CN107703501A - 一种校准多波束声呐测深和分辨率的装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种校准多波束声呐测深和分辨率的装置。包括基架、标准反射体、探照灯、摄录设备、深度移动机构、水平移动机构，基架底部由中空圆形管制成，基架侧面由中空方形管制成，管表面敷设声学覆盖层和尖劈，基架顶部由中空方形管制成，基架顶部的两侧有龙骨，龙骨外侧有支撑调节机构，标准反射体由立方体钢箱、钢板和底质目标箱组成，探照灯安装在基架侧面，摄录设备可随水平移动机构进行运动，深度移动机构安装在水平移动机构内，水平移动机构可带动多波束声呐进行上下和前后扫描，整个装置放置在消声水池中，在良好的消声环境中，利用光学成像的结果去标定多波束声呐的测深和分辨率能力，为多波束声呐的实际使用提供一张“合格证”。

Description

一种校准多波束声呐测深和分辨率的装置

技术领域

本发明涉及的是一种校准多波束声呐测深和分辨率的装置，具体地说是一种在实验室中校准多波束声呐测深和分辨率的装置。

背景技术

多波束声呐是为实现海底地形地貌的宽覆盖、高分辨率探测而产生的，广泛应用于海洋工程测量、海底资源与环境调查以及海底目标勘测等领域，现在已成为海洋勘测不可或缺的首选科学设备之一。由于海底真实深度的未知性和不可视性，无论多波束声呐采用哪种算法，都只能获得某种准则下对海底“真实”深度的估计，近年来，人们尝试从不确定度的角度间接评估测深结果的可信性，并将诸多不确定因素导致的联合不确定度概念引入到多波束测深结果的评估中，如IHO海道测量规范第五版(IHOS-44，2008)规定了不同水域中的平面精度(95％置信度)、测深精度(95％置信度)、100％海底扫测、系统探测能力等各项指标。依据该测量规范，国家交通运输部也制定了多波束测深系统测量技术要求的标准(JT/T790-2010)。在这些测量规范及标准中，均给出的是多波束声呐测深和分辨率需要满足的精度指标，尚未涉及如何对多波束声呐的测深能力和分辨率能力进行计量校准。

“Sonic2024多波束系统在港池航道测量中的应用”(刘海宝，港工技术，2017)介绍了Sonic2024电子多波束系统的工作原理、技术参数，以及其在港池航道测量中的具体操作流程，他采用相邻条带重叠比对，校核Sonic2024电子多波束系统的测深和分辨率能力，尚未涉及对多波束声呐测深能力和分辨率能力进行计量校准。

公开号为CN102109495A的专利文件中公开的“基于多波束声纳技术的海底混合底质类型分类方法”中，提出了基于多波束声纳系统获取的反向散射强度数据，结合海底地质取样获取的真实海底沉积物样品数据，以神经网络分类方法，实现海底混合底质类型的分类和识别，尚未涉及对多波束声呐测深能力和分辨率能力进行计量校准。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可现场快速评价多波束声呐的分辨能力，能够在实验室中计量校准多波束声呐的深度和分辨率能力的校准多波束声呐测深和分辨率的装置。

本发明的目的是这样实现的：

包括基架、标准反射体、探照灯、摄录设备、深度移动机构和水平移动机构，基架底部由中空圆形管制成，圆形管的表面敷设声学覆盖层和尖劈，基架侧面由中空方形管制成，空方管的表面敷设声学覆盖层和尖劈，基架顶部由中空方形管制成，在基架顶部的两侧有中空方形管制成的龙骨，龙骨的外侧有支撑调节机构，标准反射体包括不同大小的立方体钢箱、钢板和底质目标箱，探照灯安装在基架的侧面，摄录设备安装在水平移动机构上并随水平移动机构进行运动，深度移动机构安装在水平移动机构内，多波束声呐安装在深度移动机构上，水平移动机构带动多波束声呐进行上下和前后扫描。

本发明还可以包括：

1、基架底部的中空圆形管和中空方形管外表面贴敷的声学覆盖层的厚度为多波束声呐工作频率的最低下限频率所对应波长的1/2，尖劈结构呈圆锥形，圆锥的高度为多波束声呐工作频率的最低下限频率所对应波长的1/4，圆锥的高度与底面直径相等。

2、标准反射体中的立方体钢箱的上部为空气隔层，侧面和底面开孔。

3、标准反射体中的底质目标箱为长方体，上面开口，在箱边上部设置由纤维布制成的刷毛翼。

本发明的在实验室中校准多波束声呐测深和分辨率的装置放置在消声水池里。深度移动机构的距离精度需经激光测距仪进行标定。

本发明的有益之处：首先，基架底部由中空圆形管制成，圆形管对高频声波的散射能力较强，加上管外表面敷设声学覆盖层和尖劈结构，能够很好地吸收多波束声呐在探测过程入射至基架底部的声波反射回波，基架底部和侧面的中空方形管外表面也贴敷声学覆盖层和尖劈结构，能够很好地吸收多波束声呐其余角度波束发射声波的反射回波，仿佛基架的底部“不存在”，这为计量校准多波束声呐提供了一个理想的工作环境；其次，该装置水下部分全部为框架结构，除基架的反射声波被特制的声学覆盖层和吸声尖劈吸收掉外，多波束声呐其余角度发射的声波束均能够很好地传播至消声水池的底部和侧部，被消声水池铺设的尖劈吸收掉，减少了多波束声呐在使用过程中产生的“隧道效应”和“折射效应”，而且消声水池内的水均为常温，不必考虑声速校正问题，从而能够准确地校正多波束声呐；再次，采用激光测距仪校准多波束声呐的测深能力，精度范围为0.1mm～1mm，该深度精度远远高于国际上知名品牌(例如EM1002S、GeoSwath、SeaBeam3050、FanSweep20、Seabat7125)，以及国内科研院所研制的多波束声呐的测深精度，实现对多波束声呐的测深能力进行计量校准；最后，标准反射体中的立方体钢箱，上部为空气，组成水-钢-空气的声学绝对软界面，由于特性阻抗的巨大差异，使得入射声波的反射波非常强，提高了多波束声呐在分辨率校准时的信噪比；

本发明的有益之处还在于：首先，采用摄录设备对基架上的目标进行实时成像，利用光学成像的样本作为考核多波束声呐分辨率能力的基准，由于光波的波长短，方向性好，其光学成像的分辨率要远大于声学成像的分辨率，而且利用探照灯、摄录设备使基架上的目标成像，肉眼可见，提供了视觉可见、目标可知的样本，并可现场快速评价多波束声呐的分辨能力；其次，在基架的底质目标箱内放置泥质、沙质等样本，使得可以在实验室内考核多波束声呐的底质目标分辨能力，底质目标箱周边有纤维布制成的刷毛翼，能够对底质目标箱在下沉过程中产生的水流湍流进行扰流、破碎，尽最大可能地减少下沉过程中产生的湍流对底质目标箱内的泥质、沙质等样本表面的破坏程度，使得底质目标样本在水面的可视效果与水下基本相同，从而为多波束声呐的底质目标分辨能力校验提供视觉证据；最后，该装置使得能够在实验室中计量校准多波束声呐的深度和分辨率能力，各种误差因素可控，大大减少了外场试验的经济消耗和其它风险，具有极高的经济价值。

附图说明

图1为校准多波束声呐测深和分辨率的装置的整体框图；

图2为基架中的圆管敷设声学覆盖层的示意图；

图3为标准反射体中底质目标箱的示意图。

具体实施方式

下面举例对本发明做更详细的描述。

本发明的在实验室中校准多波束声呐测深和分辨率的装置包括基架、标准反射体、探照灯、摄录设备4、深度移动机构5、水平移动机构、多波束声呐7和消声水池。

基架是由中空圆形管11、中空圆形管12、中空圆形管13、中空圆形管14、中空圆形管15、中空圆形管16、中空圆形管17、中空圆形管18、中空圆形管19组成底面支撑结构，中空圆形管11、中空圆形管12、中空圆形管13、中空圆形管14、中空圆形管15、中空圆形管16、中空圆形管17、中空圆形管18和中空圆形管19的外表面均敷设声学覆盖层1200，声学覆盖层1200的表面有圆锥形的尖劈1201，中空圆形管11的两端利用螺母锁紧的方式固定在中空方形管120和中空方形管121之间，中空圆形管12的两端利用螺母锁紧的方式固定在中空方形管120和中空方形管121之间，中空圆形管13的两端利用螺母锁紧的方式固定在中空方形管120和中空方形管121之间，中空圆形管14的两端利用螺母锁紧的方式固定在中空方形管120和中空方形管121之间，中空圆形管15的两端利用螺母锁紧的方式固定在中空方形管120和中空方形管121之间，中空圆形管16的两端利用螺母锁紧的方式固定在中空方形管120和中空方形管121之间，中空圆形管17的两端利用螺母锁紧的方式固定在中空方形管120和中空方形管121之间，中空圆形管18的两端利用螺母锁紧的方式固定在中空方形管120和中空方形管121之间，中空圆形管19的两端利用螺母锁紧的方式固定在中空方形管120和中空方形管121之间，至此，组成了基架的底面部分；中空方形管120的两端采用法兰连接的方式与中空方形管122的一端、中空方形管123的一端固定在一起，中空方形管121的两端采用法兰连接的方式与中空方形管124的一端、中空方形管125的一端固定在一起，至此，组成了基架的侧面部分；中空方形管122的另一端采用法兰连接的方式与中空方形管127的一端与中空方形管128的一端固定在一起，中空方形管123的另一端采用法兰连接的方式与中空方形管126的一端与中空方形管127的一端固定在一起，中空方形管124的另一端采用法兰连接的方式与中空方形管126的一端与中空方形管129的一端固定在一起，中空方形管125的另一端采用法兰连接的方式与中空方形管128的一端与中空方形管129的一端固定在一起，至此，组成了基架的框架结构；中空方形管126采用法兰与龙骨130连接在一起，龙骨130采用法兰与高度调节机构131、高度调节机构132固定在一起，中空方形管128采用法兰与龙骨133连接在一起，龙骨133采用法兰与高度调节机构134、高度调节机构135固定在一起，此时基架就组装完毕。

标准反射体由立方体钢箱21、底质目标箱22和钢板组成，立方体钢箱21、底质目标箱22和钢板布置于基架的底面。其中，立方体钢箱21的顶部为双层钢板分割形成的空气隔层，空气隔层的储浮力加上立方体钢箱21自身的浮力略小于立方体钢箱21的重力，在空气隔层的下部开设通孔，用于进水和放水，在立方体钢箱21的底部有通孔，采用“U”型螺栓和螺母将立方体钢箱21固定在基架底面的中空圆形管上，按照多波束声呐的分辨能力要求，本实施例中放置了边长分别为1.0、0.8、0.4、0.2、0.1(m)，共五个不同大小的立方体钢箱；底质目标箱22为长方体构造，无顶盖，在箱的周边安装纤维布制成的大小不等的刷毛翼，内部填充沙质、泥质等样本，底质目标箱22的底部有通孔，利用“U”型螺栓和螺母将底质目标箱22固定在基架底面的中空圆形管上；钢板为长方体，在四周有通孔，利用“U”型螺栓和螺母将钢板固定在基架底面的中空圆形管上。

探照灯由探照灯31、探照灯32、探照灯33和探照灯34组成，利用螺栓和螺母分别固定在基架的中空方形管122、中空方形管123、中空方形管124、中空方形管125上。

摄录设备4采用直杆连接方式固定在水平移动机构上，位于多波束声呐7之后，摄录设备4的前端安置防水罩。

深度移动机构5为蜗轮蜗杆制成的可上下移动的机构，在深度移动机构5的下端安装多波束声呐7，通过转动深度移动机构5中的手柄，实现多波束声呐7的上下运动；在深度移动机构5的侧面安装有标尺，用于标记多波束声呐7上升或下降的距离；此标尺的精度经激光测距仪进行标定，激光测距仪精度值可达0.1mm；在此实施例中标尺的最小刻度为0.5mm，即精度为0.5mm；

水平移动机构由蜗轮蜗杆组成的水平运动机构61和导轨62组成，深度移动机构5安装在水平移动机构内，通过转动导轨62中的手柄，可使得水平运动机构61进行水平运动，从而带动多波束声呐7和摄录设备4进行水下直线扫描，完成多波束声呐7的分辨率校准；

多波束声呐7工作频率200kHz，测深分辨率6mm，最大频率50Hz，发射波束宽度2.2°，接收波束宽度1.1°；

整个装置放置在消声水池中，消声水池水池长度25m，宽15m，深度10m，下限消声频率为2kHz，能够很好地吸收多波束声呐7非校准波束之外的声波回波；声学覆盖层1200和尖劈1201的参数：杨氏模量为4×10⁷，泊松比为0.497，密度是1060kg/m³，经测试声学覆盖层和尖劈的反射系数为0.07，其吸收系数为0.95，能够很好地吸收基架1底面上中空圆形管、中空方形管产生的反射回波；这些声学设计，使得多波束声呐7工作在一个无限的声学自由场空间中，从而使得校准结果准确可信；

校准过程如下：将多波束声呐7安装在深度移动机构5的下端，先让多波束声呐7探测标准反射体2中钢板23的深度H₁，然后由深度移动机构5将多波束声呐7下降一段距离L，此时多波束声呐7探测标准反射体中钢板23的深度H₂，则H₁-H₂为多波束声呐7的深度探测能力，跟距离L相比，即可标定多波束声呐7的测深能力；利用水平移动机构将多波束声呐7进行水平扫描，观察其对标准反射体中立方体钢箱21的分辨能力，当其成像为某个边长(例如，0.8m)的铁块时，此多波束声呐7的分辨能力为此边长的立方体铁块；在标准反射体中的底质目标箱22内放置砂质、泥质等样本，打开探照灯、摄录设备4，将多波束声呐7的成像结果与摄录设备4的成像结果进行比较，即可校核多波束声呐7的底质目标分辨能力。

Claims (5)

1.一种校准多波束声呐测深和分辨率的装置，包括基架、标准反射体、探照灯、摄录设备、深度移动机构和水平移动机构，其特征是：基架底部由中空圆形管制成，圆形管的表面敷设声学覆盖层和尖劈，基架侧面由中空方形管制成，空方管的表面敷设声学覆盖层和尖劈，基架顶部由中空方形管制成，在基架顶部的两侧有中空方形管制成的龙骨，龙骨的外侧有支撑调节机构，标准反射体包括不同大小的立方体钢箱、钢板和底质目标箱，探照灯安装在基架的侧面，摄录设备安装在水平移动机构上并随水平移动机构进行运动，深度移动机构安装在水平移动机构内，多波束声呐安装在深度移动机构上，水平移动机构带动多波束声呐进行上下和前后扫描。

2.根据权利要求1所述的校准多波束声呐测深和分辨率的装置，其特征是：基架底部的中空圆形管和中空方形管外表面贴敷的声学覆盖层的厚度为多波束声呐工作频率的最低下限频率所对应波长的1/2，尖劈结构呈圆锥形，圆锥的高度为多波束声呐工作频率的最低下限频率所对应波长的1/4，圆锥的高度与底面直径相等。

3.根据权利要求1或2所述的校准多波束声呐测深和分辨率的装置，其特征是：标准反射体中的立方体钢箱的上部为空气隔层，侧面和底面开孔。

4.根据权利要求1或2所述的校准多波束声呐测深和分辨率的装置，其特征是：标准反射体中的底质目标箱为长方体，上面开口，在箱边上部设置由纤维布制成的刷毛翼。

5.根据权利要求3所述的校准多波束声呐测深和分辨率的装置，其特征是：标准反射体中的底质目标箱为长方体，上面开口，在箱边上部设置由纤维布制成的刷毛翼。