浮动侧扫式船舶吃水检测系统的研究

摘要

吃水检测作为三峡升船机船舶安全高效通航的关键因素，依赖于实时高效的船舶吃水检测系统。现有的船舶吃水检测系统有两种:一种是基于超声波的仰扫式船舶吃水检测系统;另一种是基于超声波的侧扫式船舶吃水检测系统。以上两种吃水检测系统的检测装置都采用固定安装方式，由于升船机引航道水位上下变化较大，不仅安装检修不便，而且影响系统吃水检测范围。为克服现有吃水检测方法存在的弊端，本文设计了浮动侧扫式船舶吃水检测系统。论文主要工作如下:
　　首先构建球面波声场辐射模型，并分析声波水下传播特性。然后在研究了超声波换能器原理基础上，依据超声波发射换能器参数，得出了换能器在谐振状态下最佳匹配阻抗的计算方法。还详细分析了三电压法测换能器频带宽度的方法。
　　论文设计的浮动侧扫式船舶吃水检测系统，通过将多个超声波发射阵列互成角度安装在浮体船上，以适应宽范围的船舶吃水检测。论文重点介绍了系统工作原理及模块设计。模块设计具体包括:发射调制模块采用对连续互补脉冲信号进行功放的方法，驱动换能器发射声波;为消除单频发射及多途效应对接收模块的影响，使能模块采用短时时分复用方式控制发射调制模块发射声波;接收模块将微弱超声波信号放大解调成直流信号;数据采集模块采用均值滤波方法消除数据采集过程中引入的二次噪声;数据融合模块负责将多路声波数据及水位信息融合成一帧数据;数据传输模块将数据通过光纤及RS485传给数据处理软件模块;数据处理软件模块采用基于超声波幅值强度的滤波、标记化处理、幅值细分等相关算法，得到船舶吃水值。
　　为了消除超声波阵列通道间多途干扰，论文还提出了采用频域特征识别法解调超声波信号，硬件上采用低噪、宽频带运放对微弱超声波信号进行放大，放大后的信号经采集后，通过FFT变换得到的幅度谱对超声波信号进行识别提取。
　　经过实验室和现场等不同实验环境的大量实验证明，该系统的技术方案可行，吃水测量精度满足设计要求，为后期系统进一步完善和提高打下了坚实的基础。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题概述

1．1．1 课题来源

1．1．2 课题研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 船舶吃水研究现状

1．2．2 吃水检测系统安装方法现状

1．3 本文研究内容

第2章 声波特性及超声波换能器原理分析

2．1 声波特性分析

2．1．1 声波传播模型

2．1．2 超声波

2．2 超声波换能器原理分析

2．2．1 压电效应

2．2．2 压电换能器材料

2．2．3 压电换能器性能指标分析

2．2．4 压电换能器选型依据

2．2．5 压电换能器级联及激励方式

2．2．6 压电换能器等效匹配

2．2．7 压电换能器频带宽度

第3章 浮动侧扫式船舶吃水检测系统设计

3．1 浮动侧扫式船舶吃水检测系统

3．1．1 系统原理及要求

3．2 浮动侧扫式船舶吃水检测系统硬件设计

3．2．1 超声波发射调制模块设计

3．2．2 超声波接收模块设计

3．2．3 角度测量模块设计

3．2．4 使能信号模块设计

3．2．5 数据采集模块设计

3．2．6 水位测量模块设计

3．2．7 数据融合模块设计

3．2．8 数据传输模块设计

3．3 浮动侧扫式船舶吃水检测系统软件设计

3．3．1 静态船舶吃水软件设计

3．3．2 动态船舶吃水软件设计

第4章 基于频域的超声信号解调原理及仿真

4．1 引言

4．2 声波信号频谱分析基本原理及其方法

4．2．1 频谱分析基本原理

4．2．2 频谱分析基本方法

4．3 基于频域的超声波信号解调系统设计

4．3．1 系统整体设计

4．3．2 基于频域的超声波信号解调系统硬件设计

4．3．3 基于频域的超声波信号解调系统软件设计

第5章 系统检测结果与分析

5．1 超声波发射接收硬件电路调试及分析

5．1．1 超声波发射电路

5．1．2 超声波接收放大电路

5．2 实验室吃水检测结果及分析

5．2．1 实验室测试环境

5．2．2 实验室设备

5．2．3 实验室测量数据及分析

5．3 三峡升船机测量数据及分析

5．3．1 三峡升船机测试环境

5．3．2 三峡升船机设备安装

5．3．3 三峡升船机实验数据及分析

结论

参考文献

攻读学位期间公开发表论文

致谢

作者简介