关于单波束声呐在内河过闸船舶吃水深度测量上应用的研究

作者：张毅

   通常在船闸管理中，主要通过测量船舶吃水深度来控制船舶是否允许过闸，进入相对较低等级的航道，从而避免船舶搁浅事故的发生。

  盐邵船闸近年船舶通过量持续攀升，设计通过量为1 000万t，而近3年船舶通过量已达1亿t，船闸防堵保通压力剧增。盐邵线航道等级低、自然条件差、枯水期长，重载下行船舶吃水深度把握不准，极易造成搁浅堵航。

  目前，常用的测量船舶吃水深度的方法是：用钢管自制“L”形工具人工钩测船舶底部，通过读取钢管上的数据了解船舶吃水深度。该方法工作量大，异常繁琐，效率低，还不太准确（尤其是单机船，其底部有拖泥龙筋，无法钩测），工作人员自身也不安全。同时，也容易因人工检测自由裁量权大导致行风不端问题。为了较好地解决上述问题，在盐邵船闸上游锚地安装了单波束声呐阵列，自动测量过往船舶的吃水深度。

1  单波束声呐阵列介绍

  所谓单波束声呐阵列，是指将多个单波束收发一体水声换能器按一定顺序排列成一个线阵。本次安装的单波束声呐阵列具有以下特点。

  (1)竖直安装在锚地靠船墩侧面。由于锚地附近水域深度一般在3～5 m，水面宽度100多m，不具备底面和两侧安装的条件。

  (2)换能器间距不一样，中间小两头大。为了节约经费，考虑到盐邵船闸下游水位常年控制范围在2.0～3.5 m，故在这个范围内尽量减少换能器间距，两头适当增加间距，从而减少换能器的数量，节约成本。

  (3)阵列通过浮筒可以上下移动。受南水北调的影响，盐邵船闸上游（即京杭大运河）水位变化很大，一般在3m左右。考虑到换能器不能长期处于水面以上，我们选择用浮筒控制声呐阵列的深度，如图1所示，同时也方便了维护。

2  单波束声呐阵列测量原理

2.1测量技术原理

  利用水声信号的传播、反射原理是该测量方法的基本原理，如图2所示。

  左侧是有一定指向性角的收发水声换能器阵列，它们在水下按照一定的顺序发射水声信号，射向过往船舶水下船身侧面部分。水声信号在水下传播时遇到船身产生回波信号，换能器接收回波信号，经放大、滤波、检波等模拟信号处理；通过AD采样，对信号进行数字化，再用DSP对数字信号进行处理，检测出有效水声回波信号。通过判断一定深度的换能器发射信号后是否有回波信号来判断当前船舶吃水深度。

2.2单波束声呐阵列测量原理

  如图3所示，声呐阵列中的每一个声呐探头均有一个专配的发射接收模块与之相配，形成n个通道的发射与接收信号模块。主控模块通过“信号发射控制”部分依次控制每个通道的发射；发射后，n个通道同时接收信号；接收到的信号由接收数字采样模块处理后向主控模块的数据处理部分传送，由主控模块的数据处理单元处理数据，然后把测量的数据经通信处理模块分别通过无线方式向现场的手持终端和有线网络向远调站的PC计算机传送吃水深度数据。

2.3单波束声呐阵列测量要求

  根据现场多次测量试验，对需要测量的船舶提出如下要求。

  (1)测量的船舶要平行通过声呐阵列。

  (2)船舶通行时距离声呐阵列的距离要控制在5m左右，最大不能超过10 m。

  (3)船舶行驶的速度尽可能慢，低于1 m/s。

  如果船舶通过时停机，利用惯性通过，效果更好，测量精度更高。

2.4测量精度范围与换能器间距的分析

  单波束声呐阵列测出的船舶吃水深度是由发射换能器的深度来确定，理论上换能器的间距越小，越能提高测量精度。但实际应用中，换能器有一定的尺寸大小影响安装，换能器越多造价越高，实际精度要求无需无限小。综合上述条件，需设计符合测量精度要求而且合理经济的测量阵列。

  测量精度要求在10 cm以内，由于受另2个因素的影响，实际设计时选择换能器中心间距7 cm，第n个换能器与第n-1（或n+1）个换能器的信号可能存在误测量，这样测量深度误差将控制在14 cm(2×7 cm)的范围。实际测量时，误差都在±10 cm范围之内。

3测量效果分析

  在现场选择了11艘要过闸的船舶，分别用传统方法钩测、声呐阵列自动测量，结果见表1。

  由表1可见，实际测量的误差范围在-9～8cm之间，平均误差为-3 cm，符合精度要求。

4结语

  船舶吃水深度是航道部门决定船舶是否能够过闸的重要参数之一，对低等级航道的管理而言尤为重要。造成船舶吃水深度难以测量的主要原因有：①船舶形状各异，标准化程度低；②船舶超等级航行在低等级航道上现象比较普遍；③船主在装载货物时前倾现象比较普遍，简单利用型深测量会造成较大误差。

本文提出了用声呐阵列固定在特定位置上，让过闸船舶按一定要求通过，从而自动测量出船舶最大吃水深度，为航道部门监测提供重要依据．有效地解决了传统测量难题，在盐邵船闸管理中发挥了重要作用。

5摘要船舶实际吃水深度是航道部门决定船舶能否过闸的关键因素之一，文中以盐邵船闸为工 程实例，用单波束声呐阵列自动测量过往船舶的实际吃水深度，有效地解决了传统“钩测”难题，为航道部门的管理工作提供了重要依据。