基于多波束声纳的船舶超载检测系统设计*

黄其培

(昆明船舶设备研究试验中心　昆明　650051)



基于多波束声纳的船舶超载检测系统设计*

黄其培

(昆明船舶设备研究试验中心昆明650051)

船舶超载是一种危害性极大的水上交通违法行为，为了有效制止此类行为的发生，论文提出了一种基于多波束声纳对超载船只进行快速、有效的检测方法。论文介绍了系统的整体设计和基本工作原理，并分别对水下检测分系统和岸端分系统做了详细论述。系统经过大量船只的测量验证，检测概率95%以上，对船只几何特征和吃水深度的测量误差小于0.2m，证明了系统工作稳定、可靠，满足实际使用需求。

船舶; 超载; 检测; 多波束声纳

Class NumberTP302.1

1　引言

我国内河水运资源丰富，在交通运输部《关于加快“十二五”期水运结构调整的指导意见》中，将“兴内河”作为“十二五”水运发展的重中之重，使得近年来内河航运得以飞速发展，有力推动了我国经济的发展[1]。由于内河航运具有运输量大、成本低、污染小、效益高等优点，在综合运输体系中有较为明显的优势，部分船主受利益驱使，采取谎报船舶装载，瞒报船舶实际吃水，故意制造假吃水标识等手段，躲避执法部门的检查，然而，相关执法部门检查船舶吃水仍采用查看船舶水尺或在舱内实际丈量舱深等登船检测的传统方式[2]。由于受技术手段制约，执法部门无法对船只进行快速准确的检测，致使船舶超吃水现象仍屡禁不止，这种危害性极大的水上交通违法行为，容易造成较为严重的事故，导致财产损失、人员伤亡，严重影响了内河运输的通航安全和航运效率，同时也阻碍了航运经济的健康发展。因此，研究船舶超载检测技术，开发离船快速自动检测装置成为当前水上交通安全管理的当务之急。目前国内也出现一些关于船只吃水深度的检测方法，如有在船闸底部安装单波束传感器阵列对船舶底部进行扫描检测，此方法适用于在船闸这样一个稳定、可控的环境，而在大水位差变幅、宽水域、多卵石沙的内河自然航道显然并不适用。除此之外，有利用光学原理检测的设计，采用激光成像技术对船舶水面部分进行成像，判断其吃水情况，但此方法容易受天气和水域水况影响，不能准确地检查，容易出现错误检测[3～4]。以上方法均有一定的应用，但在检测的准确性和环境适应性上还存在一定的不足。

为了提高系统的检测准确性和环境的适应能力，本文提出利用多波束声纳对船只超载情况进行检测，通过在航道的两侧水底对称布放两台多波束声纳设备对航行的船只进行波束扫描，并对船体回波的进行接收和解算，得出船只的吃水深度及船体的形状特性。通过对比船只最大吃水深度，以判断船只是否超载，并对超载情况给予实时报警。此方案不受天气、水域水况的影响，检测效率高，节省了大量人力、物力，具有较高应用价值。

2　系统组成与工作原理

2.1系统组成

船只超载检测系统主要由水下检测分系统和岸端分系统组成。水下检测分系统主要包括水下云台、多波束声纳、深度传感器、姿态传感器等；岸端分系统主要有数据处理与显示主机、DGPS设备及通信单元、报警装置等。系统组成框图如图1所示。

图1　系统组成框图

2.2系统工作原理

为了使声纳的波束扫描对航道内航行的船只有足够覆盖，以保证检测的准确性，系统采用两个多波束声纳设计[5]。该系统利用两个多波束声纳设备置于水底且分别位于固定航道两侧，所有过往船只在GPS导航的指引下，以一定速度缓慢通过指定航道进行检测，水下声纳设备将对航行船只进行波束扫描，通过解析回波信息对船只进行检测，然后通过水下光缆把检测到的回波信息传送至岸端数据处理设备进行综合数据处理，并进行实时显示，对于超载情况给予报警，以便执法人员快速响应。系统工作测试示意图，如图2所示。

图2　系统工作测试示意图

3　水下分系统

水下分系统主要用于收发波束信号，并对船只的回波信号进行解析，最终把解析数据和传感器数据传送至岸端设备进行综合处理，实现对船只的实时检测。在信号的处理流程中，水下分系统主要由模拟信号处理单元和数字信号处理单元两个部分组成，下面将对这两方面内容进行详细的介绍。

3.1模拟信号处理单元

模拟信号处理单元主要由前置放大电路和通道电路组成，模拟信号处理电路结构图如图3所示。

图3　模拟信号电路结构图

3.1.1前置放大器

前置放大器置于水听器腔体中，将水听器接收的微弱信号放大后传送至水密电子舱内的电路进行处理，采用高可靠性、低纹波单电源前置放大器。

3.1.2通道电路

通道电路完成接收水中噪声信号的放大、滤波等调理功能，并由数字处理器(DSP)对信号进行增益控制(AGC)。整个电路设计具有低功耗、低噪声特性，使调理后的信号具有较好的动态范围、较高的信噪比。

3.2数字信号处理单元

数字信号处理模块是水下电子设备的核心功能模块。其不但要完成多路A/D数据的同步读取、实时信号预处理和多波束形成外，并且需要负责干湿端数据、命令的发送和接收，并将控制命令解析后发送到相应的功能模块，控制水下各设备协同工作。数字信号处理模块结构图如图4所示[6]。

图4　数字信号处理模块结构图

数字信号处理模块主要包含以下功能：1)完成多路A/D数据的同步读取。2)实时完成多路数据的正交解调、FIR滤波抽取和多波束形成处理[7]。3)实现数据、命令的收发和外围芯片控制。4)实现回波增益控制，包括自动/手动增益控制。5)解析波束时延等相关信息。其中，波束形成和波束信息解算为数字信号处理单元的最为重要的功能，下面将对多波束形成和波束解算方法进行介绍。

3.3多波束形成

波束形成主要是对特定方向的有用信号形成波束，使之输出最大并衰减其他方向的干扰信号。其作用一方面是进行空间处理获取抗噪声和混响干扰的空间增益，另一方面是为了得到高的目标分辨率，对目标进行有效测量。

多波束形成既可以用模拟电路实现也可以用数字电路实现。模拟多波束形成以线性的方式工作，不受非线性影响引起的性能下降。但声纳通道数多且需形成多个波束，采用模拟方式实现会使系统体积变得非常庞大，且功率消耗也会相当大。与模拟电路相比，数字电路具有高度的灵活性、可扩展性，且随着VLSI、DSP以及EDA技术的发展，数字波束形成器(DBF)有取代模拟方法的趋势。该技术充分利用了阵列所接收到的携带有空间信息的回波信号，可以方便地实现密集多波束扫描。

采用数字波束形成(DBF)设计多波束系统可以在不降低信噪比的情况下同时产生多个独立并且可控的波束，获取良好的波束特性。数字多波束形成首先把接收声基阵接收的回波信号转换成数字信号，再经过正交解调、FIR滤波抽取分量得到正交和同相分量后对这些信号进行加权叠加，产生多波束。多波束形成信号处理流程如图5所示。

图5　多波束形成信号处理流程图

3.4波束解析

多波束测量船只时，关键是如何作回波时延估计(TOA)。检测回波信号时延一般有两种方法幅度检测和相位差相干检测。

相位差相干检测是基于相位差相干的原理进行检测。接收端需要两个独立的阵列，且对于中心波束由于接收回波信号声程差不明显,相位差相干法检测效果较差，故在这里不考虑用相位相干法检测[8]。

幅度检测利用船只反向散射回波信号幅度能量信息判断时延，又可细化为回波前沿过门限检测法、极大值检测法及能量中心检测法等几种方法。由于不同方向的船只反向散射信号具有相同的频率，其强度随掠射角的减小而减小，并随船只形状、特性而变化，船只某采样点的回波信号是船只一定面积上的散射波，因此接收波束具有一定宽度，且没有陡峭的前沿，故不能采用前沿检测和回波幅度极大值检测法估计接收波束的时延，而一般采用快速能量中心收敛检测法[9]。快速能量中心收敛检测法是将回波信号在所划分的子时间窗内进行幅度积分，经过迭代求出能量最大值(能量中心)所收敛的子时间窗位置，再将能量中心的估值位置在子窗中心位置的前后作微小的移动，使该位置两边的能量差值达到极小值，此时间位置就是能量中心的精确位置，即回波信号时延值。几种幅度检测法的比较如图6所示。回波信号时延估计流程如图7所示。

由图7所示，回波信号经过波束形成后，数据分块存储，并对数据块进行时延计算，为了避免由周围环境所带来的干扰，根据声纳至船只测量点的距离设定一个合理的时延门限，使船只的回波信号时延大于该门限值。当回波信号来到时开始对回波进行分析处理，通过运用能量中心检测法得出回波时延。

图6　幅度检测方法

图7　回波信号时延估计流程

4　岸端分系统

4.1船只几何特征

船只的几何特征的测量通常受到水域水况等因素的影响。为了准确测量船只的几何特征，需要结合姿态、深度及声线修正数据等多种信息进行解算[10]。这里测量的过程中主要考虑声纳的横滚补偿的问题。图8表示横滚角度为β的情况。

图8　声纳姿态对船只几何特征测量的影响

从图中可以看出

hw=H-h=H-l*cos(φ+β)

(1)

x=l*sin(φ+β)

(2)

式中，φ为波束角；β为横滚角；h为船只测量点垂直于声纳水平面的距离；hw为测量点船只吃水深度；x为测量点相对于声纳的横向距离；H为声纳在水中的深度；l为声纳距离测量点的斜距。其中l可表示为

(3)

式中，c为声速仪测量声速；Δt为回波波束时延值。

由此可知，船只的几何特征可表示为

W=xl-max+xr-max

(4)

T=hw-max

(5)

L=v*t

(6)

式中，W、T、L分别表示船只的宽度、吃水深度、长度；xl-max为船只测量点相对于声纳左侧最大横向距离；xr-max为船只测量点相对于声纳左侧最大横向距离；hw-max为船只最大深度；v被测量船的航速；t为船只通过时间。

综上可知，在进行船只几何特征测量时需要进行横滚角度补偿。在测得声纳横滚角时，可在发射时控制发射波束指向，保证激励所需的照射扇面；而在接收时，则可在预形成的多个波束中进行选择，使其覆盖扇面与发射扇面相对应。这样，当声纳有较大横滚角度时，仍可保证测量的正确性。

4.2岸端上位机软件设计

岸端系统中综合数据处理与显示单元主要实现对数字信号处理单元所解析的波束相关信息数据，并综合深度和姿态数据进行处理，得出船只的几何特征(吃水深度、长度、宽度等)和航行信息等数据，并以图形显示。通过获取船只的GPS信息确定被检船只的唯一性，最后对船只吃水深度测量值和正常运载的最大吃水深度值进行对比，在误差允许范围内，有超吃水运载情况则给予报警。岸端上位机软件处理流程，如图9所示。

5　测量结果

河道内过往船只，在到达检测航道附近，将根据检测航道的GPS位置自行导航进入检测航道进行检测，岸端系统也将对过往船只航行轨迹进行实时监测，如果出现有不按规定航线进入检测航道的船只，开启报警，并对船只信息进行记录，以便相关执法人员进行信息回查。船只航行轨迹，如图10所示。

图9　岸端上位机软件处理流程

图10　船只航行轨迹示意图

通过对船只几何特征的测量，得出其尺寸，结合船只的GPS信息，确定具体船只，并把测得的吃水深度值与该船只正常运载最大吃水深度值进行对比(船只的吃水深度值计算采用均值法)，从而有效判断船只是否处于超载状态，发现超载情况，则触发报警，告知现场值守的执法人员，以便及时对超载船只进行违法处理。

为了对系统性能进行充分论证，在多方协调下，在河域水况约为二级(浪高0.2m～0.5m)，主要对500T、1000T、1500T及2000T等多个吨位级别的船只进行了大量测量，同时为了验证系统的准确性，对被测船只进行登船实际测量，给出一个参考值，通过对检测系统测量值与登船测量的参考值进行对比，以此来验证系统检测的准确性。这里给出了对1000T和2000T两个级别的船只测量结果统计图，如图11所示。

图11　1000T和2000T级船只检测值与登船测量对比统计结果

综上所述，系统经过大量实际船只的测量验证，系统有效检测概率大于95%，对船只几何特性和吃水深度的测量误差小于0.2m，证明了系统工作稳定、可靠，满足实际使用需求。在水域状况为二级时，1000T级船只实测图形结果如图12所示，图中3D视图是指船底形状以三维形式呈现，而2D视图则是指对船只吃水部分一个横切面的一个轮廓描绘，其中2D视图一个方格宽、高均表示1m，故被测船只吃水2m，宽约9m。

图12　1000T级船只实测图形结果

6　结语

本文所设计的基于多波束声纳超载检测系统，经过对河道内运输船只的实际检测，有效检测概率95%以上，应用效果较好，提高了检查效率，节省了大量人力、物力，产生了较大经济效益。

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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

黄其培，男，硕士研究生，工程师，研究方向：水下航行体轨迹跟踪技术。

TP302.1

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.10.032