CN111982156A - 一种基于水下回声模拟技术的单波束测深仪校准方法 - Google Patents

一种基于水下回声模拟技术的单波束测深仪校准方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于水下回声模拟技术的单波束测深仪校准方法，步骤为：S1、将单波束测深仪的换能器放置在水槽中，通过换能器向声学应答器发送声波信号；S2、声学应答器接收声波信号进行A/D采集、存储，并将A/D采集的信号传输到声学应答器的PC端；S3、声学应答器的PC端设置预设深度并通过预设深度及声速值计算得到对应的延迟时间；S4、PC端根据延迟时间产生模拟回波信号，信号幅度通过水下声波衰减反射模型计算获得，经D/A驱动后声学应答器发送模拟回波信号到换能器；S5、换能器接收到模拟回波信号后，单波束测深仪的显示模块显示出检测数值，并将该检测数值与PC端设置的预设深度进行对比，实现单波束测深仪的校准操作。

Description

一种基于水下回声模拟技术的单波束测深仪校准方法
技术领域
本发明涉及测深仪领域，尤其涉及一种基于水下回声模拟技术的单波束测深仪校准方法。
背景技术
港口码头建设、航道整治以及通航建设等施工中对水深都有严格的要求，当前对水深的测量多使用单波束测深仪。单波束测深仪现用计量检定装置的主要配套设备是专用标准水池，将测深转变为测距，采用横向测长直接比对的方法，用测深仪示值与已知距离进行比对计算测量误差，利用此方法将受水池边界条件限制，仅能进行短距离“浅水”对比，且在水中操作复杂，不确定因素多。
电信号模拟声信号校准单波束测深仪的装置是采用模拟信号发生器调节脉冲延时的方法，将电信号作为测深回波显示深度变化，以设定深度与测深仪示值进行校准比对，其优点是量程范围较宽，可根据要求任意设定测深量程，但信号发生器直接与测深仪主机进行连接，没有考虑测深仪换能器响应时间对结果的影响，其检测过程不包含对测深仪换能器的校准；此外，不同型号测深仪的电信号端口标准各有不同，校准设备与校准装置的连接端口须根据待校准测深仪端口而改变，通用性较差。
基于声换能器的单波束测深仪模拟检定方法是用两个换能器接收和产生模拟回波来校准单波束测深仪，但是此方法的发射和接收换能器通过耦合剂与测深仪换能器的工作面直接贴合在一起，校准过程是在空气中进行的，与测深仪实际工作的水下环境不同，在空气中还可能减少换能器的使用寿命甚至损坏换能器；并且其模拟的回波信号没有考虑不同距离下回波信号幅度不同的影响。
综上所述，有必要研究一种提升测深值校准量程及测深值校准准确度的、更接近实际使用环境的单波束测深仪校准装置来满足测深仪的校准需求。
发明内容
本发明目的是针对上述问题，提供一种提升测深值校准量程及测深值校准准确度的基于水下回声模拟技术的单波束测深仪校准方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种基于水下回声模拟技术的单波束测深仪校准方法，包括以下步骤：
S1、将单波束测深仪的换能器放置在水槽中，并在换能器前方盲区内设置声学应答器，通过换能器向声学应答器发送声波信号；
S2、声学应答器接收换能器的声波信号，然后对声波信号的波形进行A/D(模数转换器)采集、存储，并将A/D采集的信号传输到声学应答器的PC端；
S3、声学应答器的PC端设置预设深度并通过预设深度及声速值计算得到对应的延迟时间；
S4、PC端根据延迟时间产生模拟回波信号，信号幅度通过水下声波衰减反射模型计算获得，经D/A(数模转换器)驱动后声学应答器发送模拟回波信号给换能器；回波信号的幅度通过水下声波衰减反射模型计算获得；
S5、换能器接收到模拟回波信号后，单波束测深仪的显示模块显示出检测数值，并将该检测数值与PC端设置的预设深度进行对比，实现单波束测深仪的校准操作。
进一步的，所述步骤S1中的水槽为消声水槽；所述步骤S1中声学应答器于换能器的距离小于测深仪盲区。上述特征均有利于避免反射信号干扰。
进一步的，所述声学应答器内设置有信号采集处理模块,并通过信号采集处理模块实现声波信号的波形A/D采集、存储、处理操作。
进一步的，利用声波在水下的传播特性建立水下声波衰减反射模型，通过水下声波衰减反射模型计算测深仪换能器接收到的模拟回声信号幅度，较充分地考虑了测深仪的实际使用场景。
与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：
本发明通过在消声水槽中，采用声学应答器接收测深仪换能器发射的声波信号，采集、延迟处理后回放声信号到测深仪换能器，依据延迟时间和声速来完成对深度仪检测结果的校准，使得测量范围摆脱了水槽边界限制，有效扩大了测深仪测深值的校准量程，同时本发明解决了换能器不参与校准的问题，并考虑了测深仪声信号在水中的衰减与反射，提高了对单波束测深仪测深值校准的准确度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的逻辑结构图；
图2为本发明的校准装置示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
如图1、图2所示，本发明提出的一种基于水下回声模拟技术的单波束测深仪校准方法，其工作流程为：在单波束测深仪换能器正前方一段距离(换能器盲区以内)放置声学应答器，换能器发射声波信号，声学应答器接收换能器的发射信号，与声学应答器相连的信号采集处理模块以一定的采样率对声波信号进行A/D采集、存储，传输到PC端；PC端根据设置深度及声速值计算得到对应延迟时间，同时利用水下声波衰减反射模型计算得到模拟回波信号幅度，并以一定的速率对模拟回波信号进行回放，驱动声学应答器产生水声信号传播回单波束测深仪换能器；单波束测深仪主机的显示模块显示出检测深度值，将显示数值与设置深度进行对比实现对单波束测深仪的校准操作。
水下声波衰减反射模型主要包括声波在水中衰减和声波在水底的反射损失；
(1)声波在水中传播距离为r时，引起的衰减为波面扩展损失与吸收损失之和，即：
TL(f)＝20log10(r)+α1(f)×r
式中，20log10(r)为球面波扩展损失，α1(f)为吸收衰减系数，理想条件下海水吸收衰减系数的经验公式为：
Figure BDA0002659022200000041
衰减系数α1(f)单位dB/m，频率f单位kHz。例如，
(2)根据大量测量数据的综合，水底沉积层中声波的衰减系数α2(dB/m)近似于频率的β次方成正比，因此水底反射系数可写为：
α2(f)＝Kfβ
式中K为常数，其值与孔隙率η有关，若η＝35％～60％(对应大多数常见水底)之间，则K近似等于0.5，β为指数，就沙、淤泥和黏土而言，通常β≈1。
综合上述，当测深仪设置校准深度为D、水底沉积层厚度假设为H时，声学应答器输出模拟回声信号幅度相比采集的信号幅度产生的衰减为：
AT(f)＝40log10(D)+2α1(f)×D+2α2(f)×H
上式即为回声模拟法中所采用的水下声波衰减反射模型。
本发明通过一个具有声波收发功能的声学换能器作为声学应答器，接收测深仪声波，采集、延迟、衰减处理后回放声信号并被测深仪换能器接收，依据延迟时间和声速完成对深度值的校准方案。通过声学应答器在水中接收、回放模拟回波，使得测深仪的换能器可以参与校准。通过信号延时发送来模拟不同水深的回波信号，使得在小型消声水槽中即可实现几十米、甚至几百米的深度校准，提高了测深仪测深值校准的范围。
本发明通过在消声水槽中，采用声学应答器接收测深仪换能器发射的声波信号，进行采集、延迟、衰减处理后回放声信号给测深仪换能器，依据延迟时间和声速来完成对深度仪检测结果的校准，使得测量范围摆脱了水槽边界限制，有效扩大了测深仪测深值的校准量程，同时本发明解决了换能器不参与校准的问题，并考虑了测深仪声信号在水中的衰减与反射，提高了对单波束测深仪测深值校准的准确度。

Claims (4)

1.一种基于水下回声模拟技术的单波束测深仪校准方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、将单波束测深仪的换能器放置在水槽中，并在换能器前方盲区内设置声学应答器，通过换能器向声学应答器发送声波信号；
S2、声学应答器接收换能器的声波信号，然后对声波信号的波形进行A/D采集、存储，并将A/D采集的信号传输到声学应答器的PC端；
S3、声学应答器的PC端设置预设深度并通过预设深度及声速值计算得到对应的延迟时间；
S4、PC端根据延迟时间产生模拟回波信号，信号幅度通过水下声波衰减反射模型计算获得，经D/A驱动后声学应答器发送模拟回波信号给换能器；
S5、换能器接收到模拟回波信号后，单波束测深仪的显示模块显示出检测数值，并将该检测数值与PC端设置的预设深度进行对比，实现单波束测深仪的校准操作。
2.如权利要求1所述的基于水下回声模拟技术的单波束测深仪校准方法，其特征在于：所述步骤S1中的水槽为消声水槽。
3.如权利要求2所述的基于水下回声模拟技术的单波束测深仪校准方法，其特征在于：所述声学应答器内设置有信号采集处理模块,并通过信号采集处理模块实现声波信号的波形A/D采集、存储、处理操作。
4.如权利要求3所述的基于水下回声模拟技术的单波束测深仪校准方法，其特征在于：利用声波在水下的传播特性建立水下声波衰减反射模型，通过水下声波衰减反射模型计算测深仪换能器接收到的模拟回波信号幅度。
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