一種多節(jié)點聲吶陣列在船舶水下安檢系統(tǒng)中的應(yīng)用?

陳孟君 仝志永 曹 仲

（1.中國船舶重工集團公司第七一О研究所 宜昌 443003）

（2.中國長江三峽集團公司三峽樞紐建設(shè)運行管理局 宜昌 443133）

1 引言

另據(jù)了解，也有一些自航貨駁船為了防止因船舶碰撞或擱淺對船體造成損壞，在船舶底部安裝有護底板，主要是用于保護船舶底部的舵葉和螺旋槳。護底板大都安裝在舵葉和螺旋槳下部，并與船舶底部牢固地焊接，這些護底板一般突出船底龍骨0.4m～0.5m，結(jié)構(gòu)堅固，當(dāng)船舶出現(xiàn)擱淺時，這部分裝置首先擱淺，從而造成整個船體擱淺，對航道的破壞影響非常大［2］。

另一方面，隨著國際戰(zhàn)略形勢的變化，敵對沖突模式也在不斷發(fā)展。“9.11事件”的發(fā)生，徹底改變了傳統(tǒng)意義上的恐怖襲擊方式，多元化、隱蔽性的特點日趨突出。江河大壩和港口是我國重要的大型水利設(shè)施，來往船舶眾多。目前，該類區(qū)域雖擁有完善的陸上和水面安全檢查措施，但船舶水面以下部分的安檢手段極度匱乏。恐怖分子控制民用船舶后，一旦將水下爆炸物放置在船舶底部水下，就可能順利通過現(xiàn)有的水面安全檢查，對該類設(shè)施發(fā)動恐怖襲擊，引起經(jīng)濟損失、造成惡劣的政治和社會影響。

此外，船只通過船底非法夾帶或拖帶走私物品，現(xiàn)場肉眼不易發(fā)現(xiàn)，往往容易躲過海關(guān)緝私部門的檢查，給國家造成較大的經(jīng)濟損失。

鑒于此，了解并開展船舶的水下安檢方面的工作是十分有意義和必要的。

2 船舶水下安檢的發(fā)展現(xiàn)狀

船舶水下安檢主要包括船舶吃水檢測、船舶水下拖帶物或船底附著危險物等幾個方面。

對于船舶吃水檢測，目前檢測手段主要有人工檢測和自動檢測兩種。人工觀測船舶吃水線標尺讀數(shù)是人工檢測船舶吃水量的主要方式。檢測時，被測船舶需要保持相對靜止狀態(tài)，測量人員登船測量或是乘坐檢測用小艇靠近被測船舶測量。測量人員需要分別讀取被測船舶左右舷船首、中、尾共六處吃水線標尺的讀數(shù)，然后據(jù)此計算出被測船舶的實際吃水量，該測量方法有很大的局限性，已經(jīng)不能適應(yīng)當(dāng)前需求。首先，其容易引入主觀誤差。第二，天氣條件不好時，或水尺被侵蝕、氧化引起磨損、脫落，或受到泥砂、油垢污染時，字符很難辨認。第三，對于水尺不準確、故意畫小水尺，以及有些船舶在船底安裝護板，現(xiàn)場無法觀測等情況，工作人員不能掌握真實吃水?dāng)?shù)據(jù)。第四，船舶需靠岸檢查，耗費大量時間，影響通航效率［3］。

目前除了人工檢測外，常用于船舶吃水自動檢測的技術(shù)手段大致包括以下幾種［4～5］：

津保橋為新建天津至保定鐵路工程，右線跨津保鐵路特大橋，跨越西外環(huán)河及西外環(huán)，主橋上部結(jié)構(gòu)類型為有砟軌道矮塔斜拉橋。孔跨布置采用(84+56+32)m矮塔斜拉橋方案，結(jié)構(gòu)體系為塔墩梁剛結(jié)的結(jié)構(gòu)體系，膺架現(xiàn)澆施工。主梁全長172.4 m，主墩橋墩高24 m，主墩處梁高6 m，塔高20 m，最小凈空22 m，跨外環(huán)橋處最大凈空12.9 m。

1）超聲波測量法：超聲波傳感器陣列測量就是依據(jù)超聲波測距原理，以船體舷邊甲板為基準測量船舶吃水，通過測量超聲波回波返回的時間，根據(jù)當(dāng)時當(dāng)?shù)芈曀伲瑴y得船體主甲板至水面的距離等參數(shù)，計算出吃水值；

2）壓力傳感器測量法：此方法是在船舶空載吃水線上安裝壓力傳感器，當(dāng)船舶裝載貨物下沉?xí)r，根據(jù)壓力傳感器的信號反饋得到吃水量數(shù)據(jù)。該方法原理簡單易實現(xiàn)，但是壓力傳感器安裝在船體外側(cè)，工作環(huán)境非常惡劣，容易導(dǎo)致儀器損壞，得不到準確吃水?dāng)?shù)據(jù)；

3）激光測距測量法：測量原理類似于超聲波測量，利用光速的不變性，通過測量激光束往返的時間，間接獲得當(dāng)時的水位信息；

4）電子水尺測量法：就是利用水的導(dǎo)電性，采用類似于人工觀測水位的方法，它是自上而下依次讀取每個感應(yīng)觸點（即探針）的電導(dǎo)，在探測到探針和水面接觸的位置，探針間的電導(dǎo)會突變增大從而確定水位值，該方法由于探針及電路直接與水接觸，較易被損壞，適應(yīng)性較差；

5）圖像識別法：基于圖像處理技術(shù)，對水尺刻度進行識別，即利用攝像機拍攝船只水尺，并利用相應(yīng)算法對拍攝圖像進行識別和處理，進而得到吃水深度。該方法設(shè)備簡單、造價低，可代替人工觀測實現(xiàn)無人化不間斷監(jiān)控。但該方法仍依賴于水尺準確程度和清晰度，且當(dāng)船舶姿態(tài)不正時，測量誤差較大。

上述幾種檢測方法或依賴船舶的吃水線標記，或需要安裝在船上，無法滿足船舶吃水離船快速檢測的要求。當(dāng)這些設(shè)備安裝在船體上時，設(shè)備的管理及其維修與船員的能力有很大關(guān)系，其檢測效果受船體、船速的影響較大，其檢測結(jié)果的可靠性受人為因素影響。所以，從某種程度上講，這些檢測手段并不能滿足船舶監(jiān)督管理和船舶吃水控制現(xiàn)實的需要。經(jīng)文獻查詢可知，目前國內(nèi)已有相關(guān)單位開展過多波束用于船舶吃水及超載檢測方面的應(yīng)用研究［6］。

另外，對于船底水下拖帶物檢測，文獻［7］提出了一種“反走私水下取證系統(tǒng)”，該系統(tǒng)主要包括安裝于緝私艇上水下機器人和探測聲吶，能夠?qū)Ω难b過的船只進行識別，對船底走私物進行檢查和辨識，達到現(xiàn)場取證，打擊走私的目的。文獻［8］提出了一種利用多波束掃描船底的水下安檢系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括多波束和水下浮動平臺等，多波束安裝在水下平臺上朝水面發(fā)射，對通過的船只底部進行掃描檢測，形成船底圖像，可對船底異物進行有效檢測。

綜上分析，采用常規(guī)的光學(xué)或其他測量方法難以可靠和高效地對船舶吃水及船底情況進行檢測，而聲探在水中是唯一有效的信息載體，可快速高效地完成船舶水下安檢工作，本文接下來將要介紹一種多節(jié)點聲吶陣列在船舶水下安檢系統(tǒng)中的應(yīng)用。

3 多節(jié)點聲吶陣列

3.1 系統(tǒng)組成

多節(jié)點聲吶陣列系統(tǒng)主要包含多組聲吶陣元、數(shù)據(jù)傳輸鏈路、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器、電纜組件及岸上綜合處理機，聲吶陣列由若干個水下聲吶陣元串聯(lián)組成，每組聲吶陣元里包括若干個（如3～5個）單波束聲吶頭，聲吶頭安裝越密，系統(tǒng)探測分辨率越高，聲吶陣列數(shù)量越多，水面探測范圍越寬。

聲吶陣列系統(tǒng)安裝在水下平臺上，平臺布放在安檢區(qū)域航道水下固定深度，采用多組聲吶陣元擺成一定長度呈直線并行安裝的方式，當(dāng)受檢船只從其上方通過時，聲吶陣列系統(tǒng)對經(jīng)過的船只水下部分進行掃描，聲信號遇船舶底部反射被陣列接收，聲吶掃描的原始數(shù)據(jù)通過復(fù)合纜上傳至岸基站的水上綜合處理機，經(jīng)數(shù)據(jù)圖像處理后能得到船只吃水及船底三維圖像信息［9］。

系統(tǒng)工作示意圖見圖1。

圖1 聲吶陣列系統(tǒng)工作示意圖

3.2 基本原理

在多節(jié)點聲吶陣列系統(tǒng)中，單個聲吶頭完成在一個窄波束范圍內(nèi)的聲脈沖發(fā)射，接收回波進行信號調(diào)理和采集，將結(jié)果數(shù)據(jù)打包通過數(shù)據(jù)傳輸鏈路送到水上綜合處理機進行圖像信號處理和顯示。聲吶頭工作頻率在600kHz～700kHz之間，每個聲吶頭具有獨立的地址，岸基站水上綜合處理機通過數(shù)據(jù)傳輸鏈路的下行指令控制聲吶頭的工作狀態(tài)，相鄰的聲吶頭采用分時工作，避免了相互干擾。3～5個聲吶頭組成一組聲吶陣元，包括換能器、水密殼體，以及聲吶陣元兩端的水密連接纜和裝在聲吶陣元內(nèi)部的信號處理及通信單元［10］。

根據(jù)聲吶數(shù)據(jù)容量和傳輸速度及系統(tǒng)的多節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸特點，數(shù)據(jù)傳輸鏈路采用了LVDS傳輸?shù)姆绞健VDS是一種小振幅差分信號技術(shù)，也是一種為滿足高性能數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用的新型技術(shù)。它具有傳輸速度快，功耗低，抗干擾能力強，傳輸距離遠，易于匹配等優(yōu)點［11～12］。

聲吶陣列數(shù)據(jù)傳輸鏈路見圖2所示，其功能是完成命令、狀態(tài)數(shù)據(jù)和聲吶數(shù)據(jù)的傳輸。數(shù)據(jù)傳輸鏈路包括數(shù)據(jù)傳輸模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器和水上綜合處理機等。

圖2 數(shù)據(jù)傳輸鏈路示意圖

數(shù)據(jù)傳輸模塊是數(shù)據(jù)傳輸鏈路的核心，每個數(shù)據(jù)傳輸模塊包括接收本地聲吶陣元的數(shù)據(jù)、上一個數(shù)據(jù)傳輸模塊的LVDS數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理和將數(shù)據(jù)傳送給下一個數(shù)據(jù)傳輸模塊。數(shù)據(jù)傳輸模塊的核心處理器采用了現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA），主要實現(xiàn)本地聲吶陣元聲學(xué)數(shù)據(jù)的接收，前端數(shù)據(jù)傳輸模塊的數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)處理和把相關(guān)的數(shù)據(jù)送給下一個數(shù)據(jù)傳輸模塊。前端數(shù)據(jù)傳輸模塊輸出的差分LVDS信號經(jīng)過差分和串并轉(zhuǎn)換后，通過并口送給FPGA進行數(shù)據(jù)校驗，確認無誤后再由FPGA的發(fā)送模塊進行并串轉(zhuǎn)換、發(fā)射均衡和差分驅(qū)動后發(fā)送給后端數(shù)據(jù)傳輸模塊，數(shù)據(jù)傳輸模塊結(jié)構(gòu)框圖見圖3。

圖3 數(shù)據(jù)傳輸模塊結(jié)構(gòu)框圖

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器的主要功能是除了給各聲吶陣元供電之外，還把各個數(shù)據(jù)傳輸模塊輸入的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)信號，通過光纖傳送到水上綜合處理機。岸基站水上綜合處理機通過光纖接收聲吶頭采集的數(shù)據(jù)，完成每個聲吶頭聲學(xué)信號和聲學(xué)圖像處理，并根據(jù)聲吶頭地址和安裝位置的對應(yīng)關(guān)系，將所有單個聲吶頭的掃描信息進行融合，顯示掃描到的完整圖像。

4 試驗結(jié)果分析

本文所述的多節(jié)點聲吶陣列經(jīng)過了多次湖上和長江實船試驗驗證，試驗結(jié)果表明，由聲吶陣列掃描船底測量得出的結(jié)果與真實船只情況相符合。當(dāng)然，測量結(jié)果會因為船只通過速度、螺旋槳轉(zhuǎn)動情況及船只艏向偏移等因素存在一定的誤差，通過控制船只低速通過安檢區(qū)，測量誤差大大減小。圖4為湖上試驗船只通過聲吶陣列上方時在某個時刻船只截面的吃水情況實時效果圖，由圖中可以看出該時刻船只斷面輪廓的吃水狀態(tài)及深度信息，整個船只完全通過之后，即可獲得船底完整圖像信息和吃水深度信息。

圖4 湖上試驗測試吃水實時結(jié)果

除了可以檢查船只吃水狀態(tài)之外，系統(tǒng)可以通過功能擴展和升級，融合船速、掃描頻率、聲吶陣列姿態(tài)等數(shù)據(jù)將船底橫斷面外輪廓圖像合成，形成完整的船底三維圖像，用來檢查整個船底情況，可實時檢測到船底異常。

通過進一步實船試驗驗證，在船底未攜帶目標物和攜帶目標物的情況下，船只先后通過聲吶陣列上方，分別得到圖5和圖6所示的實測船底效果圖。圖5為船只底部未攜帶任何目標物從陣列上方完全通過時的掃描效果圖，從圖中可以看出船底比較干凈，無異物。圖6為船只底部攜帶目標物從聲吶陣列上方完全通過時的掃描效果圖，圖中船底圓圈標記內(nèi)目標即為探測到的目標物，圖中左上角為水下相機拍攝的放置于船底的水下目標實物照片。

圖5 實船測試效果圖（船底無模擬目標）

圖6 實船測試效果圖（船底有一個模擬目標）

5 結(jié)語

針對船舶水下安檢技術(shù)現(xiàn)狀，本文分析了幾種船舶吃水檢測技術(shù)的應(yīng)用特點和技術(shù)特性，介紹了一種應(yīng)用于船舶水下安檢的多節(jié)點聲吶陣列系統(tǒng)，開展了湖上和江上實船通過試驗測試。該系統(tǒng)可望建設(shè)成一套自動、智能、集成、高效的船底測量和報警系統(tǒng)，既能自動測量通過船舶的吃水信息，又能測量船舶水下部分形狀，自動提取船舶的吃水深度信息，對發(fā)現(xiàn)的“超吃水”船舶自動報警。從而消除船舶“超吃水”給船閘等通航建筑物和水上交通造成的安全隱患，切實保護航道資源；同時還能發(fā)現(xiàn)船底異常，能有效檢查船底走私物品或攜帶危險品，協(xié)助海關(guān)緝私取證或海事部門船底異物檢查，實現(xiàn)陸上人員肉眼無法完成的安檢任務(wù)，具有重要的意義。