技术交流▏多波束测深仪计量校准系统设计
多波束测深仪凭借全覆盖高效作业的优势，成为国内外水深精细探测的主要声呐设备。但是由于缺乏标准化的计量校准系统，无法对测量成果质量进行科学评定，因此多波束测深仪性能参数的计量校准尤为重要。声呐设备性能的提高、频率范围的扩展和类型的增多等对水声计量提出了许多新的要求，为保证海洋测量数据准确度，定期计量其探测性能具有实际的研究与应用价值。测深准确度和有效条带宽度是直观衡量多波束测深仪计量性能的主要几何指标，影响水下地形测量成果质量和作业效率。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，由于受限于室内水池尺寸，测深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。条带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。条带宽度是表征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影响，这对于设备生产研发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结果的质量，比如说测深准确度和扫宽内的有效水深点，这也是本文探讨的初衷。
国内外针对多波束测深仪开展的计量研究聚焦基本声学量值校准，主要在室内六面消声水池中进行。例如，Kenneth G. Foote等利用美国Woods Hole海洋研究所的海井和New Hampshire大学的室内大型纯水水槽针对SIMRAD SM 2000多波束测深仪（90kHz和200kHz）和RESON SeaBat8101多波束测深仪（240kHz）开展校准试验，制定了多波束测深仪校准协议；Lanzoni和Weber利用全向性Reson TC4034参考水听器对双频SeaBat7125多波束测深仪（396 kHz）进行了波束发射与接收指向性校准，得到了理想的3D指向性图；英国国家物理实验室（National Physical Laboratory）在高压消声水池中利用耦合腔校准装置开展了大量的换能器、水听器和声学材料的校准工作；中国科学院声学研究所、中国船舶重工集团公司第715研究所（国防水声计量一级站）、哈尔滨工程大学（水声技术国防科技重点实验室）等建成并启用声学换能器校准系统，可实现多波束测深仪换能器阻抗、发射响应、接收灵敏度、指向性等参数测量；高君、肖付民、裴文斌等针对目前多波束测深仪缺乏检定的情况，对SeaBat8101多波束测深仪进行了测深精度的检定实验，利用最小二乘原理对实验结果进行拟合，结果表明，该检定方法可用于多波束测深仪的重复性检定；山东科技大学刘智敏等提出了基于室外消声水池的多波束测深不确定度检测方法。
以上研究受试验水池尺寸所限，校准范围难以突破。本文基于大比尺的原型深水港池将多波束测深仪测深校准范围扩展到180 m，同时提出了测深和有效条带宽度的校准新方法，基本满足了浅水型多波束测深仪的校准需求。
一、校准系统设计
水声计量校准既要用到机械装置和电测量装置，又要涉及到水介质中声场，其量值不确定度要远大于单纯的几何、电磁、光学测量。校准系统主要分为3部分：大比尺的原型深水港池、多维运行控制装置和计量标准器。
⒈
原型深水港池
原型深水港池是开展多波束测深仪测深和条带宽度计量校准的基础设施。潮汐、涌浪、剖面声速、海底地形等环境影响因素，给海上自校结果引入较大误差。本文中多波束测深仪测深与条带宽度计量校准试验在天津新港船闸中进行，规避了以上不良环境影响因素。该船闸长180m，宽25m，深10m，是一个优良的原型深水港池。港池与渤海相接，通过船闸开启/关闭，可实现池内水位控制。池底平坦，池壁和闸门平整，可用作标准的测深反射壁。沿港池长边装备多维运行控制机构和运行导轨，该装置可沿水池长边运行85m，高潮位时可将换能器下潜至水面以下4m，装置悬臂可探离近岸4m。装置可实现换能器在水下多个维度的转动，如图1所示。
图1原型深水港池及校准装置
⒉
多维运行控制装置
多维运行控制装置可实现精密回转（水平角和竖直角）、升降、平移等功能，是水声计量实验的主体执行机构。原型深水港池上的多维运行控制装置（图2）可安装多波束测深仪换能器，精确控制换能器与标准发射壁之间的距离，用于几何指标校准。角度控制最大允许误差±0.1°，位移控制最大允许误差±0.5cm。
说明：1-手动摇杆，2-水平杆折叠转轴，3-钢丝绳，4-定滑轮，5-升降杆转轴，6-升降套筒，7-法兰盘，8-车轮，9-操作台，10-平行双导轨，11-水平杆，12-指示标尺，13-操作台大转轴。
图2 多维运行控制装置结构图
⒊
计量标准器
计量标准是指准确度低于国家计量基准，用于检定或校准其他计量标准或工作计量器具的测量标准。通常，计量标准的准确度应高于被检定或校准的计量器具的准确度。本校准系统将多波束测深仪量值与国家计量基准联系起来，应用的主要计量标准器具及配套设备技术要求如表1：
表1 校准系统中主要计量标准器具及配套设备
试验设备 | 技术要求 | 要求依据 |
全站仪 | 准确度等级1级 | 经检定或校准的全站仪提供标准距离，作为多波束测深仪测深与扫测宽度指标校准的主要标准器。依据的计量检定规程是JJG 100-2003《全站型电子速测仪》。 |
声速剖面仪 | 最大允许误差±0.2m/s | 为多波束测深仪提供标准声速，执行JJG（交通）122-2015《水运工程 声速剖面仪》。 |
倾角仪 | 最大允许误差±0.1° | 经检定或校准的倾角仪用于测量多波束测深仪换能器与多维运行控制装置的安装角度，提供安装角度修正值。依据JJF(浙) 1057-2010《数显倾角仪校准规范》 |
标准反射壁 | 涂层为柯达白90%，平面度不大于2 mm | 作为多波束测深仪和全站仪的标准反射面。 |
计量标准在我国量值传递或量值溯源中处于中间环节，起着承上启下的作用，即计量标准将计量基准所复现的量值，通过检定或者校准的方式传递到工作计量器具，确保工作计量器具量值的准确可靠和统一，从而使工作计量器具进行测量得到的数据可以溯源到计量基准。
二、校准方法
本文采用全站仪直接照准多波束测深仪换能器基阵面和水池反射壁的测量方式，测量值作为多波束测深仪校准中的参考标准值，减小了GPS-RTK或激光测距仪-反射靶测距方式中的位置偏移改正误差。
⒈
测深
测深校准过程如下：通过多维运行控制机构可将多波束测深仪换能器放置于水下4 m、离岸4 m处，调节换能器基阵发射面正对试验水池短边壁，试验水池短边壁满足平整度要求，作为标准反射面，通过水下横向测距代替测深。
使用经检定/校准的声速剖面仪测量与多波束测深仪换能器同水层处声速，将标准声速值输入到多波束测深仪。
在试验水池近岸通视良好的位置选择合适控制点设站，使用经检定/校准的全站仪放样一条直线，直线垂直于水池短边壁平面，在直线上选取一点作为全站仪测量的后视点。
全站仪测量控制点与标准反射面的水平距离L0，以及控制点与多波束换能器基阵面水平距离LP，两个距离差LS＝LO－LP，即作为多波束测深仪的测深标准值。
采集多波束测深仪在标准反射面内的波束区的测深示值LH，各波束号测深示值与标准深度值作差，按式⑴、式⑵计算示值误差Δlj，标准偏差σj：
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，lj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。按狄克逊准则剔除水深异常值，根据IHO海道测量规范（S-44）和JJG（交通）139-2017《多波束测深仪 浅水》中的要求对多波束测深仪示值误差进行评定。
⒉
条带宽度
有效条带宽度不同于测量仪器标称的扇区开角，是指在特定水深条件下测深点误差满足测量规范要求的两个边缘波束之间的夹角，是一个反映多波束测深仪实际性能的实用指标。例如两台标称扇区开角均为120°的多波束测深仪，在同一水深条件下测量，其扇区内的有效水深点个数可能不同，即二者的有效条带宽度不同。条带宽度校准过程如下：通过多维运行控制机构将多波束测深仪换能器基阵发射面正对试验水池长边壁，给多波束测深仪输入标准声速。使用全站仪测量换能器基阵发射面至水池长边壁的水平距离，即标准水深值。
解析多波束测深仪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，可计算得到每条波束水深值和斜距。
将每条波束水深值与标准水深值比对，剔除水深异常值，对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，使用全站仪在水池长边反射壁内对两个边缘波束脚印点进行放样，并测量两点与换能器基阵原点连线的夹角，即为标准有效扇区开角。测量两个波束脚印点的水平距离，即有效条带宽度，与标准水深值相除，获得多波束测深仪在该校准深度下测量的有效宽深比。
三、试验与分析
⒈
试验流程
⑴测深校准
采用seabat8125多波束测深仪作为试验样机，测深校准原理示意图见图3。将多波束测深仪换能器安装于多维运行控制机构升降杆底端的转接法兰上，结合数字倾角仪微调法兰盘上的整平顶丝，使多波束测深仪换能器倾角处于90°±0.05°之间。调节升降杆的回转轴，使换能器基阵中央波束声轴线垂直于试验水池短边壁。
使用经国家法定计量检定机构检定或校准的声速剖面仪，测量多波束测深仪换能器所处水层界面的标准声速值，将声速值输入到多波束测深仪。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。
在试验水池设置岸站控制点，使用高准确度全站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，全站仪测距最大允许误差±（3＋2ppm×D）mm，测角最大允许误差±2″。
首先使全站仪对准后视点置零，然后对准水池短边壁内一点，进行测距、测角，获得反射壁测点的水平斜距和水平角，根据勾股定理换算该点至控制点的水平距离，即反射面水平距离。
在多波束测深仪换能器入水之前，使全站仪对准多波束测深仪换能器基阵中心点，进行测距、测角，获得基阵测点的水平斜距和水平角，根据勾股定理换算该点至控制点的水平距离，即换能器水平距离。由倾角仪验证多波束测深仪换能器入水前后垂直偏差可忽略不计，即多维运行控制装置中的升降杆可保证换能器基阵升降过程中的一致性。
换能器水平距离和反射面水平距离代数相加，获得校准中的参考标准值。解析多波束测深仪测深数据，获得其沿中央波束声轴线的中央波束测深值，标准值与中央波束测深值作差，获得多波束测深仪中央波束的修正值。
计算n ping（n>10）数据的修正值，求解算术平均值，计算试验标准偏差。
说明：1-换能器，2-中央波束声轴线，3-水池短边壁，4-水池长边壁，5-多维运行控制机构，6-换能器水平距离，7-换能器水平角，8-全站仪控制点，9-反射面点水平角，10-反射面水平距离，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。
图3 测深校准原理示意图
seabat8125多波束测深仪测深校准试验结果如表2，最大相对误差优于0.2%。
表2 测深校准试验结果
多波束测深仪示值/m | 全站仪测量标准值/m | 示值误差/m |
65.12 | 65.141 | -0.021 |
62.04 | 62.006 | 0.034 |
59.40 | 59.355 | 0.045 |
57.42 | 57.364 | 0.056 |
55.88 | 55.903 | -0.023 |
54.39 | 54.431 | -0.041 |
52.58 | 52.622 | -0.042 |
116.32 | 116.400 | -0.080 |
⑵条带宽度校准
条带宽度校准原理示意图见图5。通过多维运行控制机构将多波束测深仪换能器基阵发射水平扇面正对试验水池长边反射壁。
给多波束测深仪输入标准声速C0，正常启动采集测深数据。
在全站仪控制点设站，使用全站仪测量换能器基阵原点至水池长边壁垂点的水平距离，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⑶、式⑷计算得到每条波束水深值Hi和斜距Di。
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，比如试验中（1～16）号边缘波束和（225～240）号边缘波束的水深值均超限，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(α,n)，其中α为显著性水平，n为重复观测次数。依据相关校准规范，对多波束测深仪斜距Di示值误差进行评定，确定符合规范要求的有效边缘波束，包括扇区左侧有效边缘波束和扇区右侧有效边缘波束。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，并测量两点与换能器基阵原点连线的夹角，即为标准有效扇区开角。测量两个波束脚印点的水平距离，即有效条带宽度W0，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k＝W0/H0。试验求得，在18.34m的水深环境下，多波束测深仪有效条带宽度54.79m，有效扇区开角为112.4o，与仪器扇区开角标称值120o相比，相对误差优于7%。
说明：1-第1号边缘波束，2-扇区左侧有效边缘波束，3-垂点，4-扇区右侧有效边缘波束，5-第240号边缘波束，6-长边反射壁，7-换能器基阵，8-全站仪控制点。
图5 条带宽度校准原理示意图
⒉
测深测量结果的不确定度评定
影响多波束测深仪测深结果的误差来源主要有：①被检多波束测深仪重复性；②全站仪误差；③声速仪误差；④仪器安装误差；⑤反射壁平面误差。综合考虑以上因子的测量不确定度，建立测深校准数学模型。
△L＝Lmb－L0＋△L1＋△L2＋△L3 ⑸
式中：
△L—–被检多波束测深仪水深测量示值误差，m；
Lmb—–被检多波束测深仪校准点的水深测量示值，m；
L0—–全站仪测量值，m；
△L1—–水中声速测量引入的偏差，m；
△L2—–全站仪和多波束测深仪换能器安装引入的偏差，m；
△L3—–标准发射壁不平与照准点偏离引入的偏差，m。
不确定度分量综合分析表见表3。
表3 测深标准不确定度分量综合分析表
由于各标准不确定度分量间不相关，所以
取包含因子K＝2，则扩展不确定度为U＝2×μc＝68mm。
由拓普康GTS-1000全站仪测量的结果为65.141m，由Seabat8125测得的10个水深值的算数平均值为65.123m，则该多波束测深仪的校准值为：
四、成果应用
国家水运工程检测设备计量站具有回声测深仪的计量标准授权（图6），应用该校准装置，面向全国海洋测绘企事业单位开展了多种型号的多波束测深仪计量服务（图7，图8）。
图6 多波束测深仪计量授权证书
图7 多波束测深仪校准证书样例
图8 多波束测深仪现场校准试验
五、结束语
多波束测深仪的计量校准需要大型基础设施的支撑，用于水声基本参数校准的六面消声水池和用于测深校准的原型深水港池都是必不可少的。由于高昂的基建和维护费用，大型消声水池主要用于军用声呐设备的性能评价，涉及民用海洋测量声呐的研究较少；专门用于多波束测深仪测深性能计量校准的原型深水港池尚未建设，以至于多波束测深仪的测量溯源性和可信度难以保证。多波束测深仪计量检定或校准的核心是用计量标准对测量仪器的计量性能进行评估，以获得仪器量值的溯源性与一致性，以保证其测量的准确可靠。多波束测深仪虽然不是强制性检定测量仪器，但是在海洋测绘、救助打捞、水运工程等领域应用十分广泛，其测量结果关系工程质量、航行安全等，本校准系统的建立，主要从设备应用者角度出发，为多波束测深仪提供了一套测深和有效条带宽度的校准装置和校准方法，构成了一条不间断的校准链，使国家计量基准与水深探测工作计量器具联系起来，为海洋科技发展提供准确可溯源的校准结果。
1
END
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【作者简介】文/柳义成 韩鸿胜 窦春晖 张明敏，来自交通运输部天津水运工程科学研究院、国家水运工程检测设备计量站；第一作者柳义成，1990年出生，男，工程师，硕士，主要从事海洋测绘及计量检测研究，目前负责国家水运计量站水文测绘仪器（多波束测深仪、侧扫声呐、声速剖面仪、单波束测深仪、压力验潮仪和ADCP等）计量校准工作；文章来自《海洋测绘》（2019年第3期），编发时作者修改补充了相关内容，得到了作者的授权，参考文献略，用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有。
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