CN109031256B - 多波束测深仪测深与扫宽性能校准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多波束测深仪测深与扫宽性能校准方法，采用全站型电子速测仪作为计量标准器，全站型电子速测仪测量值作为约定真值，全站型电子速测仪置于所述试验水池一侧控制点上，所述试验水池边壁作为标准反射板，多维运行控制机构设置在试验水池上，待检多波束测深仪安装于所述多维运行控制机构上，通过多波束测深仪测量值与约定真值的比对，获得多波束测深仪测深与扫宽参数的校准结果。本发明的有益效果：水下横向测距代替纵向测深，通过调整换能器基阵发射水平扇面垂直于水池短边壁，可实现175m范围的全量程测深性能校准，通过调整换能器基阵发射水平扇面垂直于水池长边壁，可实现16m水深条件下全幅扫宽性能校准，能够满足港口航道、水运工程、近岸沿海等浅水领域多波束测深仪的深度与扫宽校准要求。
Description
技术领域
本发明属于水下测绘仪器计量技术领域，尤其涉及多波束测深仪测深与扫宽性能校准准装置及方法。
背景技术
多波束测深仪以其条带全覆盖高效测深的独特优势，成为水下地形测量的主流声呐设备。测深性能校准是保障多波束测深仪测深量值溯源性能准确可靠的主要手段。
目前我国能开展多波束测深仪测深性能计量校准的实验室屈指可数，这主要是因为多波束测深仪校准需要大型试验水池的支撑，由于受限于水池尺寸，校准范围一般不会超过50m，远不能满足浅水型多波束测深仪的校准需求。因此多波束测深仪测深不确定度评估主要在海上特定测区进行，通过测量相交测线，利用重叠区域测点比对或者引入更高精度等级测量方式进行内符合或外符合评估。扫幅宽度是指多波束测深仪扇面所能达到的一定覆盖范围，可以用宽深比来表示，还可用扇区开角表示，由于作业环境复杂，难以在海上直接校准。扫宽是衡量多波束测深仪性能的主要指标，但是仪器的实际性能与厂家标称指标往往存在差异，需要进行科学的校验。声呐换能器的频率、脉宽、声源级、波束宽度等基本声学参数对多波束测深仪测深与扫宽性能具有内在规律，这对于生产者来讲是至关重要的。但是从使用者角度来讲，更关心的是最终输出量值的质量，比如说测深准确度和扫宽内的有效水深点。潮汐、涌浪、剖面声速、海底起伏地形等环境影响因素，给自校或比测结果引入较大误差，多波束测深仪的测量可信度难以保证。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种多波束测深仪测深与扫宽性能校准方法，基于试验水池和多维运行控制机构，实现多波束测深仪基阵在水下升降、回转、水平位移等多维度状态控制，采用全站型电子速测仪(简称全站型电子速测仪)作为主标准器，其测量值作为约定真值，通过被测量与约定真值的比对，获得多波束测深仪测深与扫宽参数的结果。
本发明的技术方案：一种多波束测深仪测深与扫宽性能校准方法，其特征在于，采用全站型电子速测仪作为计量标准器，全站型电子速测仪测量值作为约定真值，全站型电子速测仪置于所述试验水池一侧控制点上，多维运行控制机构设置在试验水池上，所述试验水池边壁作为标准反射板，通过多波束测深仪测量值与约定真值的比对，获得多波束测深仪测深与扫宽参数的校准结果。
进一步地，所述多维运行控制机构为实现升降、回转、水平移位多自由度控制的结构。
进一步地，包括以下步骤：
步骤一：测深校准，在所述多维运行控制机构的控制下，待检多波束测深仪基阵中央波束声轴线调整至与所述试验水池的短边壁垂直，以所述试验水池短边壁为标准反射板，由水下横向测距代替纵向测深，将待检多波束测深仪和所述全站型电子速测仪对所述试验水池短边壁测距结果进行比对，获得校准结果；
步骤二：扫宽校准，在所述多维运行控制机构控制下，待检多波束测深仪基阵中央波束声轴线调整至与所述试验水池的长边壁垂直，以所述试验水池长边壁为标准反射板，将所述全站型电子速测仪对所述试验水池长边壁测距结果作为标准水深值，解析待检多波束测深仪的水深数据包得到每条波束水深值和斜距,将每条波束水深值与所述全站型电子速测仪测量的标准水深值比并对剔除水深异常值,计算待检多波束测深仪在该校准深度下测量的宽深比。
进一步地，所述步骤一中：测深校准，在所述多维运行控制机构的控制下，待检多波束测深仪基阵中央波束声轴线调整至与所述试验水池的短边壁垂直，以所述试验水池短边壁为标准反射板，由水下横向测距代替纵向测深，将待检多波束测深仪和所述全站型电子速测仪对所述试验水池短边壁测距结果进行比对，获得校准结果，具体包括以下步骤：
步骤A：待检多波束测深仪安装在多维运行控制机构上，通过多维运行控制机构将待检多波束测深仪放置于水下，调节待检多波束测深仪换能器基阵发射面正对试验水池短边壁，将所述试验水池短边壁作为标准反射面，通过水下横向测距代替测深；
步骤B：使声速剖面仪测量与待检多波束测深仪换能器同水层处声速，将声速剖面仪测量值作为标准声速值输入到多波束测深仪；
步骤C：在所述试验水池近岸选择合适控制点设站，使用所述全站型电子速测仪放样一条直线，直线垂直于所述试验水池短边壁平面，在直线上选取一点作为所述全站型电子速测仪测量的后视点；
步骤D：所述全站型电子速测仪测量控制点与标准反射面的水平距离L0，所述全站型电子速测仪测量控制点与多波束换能器基阵面水平距离Lp，两个距离和Ls＝L0+Lp为水下横向测距，水下横向测距作为待检多波束测深仪的测深标准值；
步骤E：采集待检多波束测深仪在标准反射面内的波束区的测深示值lj，按狄克逊准则剔除水深异常值。
步骤F：对待检多波束测深仪示值误差进行评定，各波束号测深示值与标准深度值作差，计算示值误差Δlj，标准偏差σj：
Δlj＝lij-Ls (1)
式中，i表示ping号，j表示波束号，lij表示第i ping第j号波束的水深值，
表示多波束测深仪进行n ping测量，第j号波束的平均水深值；
进一步地，所述步骤二中：扫宽校准，在所述多维运行控制机构控制下，待检多波束测深仪基阵中央波束声轴线调整至与所述试验水池的长边壁垂直，以所述试验水池长边壁为标准反射板，将所述全站型电子速测仪对所述试验水池长边壁测距结果作为标准水深值，解析待检多波束测深仪的水深数据包得到每条波束水深值和斜距,将每条波束水深值与所述全站型电子速测仪测量的标准水深值比并对剔除水深异常值,计算待检多波束测深仪在该校准深度下测量的宽深比，将测量得到的待检多波束测深仪的有效扇区开角/宽深比与出厂检验报告中数据进行比对，获得校准结果，具体包括以下步骤：
步骤a：通过所述多维运行控制机构将待检多波束测深仪换能器基阵发射面正对所述试验水池长边壁；
步骤b：使用声速剖面仪测量与待检多波束测深仪换能器同水层处声速，将声速剖面仪测量值作为标准声速值输入到多波束测深仪；
步骤c：使用所述全站型电子速测仪测量待检多波束测深仪换能器基阵发射面至所述试验水池长边壁的水平距离，即标准水深值。
步骤d：解析待检多波束测深仪的水深数据包，计算得到每条波束水深值和斜距。
步骤e：将每条波束水深值与所述全站型电子速测仪测量的标准水深值比对，按狄克逊准则剔除水深异常值。
步骤f：根据步骤一中步骤F对待检多波束测深仪示值误差进行评定，确定符合要求的边缘波束，包括左侧和右侧两个边缘波束号，两个边缘波束之间的夹角即为待检多波束测深仪在该校准深度下的有效扇区开角。
步骤g：根据两个边缘波束的斜距和待检多波束测深仪换能器基阵的位置，使用所述全站型电子速测仪在水池长边反射壁内对两个边缘波束脚印点进行放样，测量两个波束脚印点的水平距离，与标准水深值相除，获得待检多波束测深仪在该校准深度下测量的宽深比。
进一步地，所述试验水池为封闭长方体水池，长度不小于180m，宽度不小于20m深度不小于8m。
进一步地，所述步骤A中所述试验水池短边壁作为标准反射面需满足2cm/20m的平整度要求。
进一步地，所述步骤A中通过多维运行控制机构将待检多波束测深仪放置于水下具体为水下4m、离岸4m处。
进一步地，所述步骤d中解析待检多波束测深仪格式数据中的水深数据包，计算得到每条波束水深值和斜距具体过程如下：解析待检多波束测深仪XTF格式数据中的水深数据包,获得波束个数、每条波束的往返旅行时、每条波束相对于中央波束的开角，根据每条波束开角、旅行时和标准声速值计算得到每条波束水深值和斜距。
本发明有益效果是：基于大型试验水池，充分分析不确定度来源，评定标准不确定度分量，给出扩展不确定度。大型试验水池为规则的封闭长方体，长180m，宽20m，深8m，有效避免池内潮位、风浪、水流等影响，是优良的多波束测深仪校准场地，多维运行控制机构可将多波束测深仪换能器探离池边4m，置于水下4m，通过调整换能器基阵发射水平扇面垂直于水池短边壁，可实现175m范围的全量程测深性能校准，通过调整换能器基阵发射水平扇面垂直于水池长边壁，可实现16m水深条件下全幅扫宽性能校准。能够满足港口航道、水运工程、近岸沿海等浅水领域多波束测深仪的深度与扫宽校准要求。
附图说明
图1是本发明中水深校准原理示意图(俯视图)；
图2是本发明中扫宽校准原理示意图(俯视图)；
图3是本发明实施例1的伸展状态(工作状态)的结构示意图；
图4是图3的俯视图；
图5是本发明实施例1的伸展状态(工作状态)的结构示意图；
图6是本发明实施例1的伸展状态(工作状态)升降套筒下降的结构示意图；
图7是本发明实施例2的转接法兰盘部分的结构示意图；
图8是图7的左视图。
图中，1.待检多波束测深仪，2.中央波束声轴线，3.短边反射壁，4.试验水池，5.多维运行控制机构,5-1.手动摇杆，5-2.水平杆折叠转轴，5-3.钢丝绳，5-4.定滑轮，5-5.升降杆转轴，5-6.升降套筒，5-7.法兰盘，5-8.车轮，5-9.操作台，5-10.平行双导轨，5-11.操作台大转轴，5-12.指示标尺，5-13.固定销栓，5-14.水平杆，5-15.水平位移部分，5-16.回转部分，5-17.升降部分，5-18.转接法兰盘部分，5-19.固定架，5-20.套筒端法兰盘，5-21.竖向法兰盘，5-22基阵端法兰盘，5-23.整平顶丝，5-24.上竖向法兰盘，5-25.下竖向法兰盘，5-26.法兰盘转轴，5-27.第一上竖向法兰盘，5-28.第二上竖向法兰盘，5-29.固定角度穿孔，5-30.销栓，5-31.待检多波束测深仪，6.全站型电子速测仪测量控制点与待检多波束测深仪换能器基阵面水平距离，7.待检多波束测深仪换能器水平角，8.全站型电子速测仪测量控制点，9.反射面点水平角，10.全站型电子速测仪测量控制点与标准反射面的水平距离，11.后视点，12.反射面点水平面内斜距，13.换能器水平面内斜距，21.1号边缘波束，22.扇区左侧有效边缘波束，23.垂点，24.扇区右侧有效边缘波束，25.240号边缘波束，26.长边反射壁，27.待检多波束测深仪换能器基阵，28.扫宽校准全站型电子速测仪控制点
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做出说明。
本发明涉及一种多波束测深仪测深与扫宽性能校准方法，其特征在于，采用全站型电子速测仪作为计量标准器，全站型电子速测仪测量值作为约定真值，全站型电子速测仪置于试验水池一侧控制点上，多维运行控制机构设置在试验水池上，试验水池边壁作为标准反射板，通过多波束测深仪测量值与约定真值的比对，获得多波束测深仪测深与扫宽参数的校准结果。全站型电子速测仪采用经校准的全站型电子速测仪，本申请中其他仪器也均采用经校准的仪器。
全站型电子速测仪是将电磁波测距装置、光电测角装置和电子计算机的微处理器结合在一起，能完成测距、测角，通常还具有利用内存软件计算平距、高差和坐标等功能，并能记录、存贮和输出测量数据和计算成果的测绘仪器。
具有速度快、精度高、功能强和自动化程度高等优点，适于作为计量标准器。
多维运行控制机构为实现升降、回转、水平移位多自由度控制的结构。
多维运行控制机构，包括水平位移部分5-15、回转部分5-16、升降部分5-17和转接法兰盘部分5-18，回转部分5-16设置水平位移部分5-15上，升降部分5-17一端与回转部分5-16连接，升降部分5-17包括升降套筒5-6，升降套筒5-6包括多个依次套接的套筒，内层套筒下端与转接法兰盘部分5-18连接。设计合理，通过回转部分5-16、升降部分5-17实现待检多波束测深仪基阵在水下升降、回转、水平位移等多维状态控制，获得多波束测深仪测深参数的修正值，以保障其测深量值的准确可靠。
转接法兰盘部分5-18包括套筒端法兰盘5-20、竖向法兰盘5-21和基阵端法兰盘5-22，套筒端法兰盘5-20与内层套筒下端法兰盘5-7连接，竖向法兰盘5-21连接套筒端法兰盘5-20和基阵端法兰盘5-21。
套筒端法兰盘5-20与内层套筒下端法兰盘5-7通过整平顶丝5-23连接，竖向法兰盘5-21包括上竖向法兰盘5-24和下竖向法兰盘5-25，上竖向法兰盘和5-24下竖向法兰盘5-25通过法兰盘转轴转5-26动连接。
上竖向法兰盘5-24包括对称设置的第一上竖向法兰盘5-27和第二上竖向法兰盘5-28，第一上竖向法兰盘5-27和第二上竖向法兰盘5-28上设置多个固定角度穿孔5-29，第一上竖向法兰盘5-27和第二上竖向法兰盘5-28通过销栓5-30插入固定角度穿孔5-29固定，第一上竖向法兰盘5-27的多个固定角度穿孔和第二上竖向法兰盘5-28上设置多个固定角度穿孔错位设置。下竖向法兰盘5-25采用与上竖向法兰盘5-24相同结构，整平顶丝5-23用于对待检多波束测深仪基阵发射扇面进行水平微调，固定角度穿孔5-29和消栓5-30位于竖向法兰盘5-21上，消栓5-30贯穿相邻上竖向法兰盘5-24和下竖向法兰盘5-25的对应固定角度穿孔5-29，固定上竖向法兰盘5-24和下竖向法兰盘5-25相对位置，用于对待检多波束测深仪基阵发射扇面进行角度调整。上竖向法兰盘5-24和下竖向法兰盘5-25可以进行5-180°角度调整，上竖向法兰盘和5-24下竖向法兰盘5-25相邻固定角度穿孔对应圆心5-20°，调整上竖向法兰盘5-24和下竖向法兰盘5-25角度后通过销栓固定，第一上竖向法兰盘5-27和第二上竖向法兰盘5-28的固定角度穿孔5-29，对面错位设置，第一上竖向法兰盘5-27和第二上竖向法兰盘5-28的固定角度穿孔5-29配合使用，每次可调整最小角度为5-10°，调节多波束测深仪基阵发射扇面位置。
水平位移部分5-15包括操作台5-9和平行双导轨5-10；操作台5-9底端设置有车轮5-8，操作台5-9通过车轮5-8与平行双导轨5-10滑动连接。操作台5-9底端配有5-4个车轮5-8，车轮5-8与平行导轨5-10滑动接触，通过人力推动操作台5-9可实现带动整套装置沿平行双导轨5-10前进或后退，平行双导轨5-10行程5-85m。
回转部分5-16包括操作台大转轴5-11、水平杆5-14和升降杆转轴5-5，操作台大转轴5-11与水平位移部分5-15转动连接，水平杆5-14一端与操作台大转轴5-11连接；升降杆转轴5-5是回转部分5-16主要功能部件，位于升降部分5-17中上部，升降杆转轴5-5通过轴承与齿轮机械方式，实现升降部分5-17在水平面内的转动，升降杆转轴5-5上设置有编码器，转动角度由高分辨率编码器给出。
升降部分5-17还包括手动摇杆5-1、钢丝绳5-3、定滑轮5-4、固定架5-19；升降套筒5-6包括多个依次套接的套筒，升降套筒5-6配有固定钢卷尺，升降套筒5-6的内层套筒与钢丝绳5-3连接，升降套筒5-6的外层套筒与固定架5-19固定连接，手动摇杆5-1、定滑轮5-4、固定架5-19设置在水平杆5-14上，固定架5-19上也设置有定滑轮5-4，钢丝绳5-3通过手动摇杆5-1和定滑轮5-4架设在水平杆5-14上，通过手动摇杆5-1控制钢丝绳5-3收放，通过钢丝绳5-3收放实现控制与钢丝绳连接的升降套筒5-6的升降，钢丝绳5-3收放端手动摇杆附近设置指示标尺5-12，指示标尺5-12与钢丝绳5-3平行，可精确测量钢丝绳伸缩距即升降尺度；
还包括试验水池4，试验水池4为规则封闭长方体，试验水池的长不小于5-180m，宽不小于5-20m，深不小于5-8m。试验水池内潮位、风浪、水流等影响可忽略，是优良的多波束测深仪校准场地。
操作台大转轴5-11设置有扭力杆，方便通过扭力杆转动操作台大转轴5-11；升降杆转轴配有与其连接的力矩扳手和角度编码器。使用力矩扳手调节升降杆转轴5-5，升降杆转轴5-5通过轴承与齿轮机械方式，实现升降部分5-17在水平面内的转动，升降杆转轴5-5上设置有编码器，转动角度由高分辨率编码器给出。
水平杆5-14包括多个水平杆段，多个水平杆段通过水平杆折叠转轴5-2连接。实现水平杆伸展状态和折叠状态的转化。
水平杆折叠转轴5-2设置有配有固定销栓5-13，近手动摇杆5-1的水平杆5-14上设置指示标尺5-12，指示标尺5-12与钢丝绳5-3平行。可精确测量钢丝绳伸缩距即升降尺度。
一种多波束测深仪测深与扫宽性能校准方法,具体包括以下步骤：
步骤一：测深校准，在多维运行控制机构的控制下，待检多波束测深仪基阵中央波束声轴线调整至与试验水池的短边壁垂直，以试验水池短边壁为标准反射面，由水下横向测距代替纵向测深，将待检多波束测深仪和全站型电子速测仪对试验水池短边壁测距结果进行比对，获得校准结果；
步骤二：扫宽校准，在多维运行控制机构控制下，待检多波束测深仪基阵中央波束声轴线调整至与试验水池的长边壁垂直，以试验水池长边壁为标准反射板，将全站型电子速测仪对试验水池长边壁测距结果作为标准水深值，解析待检多波束测深仪的水深数据包得到每条波束水深值和斜距,将每条波束水深值与全站型电子速测仪测量的标准水深值比对并剔除水深异常值,计算待检多波束测深仪在该校准深度下测量的宽深比。
步骤一中：测深校准，在多维运行控制机构的控制下，待检多波束测深仪基阵中央波束声轴线调整至与试验水池的短边壁垂直，以试验水池短边壁为标准反射板，由水下横向测距代替纵向测深，将待检多波束测深仪和全站型电子速测仪对试验水池短边壁测距结果进行比对，获得校准结果，具体包括以下步骤：
步骤A：待检多波束测深仪安装在多维运行控制机构上，通过多维运行控制机构将待检多波束测深仪放置于水下4m、离岸4m处，调节待检多波束测深仪换能器基阵发射面正对试验水池短边壁，将试验水池短边壁作为标准反射面，通过水下横向测距代替测深；
步骤B：使声速剖面仪测量与待检多波束测深仪换能器同水层处声速，将声速剖面仪测量值作为标准声速值输入到多波束测深仪；
步骤C：在试验水池近岸选择合适控制点设站，使用全站型电子速测仪放样一条直线，直线垂直于试验水池短边壁平面，在直线上选取一点作为全站型电子速测仪测量的后视点；
步骤D：全站型电子速测仪测量控制点与标准反射面的水平距离L0，全站型电子速测仪测量控制点与多波束换能器基阵面水平距离Lp，两个距离和Ls＝L0+Lp为水下横向测距，水下横向测距作为待检多波束测深仪的测深标准值；
步骤E：采集待检多波束测深仪在标准反射面内的波束区的测深示值lj，按狄克逊准则剔除水深异常值。
步骤F：对待检多波束测深仪示值误差进行评定，各波束号测深示值与标准深度值作差，计算示值误差Δlj，标准偏差σj：
Δlj＝lij-Ls (1)
式中，i表示ping号，j表示波束号，lij表示第i ping第j号波束的水深值，
表示多波束测深仪进行n ping测量，第j号波束的平均水深值。
述步骤二中：扫宽校准，在多维运行控制机构控制下，待检多波束测深仪基阵中央波束声轴线调整至与试验水池的长边壁垂直，以试验水池长边壁为标准反射板，将全站型电子速测仪对试验水池长边壁测距结果作为标准水深值，解析待检多波束测深仪的水深数据包得到每条波束水深值和斜距,将每条波束水深值与全站型电子速测仪测量的标准水深值比并对剔除水深异常值,计算待检多波束测深仪在该校准深度下测量的宽深比，具体包括以下步骤：
步骤a：通过多维运行控制机构将待检多波束测深仪换能器基阵发射面正对试验水池长边壁，待检多波束测深仪置于水下4m、离岸4m处；
步骤b：使用声速剖面仪测量与待检多波束测深仪换能器同水层处声速，将声速剖面仪测量值作为标准声速值输入到多波束测深仪；
步骤c：使用全站型电子速测仪测量待检多波束测深仪换能器基阵发射面至试验水池长边壁的水平距离，即标准水深值。
步骤d：解析待检多波束测深仪的水深数据包，计算得到每条波束水深值和斜距。
步骤e：将每条波束水深值与全站型电子速测仪测量的标准水深值比对，按狄克逊准则剔除水深异常值。
步骤f：根据步骤一中步骤F对待检多波束测深仪示值误差进行评定，确定符合要求的边缘波束，包括左侧和右侧两个边缘波束号，两个边缘波束之间的夹角即为待检多波束测深仪在该校准深度下的有效扇区开角。
步骤g：根据两个边缘波束的斜距和待检多波束测深仪换能器基阵的位置，使用全站型电子速测仪在水池长边反射壁内对两个边缘波束脚印点进行放样，测量两个波束脚印点的水平距离，与标准水深值相除，获得待检多波束测深仪在该校准深度下测量的宽深比。
骤h：将测量得到的待检多波束测深仪的有效扇区开角/宽深比与出厂检验报告中数据进行比对，获得校准结果。
试验水池为封闭长方体水池，长度不小于180m，宽度不小于20m深度不小于8m，有效避免池内潮位、风浪、水流等影响。
步骤A中试验水池短边壁作为标准反射面需满足2cm/20m的平整度要求。
步骤A中通过多维运行控制机构将待检多波束测深仪放置于水下具体为水下4m、离岸4m处。减少边壁的影响。
步骤d中解析待检多波束测深仪格式数据中的水深数据包，计算得到每条波束水深值和斜距具体过程如下：解析待检多波束测深仪XTF格式数据中的水深数据包,获得波束个数、每条波束的往返旅行时、每条波束相对于中央波束的开角，根据每条波束开角、旅行时和标准声速值计算得到每条波束水深值和斜距。
实施例1
一种多波束测深仪测深与扫宽性能校准方法，其特征在于，采用全站型电子速测仪作为计量标准器，全站型电子速测仪测量值作为约定真值，全站型电子速测仪置于试验水池一侧控制点上，多维运行控制机构设置在试验水池上，试验水池为封闭长方体水池，长度不小于180m，宽度不小于20m深度不小于8m，多维运行控制机构为实现升降、回转、水平位移多自由度控制的结构，试验水池边壁作为标准反射板，通过多波束测深仪测量值与约定真值的比对，获得多波束测深仪测深与扫宽参数的校准结果，具体包括测深校准和扫宽校准两个步骤：
步骤一：测深校准，在多维运行控制机构的控制下，待检多波束测深仪基阵中央波束声轴线调整至与试验水池的短边壁垂直，以试验水池短边壁为标准反射面，标准反射面需满足2cm/20m的平整度要求，由水下横向测距代替纵向测深，将待检多波束测深仪和全站型电子速测仪对试验水池短边壁测距结果进行比对，获得校准结果，具体包括以下步骤：
步骤A：待检多波束测深仪安装在多维运行控制机构上，通过多维运行控制机构将待检多波束测深仪放置于水下，调节待检多波束测深仪换能器基阵发射面正对试验水池短边壁，将试验水池短边壁作为标准反射面，标准反射面需满足2cm/20m的平整度要求。
通过水下横向测距代替测深；
步骤B：使声速剖面仪测量与待检多波束测深仪换能器同水层处声速，将声速剖面仪测量值作为标准声速值输入到多波束测深仪；
步骤C：在试验水池近岸选择合适控制点设站，使用全站型电子速测仪放样一条直线，直线垂直于试验水池短边壁平面，在直线上选取一点作为全站型电子速测仪测量的后视点；
步骤D：全站型电子速测仪测量控制点与标准反射面的水平距离L0，全站型电子速测仪测量控制点与多波束换能器基阵面水平距离Lp，两个距离和Ls＝L0+Lp为水下横向测距，水下横向测距作为测深标准值；
步骤E：采集待检多波束测深仪在标准反射面内的波束区的测深示值lj，按狄克逊准则剔除水深异常值；
步骤F：对待检多波束测深仪示值误差进行评定，各波束号测深示值与标准深度值作差，计算示值误差Δlj，标准偏差σj：
Δlj＝lij-Ls (1)
式中，i表示ping号，j表示波束号，lij表示第i ping第j号波束的水深值，
表示多波束测深仪进行n ping测量，第j号波束的平均水深值。
步骤二：扫宽校准，在多维运行控制机构控制下，待检多波束测深仪基阵中央波束声轴线调整至与试验水池的长边壁垂直，以试验水池长边壁为标准反射板，将全站型电子速测仪对试验水池长边壁测距结果作为标准水深值，解析待检多波束测深仪的水深数据包得到每条波束水深值和斜距,将每条波束水深值与全站型电子速测仪测量的标准水深值比并对剔除水深异常值,计算待检多波束测深仪在该校准深度下测量的宽深比，将测量得到的待检多波束测深仪的有效扇区开角/宽深比与出厂检验报告中数据进行比对，获得校准结果，具体包括以下：
步骤a：通过多维运行控制机构将待检多波束测深仪换能器基阵发射面正对试验水池长边壁；
步骤b：使用声速剖面仪测量与待检多波束测深仪换能器同水层处声速，将声速剖面仪测量值作为标准声速值输入到多波束测深仪；
步骤c：使用全站型电子速测仪测量待检多波束测深仪换能器基阵发射面至试验水池长边壁的水平距离，即标准水深值。
步骤d：解析待检多波束测深仪格式数据中的水深数据包，计算得到每条波束水深值和斜距具体过程如下：解析待检多波束测深仪XTF格式数据中的水深数据包,获得波束个数、每条波束的往返旅行时、每条波束相对于中央波束的开角，根据每条波束开角、旅行时和标准声速值计算得到每条波束水深值和斜距。
步e：将每条波束水深值与全站型电子速测仪测量的标准水深值比对，按狄克逊准则剔除水深异常值。
步骤f：对待检多波束测深仪示值误差进行评定，确定符合规程要求的边缘波束，包括左侧和右侧两个边缘波束号，两个边缘波束之间的夹角即为待检多波束测深仪在该校准深度下的有效扇区开角。
步骤g：根据两个边缘波束的斜距和待检多波束测深仪换能器基阵的位置，使用全站型电子速测仪在水池长边反射壁内对两个边缘波束脚印点进行放样，测量两个波束脚印点的水平距离，与标准水深值相除，获得待检多波束测深仪在该校准深度下测量的宽深比。
进一步地，步骤A中通过多维运行控制机构将待检多波束测深仪放置于水下具体为水下4m、离岸4m处。
多维运行控制机构，包括水平位移部分5-15、回转部分5-16、升降部分5-17和转接法兰盘部分5-18，回转部分5-16设置水平位移部分5-15上，升降部分5-17一端与回转部分5-16连接，升降部分5-17包括升降套筒5-6，升降套筒5-6包括多个依次套接的套筒，内层套筒下端与转接法兰盘部分5-18连接。设计合理，通过回转部分5-16、升降部分5-17实现待检多波束测深仪基阵在水下升降、回转、水平位移等多维状态控制，获得多波束测深仪测深参数的修正值，以保障其测深量值的准确可靠。
转接法兰盘部分5-18包括套筒端法兰盘5-20、竖向法兰盘5-21和基阵端法兰盘5-22，套筒端法兰盘5-20与内层套筒下端法兰盘5-7连接，竖向法兰盘5-21连接套筒端法兰盘5-20和基阵端法兰盘5-21。
水平位移部分5-15包括操作台5-9和平行双导轨5-10；操作台5-9底端设置有车轮5-8，操作台5-9通过车轮5-8与平行双导轨5-10滑动连接。操作台5-9底端配有5-4个车轮5-8，车轮5-8与平行导轨5-10滑动接触，通过人力推动操作台5-9可实现带动整套装置沿平行双导轨5-10前进或后退，平行双导轨5-10行程5-85m。
回转部分5-16包括操作台大转轴5-11、水平杆5-14和升降杆转轴5-5，操作台大转轴5-11与水平位移部分5-15转动连接，水平杆5-14一端与操作台大转轴5-11连接；升降杆转轴5-5是回转部分5-16主要功能部件，位于升降部分5-17中上部，升降杆转轴5-5通过轴承与齿轮机械方式，实现升降部分5-17在水平面内的转动，升降杆转轴5-5上设置有编码器，转动角度由高分辨率编码器给出。
升降部分5-17还包括手动摇杆5-1、钢丝绳5-3、定滑轮5-4、固定架5-19；升降套筒5-6包括多个依次套接的套筒，升降套筒5-6配有固定钢卷尺，升降套筒5-6的内层套筒与钢丝绳5-3连接，升降套筒5-6的外层套筒与固定架5-19固定连接，手动摇杆5-1、定滑轮5-4、固定架5-19设置在水平杆5-14上，固定架5-19上也设置有定滑轮5-4，钢丝绳5-3通过手动摇杆5-1和定滑轮5-4架设在水平杆5-14上，通过手动摇杆5-1控制钢丝绳5-3收放，通过钢丝绳5-3收放实现控制与钢丝绳连接的升降套筒5-6的升降，钢丝绳5-3收放端手动摇杆附近设置指示标尺5-12，指示标尺5-12与钢丝绳5-3平行，可精确测量钢丝绳伸缩距即升降尺度；
还包括试验水池4，试验水池4为规则封闭长方体，试验水池的长不小于5-180m，宽不小于5-20m，深不小于5-8m。试验水池内潮位、风浪、水流等影响可忽略，是优良的多波束测深仪校准场地。
操作台大转轴5-11设置有扭力杆，方便通过扭力杆转动操作台大转轴5-11；升降杆转轴配有与其连接的力矩扳手和角度编码器。使用力矩扳手调节升降杆转轴5-5，升降杆转轴5-5通过轴承与齿轮机械方式，实现升降部分5-17在水平面内的转动，升降杆转轴5-5上设置有编码器，转动角度由高分辨率编码器给出。
水平杆5-14包括多个水平杆段，多个水平杆段通过水平杆折叠转轴5-2连接。实现水平杆伸展状态和折叠状态的转化。
水平杆折叠转轴5-2设置有配有固定销栓5-13，近手动摇杆5-1的水平杆5-14上设置指示标尺5-12，指示标尺5-12与钢丝绳5-3平行。可精确测量钢丝绳伸缩距即升降尺度。
实施例2
本实施例中采用seabat8125多波束测深仪作为被检设备，
采用全站型电子速测仪作为计量标准器，全站型电子速测仪采用经校准的全站型电子速测仪，其他仪器也均采用经校准的仪器，全站型电子速测仪测量值作为约定真值，全站型电子速测仪置于试验水池4一侧控制点上，多维运行控制机构设置在试验水池上。
多维运行控制机构，包括水平位移部分5-15、回转部分5-16、升降部分5-17和转接法兰盘部分5-18，回转部分5-16设置水平位移部分5-15上，升降部分5-17一端与回转部分5-16连接，升降部分5-17包括升降套筒5-6，升降套筒5-6包括多个依次套接的套筒，内层套筒下端与转接法兰盘部分5-18连接。设计合理，通过回转部分5-16、升降部分5-17实现待检多波束测深仪基阵在水下升降、回转、水平位移等多维状态控制，获得多波束测深仪测深参数的修正值，以保障其测深量值的准确可靠。
转接法兰盘部分5-18包括套筒端法兰盘5-20、竖向法兰盘5-21和基阵端法兰盘5-22，套筒端法兰盘5-20与内层套筒下端法兰盘5-7连接，竖向法兰盘5-21连接套筒端法兰盘5-20和基阵端法兰盘5-21。
套筒端法兰盘5-20与内层套筒下端法兰盘5-7通过整平顶丝5-23连接，竖向法兰盘5-21包括上竖向法兰盘5-24和下竖向法兰盘5-25，上竖向法兰盘和5-24下竖向法兰盘5-25通过法兰盘转轴转5-26动连接。
上竖向法兰盘5-24包括对称设置的第一上竖向法兰盘5-27和第二上竖向法兰盘5-28，第一上竖向法兰盘5-27和第二上竖向法兰盘5-28上设置多个固定角度穿孔5-29，第一上竖向法兰盘5-27和第二上竖向法兰盘5-28通过销栓5-30插入固定角度穿孔5-29固定，第一上竖向法兰盘5-27的多个固定角度穿孔和第二上竖向法兰盘5-28上设置多个固定角度穿孔错位设置。下竖向法兰盘5-25采用与上竖向法兰盘5-24相同结构，整平顶丝5-23用于对待检多波束测深仪基阵发射扇面进行水平微调，固定角度穿孔5-29和消栓5-30位于竖向法兰盘5-21上，消栓5-30贯穿相邻上竖向法兰盘5-24和下竖向法兰盘5-25的对应固定角度穿孔5-29，固定上竖向法兰盘5-24和下竖向法兰盘5-25相对位置，用于对待检多波束测深仪基阵发射扇面进行角度调整。上竖向法兰盘5-24和下竖向法兰盘5-25可以进行5-180°角度调整，上竖向法兰盘和5-24下竖向法兰盘5-25相邻固定角度穿孔对应圆心5-20°，调整上竖向法兰盘5-24和下竖向法兰盘5-25角度后通过销栓固定，第一上竖向法兰盘5-27和第二上竖向法兰盘5-28的固定角度穿孔5-29，对面错位设置，第一上竖向法兰盘5-27和第二上竖向法兰盘5-28的固定角度穿孔5-29配合使用，每次可调整最小角度为5-10°，调节多波束测深仪基阵发射扇面位置。
水平位移部分5-15包括操作台5-9和平行双导轨5-10；操作台5-9底端设置有车轮5-8，操作台5-9通过车轮5-8与平行双导轨5-10滑动连接。操作台5-9底端配有5-4个车轮5-8，车轮5-8与平行导轨5-10滑动接触，通过人力推动操作台5-9可实现带动整套装置沿平行双导轨5-10前进或后退，平行双导轨5-10行程5-85m。
回转部分5-16包括操作台大转轴5-11、水平杆5-14和升降杆转轴5-5，操作台大转轴5-11与水平位移部分5-15转动连接，水平杆5-14一端与操作台大转轴5-11连接；升降杆转轴5-5是回转部分5-16主要功能部件，位于升降部分5-17中上部，升降杆转轴5-5通过轴承与齿轮机械方式，实现升降部分5-17在水平面内的转动，升降杆转轴5-5上设置有编码器，转动角度由高分辨率编码器给出。
升降部分5-17还包括手动摇杆5-1、钢丝绳5-3、定滑轮5-4、固定架5-19；升降套筒5-6包括多个依次套接的套筒，升降套筒5-6配有固定钢卷尺，升降套筒5-6的内层套筒与钢丝绳5-3连接，升降套筒5-6的外层套筒与固定架5-19固定连接，手动摇杆5-1、定滑轮5-4、固定架5-19设置在水平杆5-14上，固定架5-19上也设置有定滑轮5-4，钢丝绳5-3通过手动摇杆5-1和定滑轮5-4架设在水平杆5-14上，通过手动摇杆5-1控制钢丝绳5-3收放，通过钢丝绳5-3收放实现控制与钢丝绳连接的升降套筒5-6的升降，钢丝绳5-3收放端手动摇杆附近设置指示标尺5-12，指示标尺5-12与钢丝绳5-3平行，可精确测量钢丝绳伸缩距即升降尺度；
还包括试验水池4，试验水池4为规则封闭长方体，试验水池的长不小于5-180m，宽不小于5-20m，深不小于5-8m。试验水池内潮位、风浪、水流等影响可忽略，是优良的多波束测深仪校准场地。
操作台大转轴5-11设置有扭力杆，方便通过扭力杆转动操作台大转轴5-11；升降杆转轴配有与其连接的力矩扳手和角度编码器。使用力矩扳手调节升降杆转轴5-5，升降杆转轴5-5通过轴承与齿轮机械方式，实现升降部分5-17在水平面内的转动，升降杆转轴5-5上设置有编码器，转动角度由高分辨率编码器给出。
水平杆5-14包括多个水平杆段，多个水平杆段通过水平杆折叠转轴5-2连接。实现水平杆伸展状态和折叠状态的转化。
水平杆折叠转轴5-2设置有配有固定销栓5-13，近手动摇杆5-1的水平杆5-14上设置指示标尺5-12，指示标尺5-12与钢丝绳5-3平行。可精确测量钢丝绳伸缩距即升降尺度。
试验水池为封闭长方体水池，长度不小于180m，宽度不小于20m深度不小于8m，多维运行控制机构为实现升降、回转、水平移位多自由度控制的结构，试验水池边壁作为标准反射板，通过多波束测深仪测量值与约定真值的比对，获得多波束测深仪测深与扫宽参数的校准结果，具体校准步骤如下：
(1)测深校准
将待检多波束测深仪1换能器安装于多维运行控制机构5上，结合数字倾角仪微调多维运行控制机构5使待检多波束测深仪1换能器倾角处于90°±0.05°之间。调节多维运行控制机构5，使待检多波束测深仪1换能器基阵中央波束声轴线垂直于试验水池端边壁。控制待检多波束测深仪1换能器至水下4m，离岸4m。
使用经国家水运工程检测设备计量站校准的声速剖面仪，测量待检多波束测深仪1换能器所处水层界面的标准声速值，将声速剖面仪测量声速值输入到待检多波束测深仪1。其中声速剖面仪声速测量最大允许误差±0.2m/s，水深测量最大允许误差±1％FS。
在试验水池4设置全站型电子速测仪测量控制点8，使用高准确度全站型电子速测仪放样一条垂直于水池短边壁的直线。在直线上选取一点作为测量后视点11。其中全站型电子速测仪测距最大允许误差±(3+2ppm×D)mm，测角最大允许误差±2”。
首先使全站型电子速测仪对准后视点置零，然后对准短边反射壁3内一点，进行测距、测角，获得反射面点水平面内斜距12和反射面点水平角9，根据勾股定理换算该点至控制点的水平距离，即全站型电子速测仪测量控制点与标准反射面的水平距离L010。
使全站型电子速测仪对准多维运行控制机构5升降杆上某一标志点，进行测距、测角，根据勾股定理换算该标志点至控制点的水平距离，该标志点与待检多波束测深仪1换能器基阵发射面的固定偏移值可由游标卡尺测出，标准不确定度优于2mm。测量值与固定偏移值代数相加，获得待检多波束测深仪1换能器水平面内斜距13和全站型电子速测仪测量控制点8与待检多波束测深仪1换能器基阵面水平距离Lp6。
全站型电子速测仪测量控制点8与多波束换能器基阵面水平距离Lp6和全站型电子速测仪测量控制点8与标准反射面的水平距离L010代数相加，两个距离和Ls＝L0+Lp为水下横向测距,水下横向测距作为测深标准值(约定真值)。
解析多波束测深仪测深数据，待检多波束测深仪在标准反射面内的波束区中央波束声轴线12的测深示值lj，按狄克逊准则剔除水深异常值，对待检多波束测深仪示值误差进行评定，各波束号测深示值与测深标准值作差，计算示值误差Δlj，标准偏差σj：
Δlj＝lij-Ls (1)
式中，i表示ping号，j表示波束号，lij表示第i ping第j号波束的水深值，
表示多波束测深仪进行n ping测量，第j号波束的平均水深值；
求解算术平均值，计算试验标准偏差。
试验结果如下表。
表1多波束测深仪测深示值误差
(2)扫宽校准
通过多维运行控制机构5将待检多波束测深仪1换能器基阵27发射水平扇面正对试验水池长边反射壁26。
使用声速剖面仪测量与待检多波束测深仪换能器同水层处声速，将声速剖面仪测量值作为标准声速值c0输入到多波束测深仪给多波束测深仪输入标准声速，正常启动采集测深数据。
在全站型电子速测仪测量控制点8设站，使用全站型电子速测仪测量待检多波束测深仪1换能器基阵原点至长边反射壁垂点23的水平距离，即标准水深值H0。
解析多波束测深仪XTF格式数据中的水深数据包可获得240条波束，主要信息包括每条波束的往返旅行时Ti、每条波束相对于中央波束的开角θi，根据每条波束开角θi、旅行时Ti和标准声速值c0，可按式(3)、式(4)计算得到每条波束水深值Hi和斜距Di。
Hi＝Di×cosθi (4)
将每条波束水深值Hi与标准水深值H0比对，按狄克逊准则剔除水深异常值，比如本实施例中1号边缘波束21和240号边缘波束25的水深值均超限，属于异常值，应予以剔除，直至所有波束号水深值小于狄克逊检验的临界值D(a,n)，其中a为显著性水平，n为重复观测次数。
对多波束测深仪斜距Di示值误差进行评定，确定符合要求的有效边缘波束，包括扇区左侧有效边缘波束22和扇区右侧有效边缘波束24。两个有效边缘波束之间的夹角即为多波束测深仪在该校准深度下的有效扇区开角。
根据两个边缘波束的斜距和换能器基阵的位置，使用全站型电子速测仪在水池长边反射壁内对两个有效边缘波束脚印点进行放样，并测量两点与待检多波束测深仪换能器基阵27原点连线的夹角，即为标准有效扇区开角。测量两个波束脚印点的水平距离W0(即有效扫幅宽度)，与标准水深值H0相除，获得多波束测深仪在该校准深度下测量的宽深比。
与现有技术相比，基于大型试验水池，充分分析不确定度来源，建立数学模型，评定标准不确定度分量，给出扩展不确定度。大型试验水池为规则的封闭长方体，长180m，宽20m，深8m，池内潮位、风浪、水流等影响可忽略，是优良的多波束测深仪校准场地，多维运行控制机构可将多波束测深仪换能器探离池边4m，置于水下4m，通过调整换能器基阵发射水平扇面垂直于水池短边壁，可实现175m范围的全量程测深性能校准，通过调整换能器基阵发射水平扇面垂直于水池长边壁，可实现16m水深条件下全幅扫宽性能校准。能够满足港口航道、水运工程、近岸沿海等浅水领域多波束测深仪的深度与扫宽校准要求。
以上对本发明的实例进行了详细说明，但内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (5)
1.一种多波束测深仪测深与扫宽性能校准方法，其特征在于，采用全站型电子速测仪作为计量标准器，全站型电子速测仪测量值作为约定真值，全站型电子速测仪置于试验水池一侧控制点上，所述试验水池边壁作为标准反射板，多维运行控制机构设置在试验水池上，所述多维运行控制机构为实现升降、回转、水平位移多自由度控制的结构，待检多波束测深仪安装于所述多维运行控制机构上，通过多波束测深仪测量值与约定真值的比对，获得多波束测深仪测深与扫宽参数的校准结果；包括以下步骤：
步骤一：测深校准，在所述多维运行控制机构的控制下，待检多波束测深仪基阵中央波束声轴线调整至与所述试验水池的短边壁垂直，以所述试验水池短边壁为标准反射面，由水下横向测距代替纵向测深，将待检多波束测深仪和所述全站型电子速测仪对所述试验水池短边壁测距结果进行比对，获得校准结果；具体包括以下步骤：
步骤A：待检多波束测深仪安装在多维运行控制机构上，通过多维运行控制机构将待检多波束测深仪放置于水下，调节待检多波束测深仪换能器基阵发射面正对试验水池短边壁，将所述试验水池短边壁作为标准反射面，通过水下横向测距代替测深；
步骤B：使声速剖面仪测量与待检多波束测深仪换能器同水层处声速，将声速剖面仪测量值作为标准声速值输入到多波束测深仪；
步骤C：在所述试验水池近岸选择合适控制点设站，使用所述全站型电子速测仪放样一条直线，直线垂直于所述试验水池短边壁平面，在直线上选取一点作为所述全站型电子速测仪测量的后视点；
步骤D：所述全站型电子速测仪测量控制点与标准反射面的水平距离L0，所述全站型电子速测仪测量控制点与多波束换能器基阵面水平距离Lp，两个距离和Ls＝L0+Lp为水下横向测距，水下横向测距作为待检多波束测深仪的测深标准值；
步骤E：采集待检多波束测深仪在标准反射面内的波束区的测深示值lj，按狄克逊准则剔除水深异常值；
步骤F：对待检多波束测深仪示值误差进行评定，各波束号测深示值与标准深度值作差，计算示值误差Δlj，标准偏差σj：
Δlj＝lij-Ls (1)
式中，i表示ping号；j表示波束号，lij表示第i ping第j号波束的水深值，
表示多波束测深仪进行n ping测量，第j号波束的平均水深值；
步骤二：扫宽校准，在所述多维运行控制机构控制下，待检多波束测深仪基阵中央波束声轴线调整至与所述试验水池的长边壁垂直，以所述试验水池长边壁为标准反射板，将所述全站型电子速测仪对所述试验水池长边壁测距结果作为标准水深值，解析待检多波束测深仪的水深数据包得到每条波束水深值和斜距,将每条波束水深值与所述全站型电子速测仪测量的标准水深值比并对剔除水深异常值,计算待检多波束测深仪在校准深度下测量的有效扇区开角/宽深比，将测量得到的待检多波束测深仪的有效扇区开角/宽深比与出厂检验报告中数据进行比对，获得校准结果，具体包括以下步骤：
步骤a：通过所述多维运行控制机构将待检多波束测深仪换能器基阵发射面正对所述试验水池长边壁；
步骤b：使用声速剖面仪测量与待检多波束测深仪换能器同水层处声速，将声速剖面仪测量值作为标准声速值输入到多波束测深仪；
步骤c：使用所述全站型电子速测仪测量待检多波束测深仪换能器基阵发射面至所述试验水池长边壁的水平距离，即标准水深值；
步骤d：解析待检多波束测深仪的水深数据包，计算得到每条波束水深值和斜距；
步骤e：将每条波束水深值与所述全站型电子速测仪测量的标准水深值比对，按狄克逊准则剔除水深异常值；
步骤f：根据步骤F对待检多波束测深仪示值误差进行评定，确定符合要求的边缘波束，包括左侧和右侧两个边缘波束号，两个边缘波束之间的夹角即为待检多波束测深仪在该校准深度下的有效扇区开角；
步骤g：根据两个边缘波束的斜距和待检多波束测深仪换能器基阵的位置，使用所述全站型电子速测仪在水池长边反射壁内对两个边缘波束脚印点进行放样，测量两个波束脚印点的水平距离，与标准水深值相除，获得待检多波束测深仪在该校准深度下测量的宽深比。
2.根据权利要求1所述多波束测深仪测深与扫宽性能校准方法，其特征在于，所述试验水池为封闭长方体水池，长度不小于180m，宽度不小于20m深度不小于8m。
3.根据权利要求1所述多波束测深仪测深与扫宽性能校准方法，其特征在于所述步骤A中所述试验水池短边壁作为标准反射面需满足2cm/20m的平整度要求。
4.根据权利要求1所述多波束测深仪测深与扫宽性能校准方法，其特征在于所述步骤A中通过多维运行控制机构将待检多波束测深仪放置于水下具体为水下4m、离岸4m处。
5.根据权利要求1所述多波束测深仪测深与扫宽性能校准方法，其特征在于所述步骤二中解析待检多波束测深仪格式数据中的水深数据包，计算得到每条波束水深值和斜距具体过程如下：解析待检多波束测深仪XTF格式数据中的水深数据包,获得波束个数、每条波束的往返旅行时、每条波束相对于中央波束的开角，根据每条波束开角、旅行时和标准声速值计算得到每条波束水深值和斜距。
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