船舶水下外形实时自动测量系统研究与应用

２６　江苏船舶　第３２卷　Ｘ＝Ｘ　＋ａ　ｃｏｓ　０　（６）　Ｙ＝　＋ａｎｓｉｎ　０　（７）　２　系统的设计思想和研究思路　水声测深仪主要有单波束测深仪和多波束测深　仪。目前商用的单波束测量系统和多波束测量系统　主要是针对水下测深或水下地形测量，无法直接应　用测量船舶水下部分。单波束系统在船形测量中主　要问题是测量速度慢，对运动中的船舶进行截面外　形测量时，无法获得足够多的采样点；多波束系统的　测量范围无法覆盖船舶水下部分，并且价格昂贵，将　大大增加仪器成本。因此，为了同时测量船底和船　侧面外形数据，并且考虑到测量系统的安装不能影　响船舶的通行，船舶运动对测量精度产生的影响以　及仪器的成本等问题，单波束系统和多波束系统并　不适用于单独对船舶水下部分进行测量。　经过多次实验，研究人员最终决定采用单波束、　多波束综合测量系统。单波束系统主要测量船舶底　部外形及船舶吃水深度，多波束系统测量船舶侧面　外形及水下宽度。　３　系统的实施方案和硬件组成　３．１单波束测量系统　单波束传感器阵在河道测量断面一字排开，间　距２　ｍ，共布设６套，垂直向上测量通过船只的底　部，采用循环扫描的测量方式。由于传感器数量少，　测得船舶断面的边界不确定性可忽略。　船舶的底部外形一般比较平坦，因此对于船舶　的底部外形测量，可以通过测量到的几点关键数据　来近似推算出整个船底外形。船舶底部外形测量点　位置按以下公式确定：　Ｘ＝Ｘ　（８）　Ｙ＝ｙ底＋　（９）　式中：　为换能器在测量截面的　方向坐标；ｒｏ为　换能器到船舶的测量距离。　３．２多波束测量系统　船舶水下侧面外形采用多波束测量方式。多波　束测量阵由１只宽波束发射换能器和１２只接收换　能器组成。根据水下声纳多波束测量的结果，完成　对船舶侧面的外形测量。　３．３船舶水下外形测量系统的硬件组成　测量系统由多波束测量系统及单波束测量系统　组成，其硬件主要有：１台多波束主控制器、１套ＰＸＩ　板卡机箱、１套信号发生器、２套８通道信号处理板　卡、１套Ｉ／Ｏ控制器、１套功率放大器、１套宽波束高　功率发射换能器、１２套接收换能器、１套电气机柜、１　套多波束换能器安装支架、ｌ套姿态仪、１套高压水　系统、１套单波束控制器、１套单波束信号转换控制　器、７套单波束收发换能器。　４船舶水下外形测量系统的误差分析　４．１　多波束测量系统的误差分析　（１）接收换能器的波束角（指向性）带来的测量　误差　在本系统内接收换能器的波束角为３。。在接　收换能器的波束角内的较强发射被记录为波束角中　心线方向的测量距离ａ。　据现场换能器阵安装的相对位置，　为９０。。　由于波束角为３。，ａ值实际长度在如下范围内：　（　ｔ）　一ｃ　一　丽　式中：ｃ为接收换能器到发射换能器的距离。　ａ的最大误差约为１５　ｍｍ。　（２）时间采样带来的测量误差　本装置信号采集器测时精度为１０～ｓ，按声速　ｌ　５００　ｍ／ｓ计算，带来的测量误差为０．１５　ｍｍ；软件　计算带来误差约为１５　ｍｍ，声速可按声速计测得，系　统总体误差可控制在３０　ｍｍ内。　４．２单波束测量系统的误差分析　本系统采用美国ＦＦＴ测深仪作为船舶吃水深　度的测量仪器，其测量精度为７０　ｍｍ。　在本方案中采用测深仪垂直向上测量来确定船　舶吃水深度及船底外形，因此，换能器的安装精度直　接影响系统测量精度。　换能器事先固定在水泥基础上，由水准仪检测　其安装水平度，确保６只换能器在同一水平线上。　水泥基础上安装姿态传感器，在安放横梁过程　中实时监测横梁姿态。本次安装横梁的左右横滚角　度为０．６３５。，前后俯仰角为０．２３７。，安装带来的测　量误差为６　ｍｍ。单波束测量精度为７０　ｍｍ。该装　置总体测量误差小于８０　ｍｍ。　５系统的实验验证　根据图１及式（６）、式（７）可知，各点位的精度　取决于所测得的反射点Ｇ到接收换能器之间的距　离值ａ的精度。为了验证船舶水下部分外形测量系　统的可行性，项目组就系统对该距离值的测量进行　了实验。　５．１实验过程　项目组在京杭运河淮安２号船闸处进行了实