技术领域
[0001] 本
发明涉及海洋测绘技术领域，具体涉及一种多波束测深系统检测方法。
背景技术
[0002] 多波束测深系统能够快速准确地获取大面积海底形态信息，为海底地形图
地貌勘测提供了一种方便、高效的手段。目前国内因为缺乏实验室计量检测手段，且无统一规范，无法进行规范有效的检定，只能采用现场自校或比测的办法，严重影响到观测数据的可靠性、准确性。因此对于多波束测深系统的检测方法就有必要进行研究与实施，以达到保障多波束测深系统测深
精度的目的。
发明内容
[0003] 本发明的目的在于提供一种多波束测深系统检测方法，以提高检测数据的可靠性和准确性。
[0004] 本发明为了实现上述目的，采用的技术解决方案是：
[0005] 多波束测深系统检测方法，包括内符合精度静态
稳定性测试及动态航行测试、外符合精度静态稳定性测试及动态航行测试，
[0006] 内符合精度静态稳定性测试
[0008] 先进行声速测量，并将编辑好的声速剖面文件输入到多波束测深系统中，[0009] 测试中多波束测深系统连续开机时间8小时以上，每隔15分钟比对一次水深，基准值为首次测量值，不同波束值按序号依次与基准值比对，计算出水深比对差和测深标准偏差，水深比对限差应在2倍测深中误差以内，记录水深比对差超限的个数，统计出中央波束区、中间波束区和边缘波束区的水深比对差值，在计算水深比对误差前，应对水深数据进行交互式编辑，去掉异常值，
[0010] 每隔1小时测定
电压，在测深过程中多波束测深系统
电源电压的变化不得超过额定电压的10%，记录多波束测深系统的以下三个参数：功率、增益、及脉宽，[0011] 各区域波束测深标准偏差统计值按下式计算：
[0012]
[0013] 式（1）中hi为每次测深值，为测深平均值；
[0014] 内符合精度动态航行测试
[0015] 换能器放置方向，分为垂直放置和水平放置两种，针对两种放置方式逐一进行以下操作，
[0016] 测试时航速控制在6海里/小时以内，导航用的GPS天线与多波束测深系统换能器中心应处于同一垂直面上，
[0017] 首先检验多波束测深系统在不同深度和不同航速下工作是否正常，测深开始前，先测量声速，编辑好声速文件后输入到多波束测深系统中，
[0018] 启动多波束测深系统，稳定5分钟后，分别以2海里/小时、4海里/小时、6海里/小时的航速启动运动平台，各测量2次，共得到6次固定测线的测深条带，[0019] 每次测量时不改变参数，但测量间隔时改变测深参数，记录多波束测深系统的以下三个参数：功率、增益、及脉宽，
[0020] 以2海里/小时的首次测量为基准，并去掉测线首尾不重叠部分，计算其余5次测量相对首次测量的水深比对误差，计算时各波束分别计算，比如第2次第1号波束的所有ping的测深剖面近似为一个单波束测深系统，测点采用线性内插方法对齐，水深比对限差应在2倍测深中误差以内，计算测深标准偏差，并记录水深比对差值超限的个数，[0021] 各区域的测深标准偏差按下式计算：
[0022]
[0023] 式（2）中，i表示ping号，j表示波束号， 表示第i ping第j号波束水深值，表示第j波束的平均水深值；
[0024] 外符合精度静态稳定性测试
[0025] 在水深大于5米的位置放置换能器，
[0026] 先进行声速测量，并将编辑好的声速剖面文件输入到多波束测深系统中，[0027] 测试中多波束测深系统连续开机时间8小时以上，每隔15分钟比对一次水深，水深比对差是每波束水深值与地形图反算值的差值，水深比对限差应在2倍测深中误差以内，计算多波束边缘、中间、中央区域测深标准偏差，并记录水深比对差值超限的个数，[0028] 计算水深比对误差前，应对水深数据进行交互式编辑，去掉异常数据，[0029] 每隔1小时测定电压，在测深过程中多波束测深系统电源电压的变化不得超过额定电压的10%，记录多波束测深系统的以下三个参数：功率、增益、及脉宽，[0030] 各波束区域测深标准差按下式计算：
[0031]
[0032] 式（3）中，m表示波束号，n表示ping号， 表示第n ping第m号波束水深值，表示测深相应的反算值，根据测深点位置由高精度地形图反算得到，反算时需要考虑换能器
吃水；
[0033] 外符合精度动态航行测试
[0034] 换能器放置方向，分为垂直放置和水平放置两种，导航用的GPS天线与多波束测深系统换能器中心应处于同一垂直面上，针对两种放置方式逐一进行以下操作，[0035] 首先检验多波束测深系统在不同深度和不同航速下工作是否正常，测深开始前，先测量声速，编辑好声速文件后输入到多波束测深系统中，
[0036] 启动多波束测深系统，稳定5分钟后，分别以2海里/小时、4海里/小时、6海里/小时的航速启动运动平台，各测量2次，共得到6次固定测线的测深剖面，以地形图反算值为基准，去掉测线首尾不重叠部分，计算每次测量值相对基准水深值的误差，测点采用线性内插方法对齐，水深比对限差应在2倍测深中误差以内，计算测深标准偏差，并记录水深比对差值超限的个数，
[0037] 测深标准偏差的计算公式如下：
[0038]
[0039] 式（4）中，m表示波束号，n表示ping号， 表示第n ping第m号波束水深值，表示测深反算值，根据测深点位置由高精度已知地形图反算得到，反算时需要考虑换能器吃水。
[0040] 进一步，多波束测深系统检测方法，还包括声源级检测，
[0041] 首先保持标准
水听器在发射器的声轴方向上，而且两者要在同一深度上，利用标准水听器接收脉冲声
信号，声信号经放大、滤波后送数字示波器，数字示波器根据同步触发信号和时延对接收脉冲声信号进行显示、处理，并测量其声压值，根据测得的声压值计算水声场的电压值，
[0042] 由声源级的定义式计算得到发射器的声源级；
[0043] SL=20lgU-20lgM0+20lgd+120 （5）
[0044] 式（5）中，SL为声源级，单位dB，基准值为1μPa·m，U为标准水听器的开路电压，M0为标准水听器的接收灵敏度，单位为V/Pa；d为待测发射器和标准水听器声中心之间的距离。
[0045] 进一步，多波束测深系统检测方法，还包括波束
角检测，
[0046] 首先将被测换能器装在旋
转轴上，使其有效声中心位于
旋转轴上，[0047] 将发射器和接收水听器安放于水面下同一深度，并保证一定的测试距离，[0048] 在垂直角为0°的情况下，旋转改变水平角，得到不同水平角所对应的开路电压，再由记录仪直接记录
指向性图案或计算机自动处理测量数据并绘出发射器的水平
指向性图案；
[0049] 在水平角为0°的情况下，旋转改变垂直角，得到不同垂直角所对应的开路电压，再由记录仪直接记录指向性图案或计算机自动处理测量数据并绘出发射器的垂直指向性图案；
[0050] 根据指向性图案，可以得出给定
频率下、含有
主轴且角偏向损失
指定值为3dB所对应的两个方向的夹角，即为被检测换能器的波束角。
[0051] 进一步，多波束测深系统检测方法，还包括分辨
力与扫宽能力检测[0052] 分辨力与扫宽能力与水底底质、海洋环境有关，本发明采用固定距离、固定海底底质情况下建立实验室标准分辨力对照表，再通过重复测量评价被检测仪器的此项指标。
[0053] 测试工作在一个大型消声水池进行，并在水池底分段铺设厚度连续变化的淤泥、细沙、粗沙、卵石，包括硬底，通过水面的
声波发射与接收，来测量不同
沉积物类型对分辨力的影响，测量方法按纵向与横向两个方向进行，点距为10cm。
[0054] 进一步，多波束测深系统检测方法，还包括波束间距的检测，
[0055] 首先对换能器的安装误差进行校正，其中包括横摇校准、导航延迟校准和艏向校准，
[0056] 横摇校准的具体方法为：
[0057] 在消声水池平坦地形处，布置1至3条平行的往返测线，且各测线间距应保证相邻测幅有50%~70%的重叠，来回航迹须相同，
[0058] 采用相同速度沿测线往返测量，将所有波束沿航线方向进行垂直正投影，此时由横摇安装的误差导致投影图上两次地形图出现交角，调整横摇参数使得交角为0°，记录此时的横摇参数并在观测时进行改正，在平坦水底的相对方向的测量，会产生2倍横摇误差的影响。将水深数据投影到沿测线垂直方向上，横摇偏差可通过往返左舷和右舷的水深差与波束侧向距计算得到，见公式（6），
[0059] 横摇偏差DR（单位：度）可用下式计算：
[0060]
[0061] 式（6）中，Da为在垂直航迹方向的距离，单位：m；DZ为往返方向上测量的水深差，单位：米。
[0062] 导航延迟校准的具体方法如下：
[0063] 选择消声水池一处斜坡或具有人工目标的区域，布置一条测线，
[0064] 沿测线相同方向不同速度测量两组测深数据，尽量选择让中心波束穿越目标以及以高速测量，
[0065] 导航延迟的计算公式如下：
[0066]
[0067] 式（7）中，Da（单位：米）为两次测量的斜坡或特征点沿航迹方向的偏移量，VH（单位：m/s）为平台高速运行时的速度，VL为平台低速运行的速度（单位：m/s）。
[0068] 艏偏校准的具体方法如下：
[0069] 在消声水池选择一处具有人工目标的区域，沿孤立点两边布设两平行线，要求孤立点位于两测线中间，同时测线要求具有大约50%的
覆盖率，
[0070] 测量出孤立点在两次测量的位移及孤立点到测线距离即可计算出艏向偏差，[0071] 艏向偏差的计算公式如下：
[0072]
[0073] 式（8）中，Da（单位m）为两次测量特征目标之间的距离，DL（单位m）为测线在池底水平面的投影到特征目标的距离。
[0074] 经过上述参数校正后，根据两个相邻波束脚印在平面海底的绝对坐标（即波束脚印中心点的坐标）可反算出波束间距。
[0075] 本发明的有益效果：
[0076] 多波束测深系统是目前海洋开发、海洋监测、海洋科学研究等常用的仪器设备，但目前我国在多波束测深系统的设备检测技术、检测标准与体系等领域都存在空白。本发明研究出了多波束测深系统测深不准确度、声源级、波束角、分辨力、扫宽能力和波束间距六项技术指标的检测方法，在海底地形图地貌测量、提高多波束测深系统测深性能方面具有十分重要的作用。
附图说明
[0077] 图1为边缘波束区、中间波束区、中央波束区示意图。
[0078] 图2为换能器发射指向性测量原理图。
[0079] 图3为换能器接收指向性测量原理图。
[0080] 图4为水池纵剖面图。
[0081] 图5为水池平面透射图。
[0082] 图6为横摇参数校准示意图。
[0083] 图7为导航延迟校准示意图。
[0084] 图8为艏向偏差校准示意图。
[0085] 图9为波束间距检测示意图。
[0086] 图标记说明：1换能器 2边缘波束区 3中间波束区 4中央波束区 5角度θ/36角度θ/6 7角度θ/6 8海底 9发射器 10接收水听器 11激励电压 12开路电压 13水平角 14垂直角 15测试距离 16淤泥 17细沙 18粗沙19卵石 20硬底 21隔板 22横测线 23纵测线 24测线 25平坦海底 26校准基线 27向内 27向外 292DR 30DZ 31Da 32t0 33T134t0 35t1 36Da 37Da 38测线 39海底 40参考点 41测线-1 42g43R1 44R 45R2 46测线-2 47波束主轴 48波束脚印 49波束间距
具体实施方式
[0087] 下面结合附图对本发明进行详细说明：
[0088] 该
实施例采用SeaBeam 1180多波束测深仪为被检测仪器，具体的操作步骤如下：
[0089] 多波束测深系统检测方法，包括内符合精度静态稳定性测试及动态航行测试、外符合精度静态稳定性测试及动态航行测试，
[0090] 内符合精度静态稳定性测试
[0091] 在水深大于5米的位置放置换能器，
[0092] 先进行声速测量，并将编辑好的声速剖面文件输入到多波束测深系统中，[0093] 测试中多波束测深系统连续开机时间8小时以上，每隔15分钟比对一次水深，基准值为首次测量值，不同波束值按序号依次与基准值比对，计算出水深比对差和测深标准偏差，水深比对限差应在2倍测深中误差以内，记录水深比对差超限的个数，统计出中央波束区4、中间波束区3和边缘波束区2的水深比对差值，在计算水深比对误差前，应对水深数据进行交互式编辑，去掉异常值，
[0094] 每隔1小时测定电压，在测深过程中多波束测深系统电源电压的变化不得超过额定电压的10%，记录多波束测深系统的以下三个参数：功率、增益、及脉宽，[0095] 各区域波束测深标准偏差统计值按下式计算：
[0096]
[0097] 式（1）中hi为每次测深值，为测深平均值；
[0098] 内符合精度动态航行测试
[0099] 换能器放置方向，分为垂直放置和水平放置两种，针对两种放置方式逐一进行以下操作，
[0100] 测试时航速控制在6海里/小时以内，导航用的GPS天线与多波束测深系统换能器中心应处于同一垂直面上，
[0101] 首先检验多波束测深系统在不同深度和不同航速下工作是否正常，测深开始前，先测量声速，编辑好声速文件后输入到多波束测深系统中，
[0102] 启动多波束测深系统，稳定5分钟后，分别以2海里/小时、4海里/小时、6海里/小时的航速启动运动平台，各测量2次，共得到6次固定测线的测深条带，[0103] 每次测量时不改变参数，但测量间隔时改变测深参数，记录多波束测深系统的以下三个参数：功率、增益、及脉宽，
[0104] 以2海里/小时的首次测量为基准，并去掉测线首尾不重叠部分，计算其余5次测量相对首次测量的水深比对误差，计算时各波束分别计算，比如第2次第1号波束的所有ping的测深剖面近似为一个单波束测深系统，测点采用线性内插方法对齐，水深比对限差应在2倍测深中误差以内，计算测深标准偏差，并记录水深比对差值超限的个数，[0105] 各区域的测深标准偏差按下式计算：
[0106]
[0107] 式（2）中，i表示ping号，j表示波束号，表示第i ping第j号波束水深值，表示第j波束的平均水深值；
[0108] 外符合精度静态稳定性测试
[0109] 在水深大于5米的位置放置换能器，
[0110] 先进行声速测量，并将编辑好的声速剖面文件输入到多波束测深系统中，[0111] 测试中多波束测深系统连续开机时间8小时以上，每隔15分钟比对一次水深，水深比对差是每波束水深值与地形图反算值的差值，水深比对限差应在2倍测深中误差以内，计算多波束边缘、中间、中央区域测深标准偏差，并记录水深比对差值超限的个数，[0112] 计算水深比对误差前，应对水深数据进行交互式编辑，去掉异常数据，[0113] 每隔1小时测定电压，在测深过程中多波束测深系统电源电压的变化不得超过额定电压的10%，记录多波束测深系统的以下三个参数：功率、增益、及脉宽，[0114] 各波束区域测深标准差按下式计算：
[0115]
[0116] 式（3）中，m表示波束号，n表示ping号， 表示第n ping第m号波束水深值，表示测深相应的反算值，根据测深点位置由高精度地形图反算得到，反算时需要考虑换能器吃水；
[0117] 外符合精度动态航行测试
[0118] 换能器放置方向，分为垂直放置和水平放置两种，导航用的GPS天线与多波束测深系统换能器中心应处于同一垂直面上，针对两种放置方式逐一进行以下操作，[0119] 首先检验多波束测深系统在不同深度和不同航速下工作是否正常，测深开始前，先测量声速，编辑好声速文件后输入到多波束测深系统中，
[0120] 启动多波束测深系统，稳定5分钟后，分别以2海里/小时、4海里/小时、6海里/小时的航速启动运动平台，各测量2次，共得到6次固定测线的测深剖面，以地形图反算值为基准，去掉测线首尾不重叠部分，计算每次测量值相对基准水深值的误差，测点采用线性内插方法对齐，水深比对限差应在2倍测深中误差以内，计算测深标准偏差，并记录水深比对差值超限的个数，
[0121] 测深标准偏差的计算公式如下：
[0122]
[0123] 式（4）中，m表示波束号，n表示ping号， 表示第n ping第m号波束水深值，表示测深反算值，根据测深点位置由高精度已知地形图反算得到，反算时需要考虑换能器吃水。
[0124] 进一步，多波束测深系统检测方法，还包括声源级检测，
[0125] 首先保持标准水听器在发射器的声轴方向上，而且两者要在同一深度上，利用标准水听器接收脉冲声信号，声信号经放大、滤波后送数字示波器，数字示波器根据同步触发信号和时延对接收脉冲声信号进行显示、处理，并测量其声压值，根据测得的声压值计算水声场的电压值，
[0126] 由声源级的定义式计算得到发射器的声源级；
[0127] SL=20lgU-20lgM0+20lgd+120 （5）
[0128] 式（5）中，SL为声源级，单位dB，基准值为1μPa·m，U为标准水听器的开路电压，M0为标准水听器的接收灵敏度，单位为V/Pa；d为待测发射器和标准水听器声中心之间的距离。
[0129] 进一步，多波束测深系统检测方法，还包括波束角检测，
[0130] 首先将被测换能器装在旋转轴上，使其有效声中心位于旋转轴上，[0131] 将发射器9和接收水听器10安放于水面下同一深度，并保证一定的测试距离15，图2和图3中发射器9的激励电压11，接收水听器10的开路电压12，水平角13及垂直角14。
[0132] 在垂直角为0°的情况下，旋转改变水平角13，得到不同水平角所对应的开路电压12，再由记录仪直接记录指向性图案或计算机自动处理测量数据并绘出发射器的水平指向性图案；
[0133] 在水平角为0°的情况下，旋转改变垂直角14，得到不同垂直角所对应的开路电压12，再由记录仪直接记录指向性图案或计算机自动处理测量数据并绘出发射器的垂直指向性图案；
[0134] 根据指向性图案，可以得出给定频率下、含有主轴且角偏向损失指定值为3dB所对应的两个方向的夹角，即为被检测换能器的波束角。
[0135] 进一步，多波束测深系统检测方法，还包括分辨力与扫宽能力检测[0136] 分辨力与扫宽能力与水底底质、海洋环境有关，本发明采用固定距离、固定海底底质情况下建立实验室标准分辨力对照表，再通过重复测量评价被检测仪器的此项指标。
[0137] 测试工作在一个大型消声水池进行，并在水池底分段铺设厚度连续变化的淤泥16、细沙17、粗沙18、卵石19，包括硬底20，通过水面的声波发射与接收，来测量不同沉积物类型对分辨力的影响，测量方法按纵向与横向两个方向进行，点距为10cm，图5中有五条横向测线22和三条纵向测线22。
[0138] 进一步，多波束测深系统检测方法，还包括波束间距的检测，
[0139] 首先对换能器的安装误差进行校正，其中包括横摇校准、导航延迟校准和艏向校准，
[0140] 横摇校准的具体方法为：
[0141] 在消声水池平坦地形处，布置1至3条平行的往返测线，且各测线间距应保证相邻测幅有50%~70%的重叠，来回航迹须相同，
[0142] 采用相同速度沿测线往返测量，将所有波束沿航线方向进行垂直正投影，此时由横摇安装的误差导致投影图上两次地形图出现交角，调整横摇参数使得交角为0°，记录此时的横摇参数并在观测时进行改正，在平坦水底的相对方向的测量，会产生2倍横摇误差的影响。将水深数据投影到沿测线垂直方向上，横摇偏差可通过往返左舷和右舷的水深差与波束侧向距计算得到，见公式（6），横摇参数校准如图6所示。
[0143] 横摇偏差DR（单位：度）可用下式计算：
[0144]
[0145] 式（6）中，Da为在垂直航迹方向的距离，单位：m；DZ为往返方向上测量的水深差，单位：米。
[0146] 导航延迟校准的具体方法如下：
[0147] 选择消声水池一处斜坡或具有人工目标的区域，布置一条测线，
[0148] 沿测线相同方向不同速度测量两组测深数据，尽量选择让中心波束穿越目标以及以高速测量，导航延迟校准示意图如图7所示。
[0149] 导航延迟的计算公式如下：
[0150]
[0151] 式（7）中，Da（单位：米）为两次测量的斜坡或特征点沿航迹方向的偏移量，VH（单位：m/s）为平台高速运行时的速度，VL为平台低速运行的速度（单位：m/s）。
[0152] 艏偏校准的具体方法如下：
[0153] 在消声水池选择一处具有人工目标的区域，沿孤立点两边布设两平行线，要求孤立点位于两测线中间，同时测线要求具有大约50%的覆盖率，
[0154] 测量出孤立点在两次测量的位移及孤立点到测线距离即可计算出艏向偏差，艏向偏差校准示意图如图8所示。
[0155] 艏向偏差的计算公式如下：
[0156]
[0157] 式（8）中，Da（单位m）为两次测量特征目标之间的距离，DL（单位m）为测线在池底水平面的投影到特征目标的距离。
[0158] 经过上述参数校正后，如图9，根据两个相邻波束脚印48在平面海底的绝对坐标（即波束脚印中心点的坐标）可反算出波束间距49，其中47表示各波束的最大反响轴。
[0159] 按照上述技术方案，对SeaBeam 1180多波束测深仪进行检测的结果为：波束角为1.5°×1.5°，波束间距为1.25°，扫宽能力为153°，分辨力为1cm，声源级为220dB，并且在小于40m的深度范围内得到的测深不准确度为0.021m，符合IHO标准，结果表明：对测深不准确度、声源级、波束角、扫宽能力、分辨力和波束间距六项指标的检测结果均符合该仪器技术精度要求。
[0160] 当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，
本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
