基于超声相控技术的船舶吃水测量方法

为了解决内河船舶因超吃水引起的通航阻塞以及船舶安全问题,提出一种基于超声相控技术的船舶吃水测量方法。以超声相控技术为理论基础,通过控制一维线型超声相控阵列换能器发射聚焦声波,实现对目标船舶的相控扫描,获取各扫描点的回波信号;利用匹配滤波算法对回波信号进行滤波,改善信噪比;利用阈值法提取回波信号的时延;利用渡越时间法,计算出扫描点到各发射振元中心的距离,利用双曲交汇法计算出扫描点的空间坐标;分析回波信号幅值和扫描点位置坐标即可得到船舶吃水深度。为验证方法的可靠性,搭建了小比尺船模吃水测量实验系统,分析了110~140 mm不同吃水深度下的实验结果,计算了实际吃水与测量吃水间的相对误差。实验结果表明,使用匹配滤波法处理后的回波信号信噪比从15.26 dB提高至36.39 dB,实验时,最大相对误差出现在船舶实际吃水130 mm时,绝对误差为2.3 mm,相对误差为1.7%。

基于超声相控阵的水下船体表面成像方法研究

针对当前水下船体表面成像设备较少、成本较高、成像误差较大的问题,提出一种基于超声相控阵技术的水下船体成像方法。以超声相控阵技术为基础,控制一维线型超声相控阵列换能器发射的聚焦声波对水下船体表面进行相控扫描,声波作用于船体表面后发生散射,回波被换能器接收后利用双曲线交汇法计算出各反射点的点云数据,最终利用点云数据重构出水下船体表面的三维模型。通过搭建水池船模成像实验对方法进行了验证,结果表明,重构图像最大误差小于5 mm,具有较高的成像分辨力。

基于超声相控技术的新型船舶计重方法研究

针对传统水尺计重存在的成本高、效率低、误差大的问题,提出一种基于超声相控技术的新型船舶计重方法。以超声相控技术为基础,设计了用于船舶计重的超声阵列换能器,搭建测试平台对换能器的性能进行测试,之后利用该换能器对加载重前后的水下船体进行相控扫描,同时重构出水下船体三维模型并计算出体积,利用阿基米德定理计算排水量,最后根据排水量之差计算出载重。以小型载重船模为测量对象,计算在不同载重时的误差大小,并对船模下降20mm时的计重结果进行不确定度分析。结果表明,载重10kg以内时该方法的计重误差不超过2%,随着载重量的增加计重误差会相应减小。

基于频偏应答的ADCP流速现场校准方法研究

针对声学多普勒流速剖面仪(ADCP)现场校准困难的问题,介绍了一种基于频偏应答的ADCP流速现场校准方法。通过声信号应答器,设置回发信号相对于发射信号的频偏实现速度矢量的模拟,并以频率为溯源量,对ADCP发射的信号及应答器回发频偏信号进行频率校准,进而实现ADCP流速参数的现场校准。研制了一套基于频偏应答的ADCP流速现场校准装置,在实验室消声水池条件下,以四波束300 k Hz ADCP为校准对象,开展了1~2 m/s的流速校准实验,进行不确定度分析。结果表明,该装置对流速校准的不确定度达到1%模拟流速+7 mm/s,验证了该校准方法的可行性。

基于近场声全息的聚焦换能器声场测量方法研究

高强度聚焦超声(HIFU)被广泛应用于医疗领域,但聚焦换能器焦点处的声强比较大,直接测量容易造成水听器损坏。为了间接获得焦点处声压,将全息测量面近似等效为声源面,结合空间傅里叶变换算法,提出了一种高测量效率的聚焦换能器声场测量方法。以球面自聚焦换能器为对象,进行声场测量方法的仿真研究和实验验证。结果表明,该方法比积分法推算效率提高了1倍,测量误差保持在有效范围内,该方法可以有效用于聚焦换能器声场测量。