单波束测深仪校准系统及方法与流程

本发明涉及水下测量，尤其涉及一种单波束测深仪校准系统及方法。

背景技术：

1、随着海洋事业的飞速发展，深海探测与资源开发的需求日益增长，深海拖体(含舰船拖曳声纳)、深海潜水器(hov、uuv)、遥控潜水器(rov)、自主式潜水器(auv)、深海取样设备等先进技术的广泛应用，使得对海底地形的精确测量变得至关重要。其中，单波束测深仪作为一种关键的海洋测量设备，发挥着不可或缺的作用。

2、单波束测深仪通过发射和接收声波信号来测量设备与海底之间的距离。在海洋海底探测、水下生产系统安装与维修、海底管道巡检和维修等工作中，单波束测深仪需保持设备在某一固定距海底的高度，同时还需要实时精确探知设备距海底的高度，以确保安全着陆。此外，单波束测深仪在河流水文勘察、航道、码头疏浚等行业的水深测量、浪高测量以及桥梁基础冲刷监测等应用场景中也发挥着重要作用。

3、目前，基于回声测深技术的单波束测深仪已经发展得越来越成熟，但在实际应用中，即使是相同型号的单波束测深仪，对同一位置水深的测量精度、分辨率以及深度值等也可能存在差异。该差异可能来源于设备制造的微小差别、环境因素的影响，以及设备使用过程中的老化等。为保证单波束测深仪的测量数据的准确性与一致性，出厂前必须对测深仪进行高精度校准。

4、发明人所知的校准方法中：

5、大尺寸水槽校准法(赵晖,栗克国.单波束测深仪计量检定装置的研究[j].水道港口,2011(6):449-452.)：在与单波束测深仪测深范围相匹配尺寸的水槽，采用激光测距仪进行测量精度校准。但是该校准法具有操作复杂、易受水槽侧壁回波影响、大尺寸水槽的建设与使用成本高、受水槽尺寸限制无法实现大量程校准等不足，且在进行大深度校准时，水槽内不同位置处水温分布不均衡，在进行声速修正后，还会存在声速修正误差，校准效果欠佳。

6、电信号模拟法(李先瑞.一种回声测深远程校准仪的研制[j].人民长江,2018,49(7):6.)：通过对单波束测深仪发出的脉冲簇信号进行分析和处理，模拟出与频率、脉宽、个数相一致的回波信号，通过算法将设置的深度值转换成对应的延时时间，将经过延时处理后的回波发送回测深仪输入端，从而达到校准的目的。该校准法的激发信号是从测深仪换能器插口提取或从测深仪测试口取得，由于换能器不参与测试，其回波信号是由发射波信号处理得到，校准过程与测深仪的实际应用差别较大。

7、声波模拟法(杜永胜,王敏,杨平等.一种单波束测深仪校准方法[j].声学技术,2019,38(5):255-256.)：在消声水槽内采用一个具有声波收发功能的声学换能器作为应答器接收单波束测深仪发射声波，并进行采集、延迟处理后回放声信号，测深仪换能器在接收到声信号后，依据延迟时间和声速完成对深度值的校准。该校准法的校准系统(含应答器)在采集、延迟处理后仅回放回波信号，在没有发射波信号的情况下，要求校准系统与测深仪间保持严格同步，微秒级的同步误差会产生厘米级的测量误差。

技术实现思路

1、为克服上述单波束测深仪精度校准方法及系统所存在的缺陷，本发明提供一种校准成本低、校准过程简化、校准精度更高的单波束测深仪校准系统及方法。

2、第一方面，就单波束测深仪校准系统而言，本发明为解决所述技术问题的单波束测深仪校准系统包括：

3、单波束测深仪，包括超声换能器和与所述超声换能器连接的用于接收发射波信号与回波信号的接收模块；

4、反射校准体，用于提供一个已知、稳定且可控的反射面；所述反射校准体预设于水下距离所述超声换能器设定值的位置；

5、校准模块，包括上位机和与上位机连接的数据采集与输出模块；所述上位机与所述单波束测深仪通信连接；所述数据采集与输出模块连接于所述接收模块和所述超声换能器之间，所述数据采集与输出模块用于采集所述超声换能器作为负载时的发射波信号与回波信号；

6、所述校准模块根据所述超声换能器作为负载时的发射波信号与回波信号和预设的目标校准深度值生成用于模拟所述目标校准深度值对应的声波信号的校准信号；基于根据所述校准信号计算的输出深度值与所述目标校准深度值之间的误差实现校准。

7、作为上述单波束测深仪校准系统的改进，所述单波束测深仪校准系统还包括消声水槽，所述消声水槽壁配置有隔音材料和消音结构，所述反射校准体设置于所述消声水槽内距离所述超声换能器设定值的位置。

8、作为上述单波束测深仪校准系统的改进，所述反射校准体配置为具有用于反射所述发射波信号的反射面的板状结构体。

9、作为上述单波束测深仪校准系统的改进，所述校准信号包括所述超声换能器作为负载时的发射波信号和所述目标校准深度值对应的回波信号；

10、所述目标校准深度值对应的回波信号根据所述超声换能器作为负载时的回波信号加入设定时延值获得；

11、所述设定时延值根据所述目标校准深度值计算获得。

12、与发明人所知的相关技术相比，

13、第二方面，就单波束测深仪校准方法而言，本发明为解决所述技术问题的单波束测深仪校准系方法包括如下步骤：

14、基于单波束测深仪和设置于水下设定深度值的反射校准体，同时采集所述单波束测深仪的换能器输入端的发射波信号和由所述发射波信号经所述反射校准体反射产生的回波信号；

15、接收预设的目标校准深度值输入，根据所述目标校准深度值计算对应的发射波信号与回波信号之间的时延值，并在所述采集的回波信号中加入所述时延值生成用于模拟所述目标校准深度值对应的声波信号的校准信号；

16、传输所述校准信号至单波束测深仪计算得出输出深度值，接收所述输出深度值并与所述目标校准深度值比较获得测量误差；

17、基于所述测量误差实现所述单波束测深仪的校准。

18、作为上述单波束测深仪校准方法的改进，所述单波束测深仪的换能器输入端的发射波信号和由所述发射波信号经所述反射校准体反射产生的回波信号为所述超声换能器作为负载时的发射波信号与回波信号。

19、作为上述单波束测深仪校准方法的改进，所述换能器和所述反射校准体放置于消声水槽内，所述反射校准体设置于所述消声水槽内距离所述换能器设定值的位置。

20、作为上述单波束测深仪校准方法的改进，所述反射校准体配置为具有用于反射发射波信号的反射面的板状结构体。

21、作为上述单波束测深仪校准方法的改进，所述校准信号包括所述超声换能器作为负载时的发射波信号和所述目标校准深度值对应的回波信号；

22、所述目标校准深度值对应的回波信号根据所述超声换能器作为负载时的回波信号加入设定时延值获得；

23、所述设定时延值根据所述目标校准深度值计算获得。

24、作为上述单波束测深仪校准方法的改进，所述设定时延值根据如下公式计算获得：

25、hp＝h0+vτ/2

26、式中，hp表示目标校准深度值，h0表示反射校准体距离换能器的距离，v表示水中声速，τ表示设定时延值。

27、与发明人所知的相关技术相比，本技术的单波束测深仪校准方法克服了大尺寸水槽校准法、电信号模拟法与声波模拟法的局限和不足，具体来说，该校准方法在实验室消声水槽内实现，不需要大尺寸的水槽；且校准系统从换能器输入端获取得到测深仪的发射波与回波信号，使得换能器参与到测试当中，校准系统测得的发射波和回波信号为换能器作为负载时的信号，从而避免了电信号模拟法存在的校准过程与测深仪的实际应用差别较大等不足；另外，由于校准信号中既有发射波信号也有反射回波信号，单波束测深仪通过计算校准信号中发射波与反射回波之间的延迟时间，输出测量深度值，与声波模拟法不同，无需将校准系统与测深仪保持同步，简化了校准过程。