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CN104126126A - 船速仪和船速测量方法 - Google Patents

船速仪和船速测量方法 Download PDF

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CN104126126A
CN104126126A CN201380009690.0A CN201380009690A CN104126126A CN 104126126 A CN104126126 A CN 104126126A CN 201380009690 A CN201380009690 A CN 201380009690A CN 104126126 A CN104126126 A CN 104126126A
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CN
China
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flow velocity
depth
water
speed
sound wave
Prior art date
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CN201380009690.0A
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安藤英幸
堀正寿
角田领
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Nippon Yusen KK
Original Assignee
Nippon Yusen KK
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Publication date
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Abstract

一种测量船舶(10)相对于水的速度的船速仪，其具有：波发射部(1)，该波发射部(1)向海底(20)发射声波；波接收部(2)，该波接收部(2)检测多个反射波，该反射波是从波发射部(1)发射的声波的反射，该反射波是由位于不同的水深的多个反射物(30)反射的；以及运算处理部(4)，该运算处理部(4)基于声波与反射波之间的频率差算出船舶(10)相对于水的速度，运算处理部(4)通过基于声波与多个反射波的每一个之间的频率差获得不同的多个水深处的每个水深处的流速，从而获得沿水深方向上的流速的变化率，且算出该变化率等于或小于预定的阈值的水深处的流速作为船舶(10)相对于水的速度。

Description

船速仪和船速测量方法
技术领域
本发明涉及测量船舶相对于水的速度的计量仪器和方法。
背景技术
关于测量船舶相对于水的速度(相对于水的船速)的船速仪的形式，有电磁式、音响式、旋转翼式以及压力式等。在这些船速仪之中，电磁式船速仪利用电磁感应定律来测量相对于水的船速。具体地说，电磁式船速仪具有设置在船体的传感器，该传感器具备进行励磁而形成磁场的线圈和检测电动势的一对电极。当伴随着船体的移动，线圈周围的磁场相对于导体(例如，海水)移动时，所感应的电动势会被电极检测到。此时，如果磁场恒定，所感应的电动势与磁场(船体)的移动速度成比例。因而，能基于电动势的大小求出相对于水的船速。
另一方面，音响式船速仪(有时也称为“多普勒测速仪”。)利用多普勒效应来测量相对于水的船速。具体地说，音响式船速仪具有设在船体的波发射器和波接收器。波发射器和波接收器可以是一体化的，也可以是独立的。不管怎样，波发射器向水底发射声波，波接收器检测被水底、水中的浮游物(浮游生物、垃圾等)反射的声波。以下，将反射从波发射器发射的声波的水底、水中的浮游物等统称为“反射物”。
从船体(波发射器)发射的声波被反射物反射而返回到船体(波接收器)时，如果船体与反射物之间存在相对速度，从波发射器发射的声波的频率与由波接收器检测的声波的频率之间就会产生与相对速度相应的频率差fd。因而，能通过求出频率差fd并对其进行运算处理而求出相对于水的船速。具体地说，从船体(波发射器)发射的、被反射物反射的声波的频率fm和被反射物反射而返回到船体(波接收器)的声波的频率fr可分别由下式表示。
fm＝ft*C/(C-V*cosθ)
fr＝fm*(C+V*cosθ)/C
＝ft*(C+V*cosθ)/(C-V*cosθ)
在此，
ft：从船体发射的声波的频率
fm：在反射物处观测到的声波的频率
fr：在船体处再次观测到的声波的频率
C：海水中的音速
V：相对于水的船速(＝流速)
θ：声波发射角
因此，能使用相对于水的船速V如下表示频率差fd。
即，通过求出频率差fd并对其进行运算处理，从而能求出相对于水的船速V(参照非专利文献1)。
在此，当船体在流体中移动时，会在与流体接触的船体表面的附近产生边界层。在边界层内黏性的影响表现显著，速度梯度变得非常大。另一方面，在边界层外侧的区域(主流)中，基本没有由黏性造成的影响，流体显示出与理想流体同样的流动。因此，为了求出准确的相对于水的船速，需要求出边界层外侧的流体的速度(流速)。
于是，在以往的电磁式船速仪中，有在从船底延伸的测量杆的前端设有传感器的电磁式船速仪。此外，在以往的音响式船速仪中，有检测船底下几米处的流速的音响式船速仪。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1：Tetley，L.，&Calcutt，D.(2001).Chapter 3:Speedmeasurement.Electronic Navigation Systems(Third Edition)(Vol.42，pp.45-87).Elsevier Ltd.
发明内容
发明要解决的问题
在以往的电磁式船速仪和音响式船速仪中，仅设定有基于假想的边界层的厚度的一个测量点。例如，在以往的电磁式船速仪中，在尺寸比假想的边界层的厚度长的测量杆的前端设有传感器。此外，在以往的音响式船速仪中，假定边界层的厚度为例如2.0m，而基于由存在于水深2.0m至3.0m附近的反射物反射的声波求出流速(相对于水的船速)。
但是，实际的边界层的厚度会根据各种原因而变化。例如，边界层的厚度会根据船体的污损状况、船体的摇晃、与船体的行进方向交叉的方向的海流(横流)等而变化。因此，还有可能存在基于假想的边界层的厚度设定的测量点实际上位于边界层的内侧的情况。在该情况下，显然无法求出准确的相对于水的船速。
本发明的目的在于，提供一种能求出更准确的相对于水的船速的计量仪器和方法。
用于解决问题的方案
本发明的船速仪，通过求出漂浮着船舶的流体中的不同的多个深度处的流速，从而求出流体的深度方向上的流速的变化率，算出该变化率变为等于或小于预定的阈值的深度处的流速作为船舶相对于水的速度。
本发明的船速仪包括：向水底发射声波的波发射部；检测多个反射波的波接收部，该反射波是从所述波发射部发射的所述声波的反射波，是由位于不同的水深的多个反射物反射的反射波；以及基于所述声波与所述反射波的频率差，算出船舶相对于水的速度的运算处理部。所述运算处理部通过基于所述声波与所述多个反射波的每一个的频率差算出不同的多个水深处的流速，从而求出水深方向上的流速的变化率，算出该变化率变为等于或小于预定的阈值的水深处的流速，作为船舶相对于水的速度。
本发明的船速仪中的所述运算处理部，在求出水深方向上的流速的变化率时，将从所述波发射部发射声波起到发射下一个声波为止的期间分割为多个采样期间，按每个所述采样期间，求出该采样期间内由所述波接收部检测的多个反射波的平均频率，基于从所述波发射部发射的所述声波与每个所述采样期间的所述平均频率的频率差求出不同的多个水深处的流速。
本发明的船速仪包括：在所述流体中沿该流体的深度方向伸缩的测量杆；设在所述测量杆上的传感器，该传感器包括进行励磁而形成磁场的线圈和检测伴随着所述磁场的移动而感应出的电动势的电极；以及基于由所述传感器检测的所述电动势的大小算出船舶相对于水的速度的运算处理部。所述运算处理部基于由所述传感器检测的所述电动势的大小和检测到该电动势时的所述测量杆的长度求出不同的多个深度处的流速，由此，求出流体的深度方向上的流速的变化率，算出该变化率变为等于或小于预定的阈值的深度处的流速，作为船舶相对于水的速度。
本发明的船速测量方法通过求出漂浮着船舶的流体中的不同的多个深度处的流速，从而求出深度方向上的流速的变化率，算出该变化率变为等于或小于预定的阈值的深度处的流速，作为船舶相对于水的速度。
本发明的船速测量方法包括：向水底发射声波的第一工序；检测向水底发射的、由位于不同的水深的多个反射物反射的多个反射波的第二工序；以及基于所述声波与所述反射波的频率差算出船舶相对于水的速度的第三工序。在所述第三工序中，通过基于所述声波与所述多个反射波的每一个的频率差算出不同的多个水深处的流速，从而求出水深方向上的流速的变化率，算出该变化率变为等于或小于预定的阈值的水深处的流速，作为船舶相对于水的速度。
在本发明的船速测量方法中的所述第三工序中，在求出水深方向上的流速的变化率时，将从发射所述声波起到发射下一个声波为止的期间分割为多个采样期间，按每个所述采样期间，求出在该采样期间内检测的多个反射波的平均频率，基于所述声波与每个所述采样期间的所述平均频率的频率差求出不同的多个水深处的流速。
本发明的船速测量方法包括：使设有具备进行励磁而形成磁场的线圈和检测伴随着所述磁场的移动而感应出的电动势的电极的传感器的测量杆在流体中沿该流体的深度方向进行伸缩的第一工序；以及基于由所述传感器检测的所述电动势的大小算出船舶相对于水的速度的第二工序。在所述第二工序中，基于由所述传感器检测的所述电动势的大小和检测到该电动势时的所述测量杆的长度求出不同的多个深度处的流速，由此，求出流体的深度方向上的流速的变化率，算出该变化率变为等于或小于预定的阈值的深度处的流速，作为船舶相对于水的速度。
发明效果
根据本发明，可实现能求出更准确的相对于水的船速的计量仪器和方法。
附图说明
图1是示出本发明的船速仪的实施方式的一个例子的框图；
图2是示出运算处理部中的处理内容的示意图；
图3是示出运算处理部中的处理内容的另一个示意图；
图4是示出平均频率与时间的关系的图；
图5是示出流速与反射深度的关系的图；
图6是示出本发明的船速仪的实施方式的另一个例子的框图。
具体实施方式
以下，对本发明的船速仪的一个实施方式进行说明。图1是示出本实施方式的船速仪的结构的框图。本实施方式的船速仪具有：具备波发射部1和波接收部2的换能器3；基于由换能器3进行收发的声波的频率差算出船舶相对于水的速度(相对于水的船速)的运算处理部4；以及显示由运算处理部4算出的相对于水的船速的显示部5。另外，虽然在图1中为了方便而分别图示了波发射部1和波接收部2，但是，实际上由单个硬件构成了波发射部1和波接收部2。具体地说，换能器3具备单个硬件，该硬件具备声波的发送功能和接收功能，该硬件的功能由未图示的控制部进行切换。
换能器3设置在船舶10的船底11或其附近。换能器3的波发射部1向船舶10的行进方向前方的海底20以发射角θ发射规定频率的脉冲声波。另一方面，换能器3的波接收部2检测从波发射部1发射的、被反射物30反射的脉冲声波。另外，虽然在图1中只图示了一个反射物30，但是，显然海中存在无数的反射物。在以下的说明中，有时将由被反射物30反射的、被波接收部2检测到的脉冲声波称为“反射波”，以与从波发射部1发射的脉冲声波进行区分。另外，这样的区分不过是为了说明的便利而进行的区分。
图1所示的换能器3的波发射部1以固定的时间间隔发射脉冲声波。换能器3的波接收部2在从波发射部1发射脉冲声波起到发射下一个脉冲声波为止的期间连续地检测反射波。即，交替地重复由波发射部1进行的脉冲声波的发射(发送)和由波接收部2进行的反射波的检测(接收)。
在此，当设海水中的音速为C、从船底11到反射物30的距离(反射深度)为L时，从由波发射部1发射脉冲声波起直到由波接收部2检测到反射波为止所需的时间t可通过以下数学式求出。
t＝2L(C*sinθ)…式(2)
另外，设有换能器3的船舶10的船底11位于水面(吃水线)12的下方。另一方面，本说明书中的反射深度L是从船底11到反射物30的沿竖直线的距离。即，反射深度L比作为从水面12到反射物30的沿竖直线的距离的水深短(浅)。
如图2(a)、(b)所示，运算处理部4(图1)基于时间t与反射深度L的关系来区分由波接收部2检测的多个反射波。具体地说，运算处理部4(图1)将从波发射部1发射脉冲声波起直到发射下一个脉冲声波为止的期间分割为长度固定的多个采样期间。此外，运算处理部4按每个采样期间求出在该采样期间内检测的多个反射波的平均频率(fr1，fr2，fr3…frn)。进而，运算处理部4将各平均频率(fr1，fr2，fr3…frn)与脉冲声波的频率ft分别进行比较，求出各反射深度(L1，L2，L3…Ln)的每一个的频率差(fd1，fd2，fd3…fdn)。接着，运算处理部4基于各自的频率差(fd1，fd2，fd3…fdn)求出各反射深度(L1，L2，L3…Ln)处的流速(V1，V2，V3…Vn)。这样，如图3所示，可掌握反射深度方向(水深方向)的流速的变化率dV/dL。换言之，可掌握边界层内的流速的发达率。运算处理部4将上述变化率dV/dL变得微小(dV/dL≒0)的反射深度Ln看作是边界层的厚度，算出反射深度Ln处的流速Vn作为相对于水的船速。具体地说，预先设定关于变化率dV/dL的阈值，运算处理部4将变化率dV/dL变为等于或小于阈值的反射深度Ln看作是边界层的厚度，算出该深度处的流速Vn作为相对于水的船速。由运算处理部4算出的相对于水的船速显示在显示部5(图1)。另外，还能使显示部5同时显示相对于水的船速、表示流速的变化率dV/dL的数值以及表示变化率dV/dL的曲线等，或者进行切换显示。
另外，上述阈值也可以是具有宽度的值。在该情况下，运算处理部4将变化率dV/dL收容于预定的数值范围内的反射深度Ln看作是边界层的厚度，算出该深度处的流速Vn作为相对于水的船速。
如上所述，本发明的船速仪通过求出船底下的多个点处的流速，从而掌握现实的边界层的厚度，基于该边界层外侧的流速求出相对于水的船速。因而，即使在边界层的厚度由于各种原因而变化的情况下，也能始终得到准确的相对于水的船速。
实施例1
以下，对本发明的一个实施例进行说明。在本实施例中，使用具备在上述实施方式中说明的结构的船速仪在水深方向上以1.0mm间隔求出流速。此外，将流速的变化率dV/dL变为0(零)的反射深度L处的流速V作为相对于水的船速。以下，进行具体说明。
在本实施例中，设海水中的音速C为1500m/s，设从图1所示的换能器3的波发射部1发射的脉冲声波的频率ft为400000Hz，设脉冲声波的发射角θ为60度。
此外，设各采样期间的长度为0.000002秒，基于从由波发射部1发射脉冲声波起直到由波接收部2检测到反射波为止所需的时间t(秒)，使用上述式(2)求出反射深度L(m)。进而，根据上述式(1)求出流速V(m/s)。
在上述的前提下进行的仿真的结果示于表1。此外，将时间t(秒)与各采样期间中的平均频率fr(Hz)的关系示于图4。此外，将反射深度L(m)与流速V(m/s)的关系示于图5。
表1
根据表1可知，在反射深度L为1.600m时，变化率dV/dL变为0(零)。在该情况下，因为可以看作是边界层的厚度不足1.600m，所以，运算处理部4(图1)将作为反射深度L为1.600m或比其深的地方的流速的10.0m/s算出为相对于水的船速。
本发明不限定于上述的实施方式或实施例，在不脱离其要旨的范围内能进行各种变更。例如，在上述的实施方式中，将在各采样期间内检测的多个反射波的平均频率与脉冲声波的频率的差作为每个反射深度的频率差进行了运算。但是，也可以将在各采样期间内检测的任意的一个反射波的频率与脉冲声波的频率的差作为每个反射深度的频率差而进行运算。
此外，虽然在上述的实施方式中利用一个方向脉冲发射求出了流速，但是，也有利用两个方向脉冲发射求出流速的实施方式。具体地说，准备至少两个换能器，从第一换能器的波发射部向第一方向(例如，向船舶的行进方向前方的海底)发射脉冲声波，由第一换能器的波接收部检测该声波的反射波。另一方面，从第二换能器的波发射部向与第一方向相反方向(例如，向船舶的行进方向后方的海底)发射脉冲声波，由第二换能器的波接收部检测该声波的反射波。在该情况下，例如，当产生船尾吃水深度差时，从第一换能器的波发射部向船舶的行进方向前方的海底发射的脉冲声波相对于水平面的角度θ与未产生吃水深度差时相比会变小。另一方面，从第二换能器的波发射部向船舶的行进方向后方的海底发射的脉冲声波相对于水平面的角度θ’与未产生吃水深度差时相比会变大。于是，通过利用以下数学式分别求出脉冲声波与反射波的频率差fd和流速V，从而能减小由吃水深度差的影响造成的测量误差。
fd = 2 * V * ft * ( cos θ + cos θ , ) / C ⇒ V = C * fd / { 2 * ft * ( cos θ + cos θ , ) }
此外，因为海水中的音速C会根据盐度、水温等而变动，所以，优选检测它们来修正流速(相对于水的船速)。
进而，除了船舶的行进方向前后以外，还能通过向行进方向左右发射脉冲声波并检测其反射波，从而以二维方式掌握边界层、流速以及潮流等的状态。此外，通过向三个方向以上发射脉冲声波并基于这些脉冲声波的频率与反射波的频率差算出流速，从而能进一步减小测量误差，能以三维方式掌握边界层、流速以及潮流等的状态。
虽然到此为止对应用了本发明的音响式船速仪进行了说明，但是，本发明也能应用于电磁式船速仪。在图6示出应用了本发明的电磁式船速仪的一个实施方式。图示的船速仪具有：设在船舶10的船底11上的、在海中沿深度方向伸缩的测量杆50；设在测量杆50的前端的传感器51；基于传感器51的检测结果算出船舶相对于水的速度(相对于水的船速)的运算处理部52；以及显示由运算处理部52算出的相对于水的船速的显示部53。
虽然省略图示，但是，传感器51具备进行励磁而形成磁场的线圈和检测伴随着磁场的移动而感应出的电动势的一对电极。运算处理部52基于由传感器51检测的电动势的大小和检测到该电动势时的测量杆50的长度求出不同的多个水深处的流速，求出水深方向上的流速的变化率，算出该变化率变为等于或小于预定的阈值的水深处的流速作为相对于水的船速。
测量杆50通过从未图示的电动电机输出的驱动力而向海底20延伸。或者，在向海底20延伸之后向船底11收缩。具体地说，在电动电机与测量杆50之间设置有将电动电机的旋转运动变换为直线运动并传递给测量杆50的传动机构(例如，齿条&小齿轮)，测量杆50通过经由该传动机构传递的驱动力进行伸缩。
在运算处理部52中，在测量杆50进行伸缩的期间输入由传感器51的电极检测的电动势或表示电动势的大小的信号。此外，在运算处理部52中，还输入用于得到测量杆50的长度的信号或信息。例如，构成上述传动机构的任意的齿轮的旋转量或旋转数被编码器所检测，表示该检测结果的信号或信息输入到运算处理部52。或者，告知电动电机启动的信号或信息输入到运算处理部52。在该情况下，运算处理部52对从输入告知电动电机的启动的信号或信息起的经过时间进行计时，将经过时间与预先准备的数据进行对照而得到测量杆50的长度。当然，该数据示出电动电机的驱动时间与测量杆50的长度的对应关系。
得到了在测量杆50进行伸缩的期间由传感器51检测的多个电动势与检测到每个电动势时的测量杆50的长度的关系的运算处理部52基于此求出不同的多个水深处的流速，并求出水深方向上的流速的变化率，算出该变化率变为等于或小于预定的阈值的水深处的流速作为相对于水的船速。此时，因为传感器51设置在测量杆50的前端，所以运算处理部52将测量杆50的长度作为水深(＝从船底11到传感器51的距离)来处理。另外，在传感器51设置在测量杆50的前端以外的场所的情况下，提取从传感器51的设置位置到测量杆50的前端的长度。不管怎样，运算处理部52基于测量杆50的长度求出从船底11到传感器51的距离，将其作为水深而进行运算。
在本说明书中，以在海上移动的船舶为例对本发明的实施方式的一个例子进行了说明。但是，根据本发明的船速仪以及船速测量方法，能准确地求出所有的水上船舶相对于水的速度。

Claims (8)

1.一种船速仪，该船速仪用于测量船舶相对于水的速度，其通过求出漂浮着船舶的流体中的不同的多个深度处的流速，从而求出流体的深度方向上的流速的变化率，算出该变化率变为等于或小于预定的阈值的深度处的流速，作为船舶相对于水的速度。
2.根据权利要求1所述的船速仪，其中，该船速仪包括：
波发射部，该波发射部向水底发射声波；
波接收部，该波接收部检测多个反射波，该反射波是从所述波发射部发射的所述声波的反射波，是由位于不同的水深的多个反射物反射的反射波；以及
运算处理部，该运算处理部基于所述声波与所述反射波的频率差，算出船舶相对于水的速度，
所述运算处理部通过基于所述声波与所述多个反射波的每一个反射波的频率差算出不同的多个水深处的流速，从而求出水深方向上的流速的变化率，算出该变化率变为等于或小于预定的阈值的水深处的流速，作为船舶相对于水的速度。
3.根据权利要求2所述的船速仪，其中，所述运算处理部在求出水深方向上的流速的变化率时，将从所述波发射部发射声波起到发射下一个声波为止的期间分割为多个采样期间，按每个所述采样期间，求出在该采样期间内由所述波接收部检测的多个反射波的平均频率，基于从所述波发射部发射的所述声波与每个所述采样期间的所述平均频率的频率差求出不同的多个水深处的流速。
4.根据权利要求1所述的船速仪，其中，该船速仪包括：
测量杆，该测量杆在所述流体中沿该流体的深度方向伸缩；
传感器，该传感器设置在所述测量杆上，且包括进行励磁而形成磁场的线圈和检测伴随着所述磁场的移动而感应出的电动势的电极；
运算处理部，该运算处理部基于由所述传感器检测的所述电动势的大小算出船舶相对于水的速度，
所述运算处理部基于由所述传感器检测的所述电动势的大小和检测到该电动势时的所述测量杆的长度求出不同的多个深度处的流速，由此，求出流体的深度方向上的流速的变化率，算出该变化率变为等于或小于预定的阈值的深度处的流速，作为船舶相对于水的速度。
5.一种船速测量方法，该船速测量方法为测量船舶相对于水的速度的方法，其中，通过求出漂浮着船舶的流体中的不同的多个深度处的流速，从而求出深度方向上的流速的变化率，算出该变化率变为等于或小于预定的阈值的深度处的流速，作为船舶相对于水的速度。
6.根据权利要求5所述的船速测量方法，其中，该方法包括：
向水底发射声波的第一工序；
检测向水底发射的、由位于不同的水深的多个反射物反射的多个反射波的第二工序；
基于所述声波与所述反射波的频率差算出船舶相对于水的速度的第三工序，
在所述第三工序中，通过基于所述声波与所述多个反射波的每一个的频率差算出不同的多个水深处的流速，从而求出水深方向上的流速的变化率，算出该变化率变为等于或小于预定的阈值的水深处的流速，作为船舶相对于水的速度。
7.根据权利要求6所述的船速测量方法，其中，在所述第三工序中，在求出水深方向上的流速的变化率时，将从发射所述声波起到发射下一个声波为止的期间分割为多个采样期间，按每个所述采样期间，求出在该采样期间内检测的多个反射波的平均频率，基于所述声波与每个所述采样期间的所述平均频率的频率差求出不同的多个水深处的流速。
8.根据权利要求5所述的船速测量方法，其中，该方法包括：
使设有具备进行励磁而形成磁场的线圈和检测伴随着所述磁场的移动而感应出的电动势的电极的传感器的测量杆在流体中沿该流体的深度方向进行伸缩的第一工序；以及
基于由所述传感器检测的所述电动势的大小算出船舶相对于水的速度的第二工序，
在所述第二工序中，基于由所述传感器检测的所述电动势的大小和检测到该电动势时的所述测量杆的长度求出不同的多个深度处的流速，由此，求出流体的深度方向上的流速的变化率，算出该变化率变为等于或小于预定的阈值的深度处的流速，作为船舶相对于水的速度。
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