輝.基于正交相干相位檢測的圖像畸變校正[J].西安郵電大學學報,2013,18(3):100-103.

[10] 王閏成.多波束測深系統的安裝校準[J].海洋測繪,2003,23(1):34-36.

Design of Ship Overload Detection System Based on Multi Beam Sonar

HUANG Qipei

(Kunming Shipborne Equipment Research & Test Center, Kunming650051)

The ship overload is a great harm water traffic illgal act, in order to effectively prevent the occurrence of such behavior, this paper presents a fast and effective detection method to overloading of vessels based on multi beam sonar. The paper introduces the overall design and the basic working principle of the system, and discusses the underwater detect branch system and the shore end point system in detail. The system has been verified by detect a large number of vessels, the detection probability is more than 95%, the measurement error of the geometric characteristics of the vessel and the draft depth is less than 0.2m, it is proved that the system is stable and reliable, and can meet the application demand.

boats and ships, overload, detection, multi-beam sonar

2016年4月9日,

2016年5月26日

黃其培，男，碩士研究生，工程師，研究方向：水下航行體軌跡跟蹤技術。

TP302.1

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.10.032