超声波测深仪校准检测装置及其校准检测方法与流程

本发明属于海洋探测技术领域，涉及超声波测深仪的校准检测技术，具体指一种超声波测深仪校准检测装置及其校准检测方法。

背景技术：

超声波测深仪是一种适用于江河湖泊、水库航道、港口码头、沿海、深海的水下断面和水下地形测量及导航、水下物探等诸多水域的水深测量仪器。超声波测深仪的主要性能取决于以下几个技术指标：测量精度、盲区、作用距离等。超声波测深仪用途十分广泛，市场上产品也很多，但是目前并没有一套完整的方法和设备对其进行校准和性能的检测。

超声波测深仪由声学元件、电子元件、机电元件组成，精度由上述元件的精度和使用方法决定，例如不同批次间的换能器参数、电路的噪声、发射声源级均不同，以及对应不同设备的测深参数也不相同，因此使用之前对其进行校准和检测是非常必要的。

目前，超声波测深仪的校准装置一般都是单纯的机械装置，此种装置通过螺杆准确测定水深，用游标卡尺测定记录水深，选用高精度温、盐、深计算水中声速，然后用上述直接测量值，间接校准测深仪的稳定性和声速值。因此，现有校准装置的操作和计算均相对复杂，且只能校准部分测深所用的参数，对测深仪的其他指标并没有检测和评估能力，使用局限性较大。

技术实现要素：

针对上述技术问题，本发明利用水声学技术研制了一种新型超声波测深仪的校准检测装置及其校准检测方法，有效解决了现有测深仪的机械式校准检测装置操作、计算复杂，校准检测精度低，以及使用受限的技术问题。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种超声波测深仪校准检测装置，由干端和湿端两部分组成，所述干端包括主机、显控软件和电子系统，电子系统包括模拟接收机、模拟发射机和数字处理板，其中，模拟接收机用于接收待测测深仪的发射信号，模拟发射机用于模拟发射测深仪的底回波信号，数字处理板完成信号的处理、检测并发送给显控软件；所述湿端包括换能器及固定架，该换能器与待测测深仪的换能器相对安装在固定架上，两换能器间的距离活动可调；所述固定架置于水槽内，水槽的水深淹没两换能器。

作为本装置的优化方案，所述固定架包括一长杆，长杆上设有滑轨，两换能器活动安装在长杆上，通过沿滑轨移动来调节换能器间的距离。

作为本装置的优化方案，所述换能器通过设置在滑轨内的安装架与固定架连接，通过上下调节安装架使两换能器的声学中心连线与滑轨平行。

作为本装置的优化方案，所述长杆上设有严格校准的刻度。

一种超声波测深仪校准检测装置的校准检测方法，其特征在于， 具体包括以下步骤：

a、将待测测深仪换能器和校准检测装置的换能器安装于固定架上，固定架置于水槽中，由待测测深仪发射信号，校准检测装置的模拟接收机接收信号后，模拟发射机发射模拟底回波信号，待测测深仪检测该回波信号，给出测深结果，用以验证测深仪的功能；

b、通过滑轨调整两个换能器间的间距多次，得到多组测深结果，将测深结果与标尺刻度进行比较，计算误差，按照测深参数算法得到各个测深参数的修正值；用修正值对各参数进行调整，并重新进行测距的验证；

c、设置两个换能器的间距为1m，调节校准检测装置的DA控压，测量测深仪能检测到的最大作用距离；

d、缩短两个换能器的间距，调节校准检测装置的DA控压，测量测深仪能检测到的最小作用距离。

作为本方法的优化方案，所述待测测深仪的待调整参数有N个时，则两个换能器间距的调整次数需大于N次，得到大于N组的测深结果，目的是留有一定的冗余度。

作为本方法的优化方案，所述测深参数的具体计算步骤如下：

a、若测深仪的声源级为SL，待测测深仪换能器和校准检测装置换能器相聚R，单程传播损失为TL，目标强度为TS，海水的吸收系数为X，校准检测装置的换能器接收灵敏度为Mx，接收增益为BL，发射响应为SL0，发射机有效电压为U；校准检测装置换能器端的信号级为SL-TL，调整换能器间距使R＝1m，则校准检测装置换能器端 信号级为SL，校准检测装置的输出电压级为SL+Mx+BL，对比实际接收的信号大小，通过显控软件得到待测测深仪的实测声源级SL；

b、测深仪遵循声纳方程：SL-2*TL+TS-(NL-DI)>DT，其中，DT为检测阈，DI为指向性指数，NL为噪声级，根据不同的底的类型和噪声背景，根据声源级SL预测出测深仪的最大作用距离Rmax；

c、测深仪工作中的回波级为SL-2*TL+TS，其中TL＝20*LOG(R)+X*R；

校准检测装置的发射声源级SL1＝SL0+20*LOG(U)，其中，电压U由DA控制：

d、通过调整DA改变SL1，来模拟真实回波的大小SL-2*TL+TS，即SL1＝SL-2*TL+TS，建立一个DA和距离R的对应关系，减小DA值，当待测测深仪检测不到模拟回波信号时，记录DA和R的变化，并与Rmax进行比较，得到待测测深仪的最大作用距离。

本发明的有益效果是：本发明旨在利用水声学技术，研制一套超声波测深仪的校准检测装置及其校准检测方法，简单易于操作，可靠有效，可对市场上大部分的超声波测深仪进行校准得到合适的技术参数，并测量出测深仪的关键指标；对每一台测深仪在出厂时就可以实现校准和性能的检测，取代了测深仪需在江、湖等区域进行复杂测试，从而降低了成本；并利用测深参数计算方程结合实际距离对测深参数进行求解，有效提高了校准检测的精度。

附图说明

图1为校准检测装置的电子系统组成框图；

图2为校准检测装置固定架结构示意图；

图3为校准检测方法的流程框图；

图4为校准检测装置的信号处理流程框图：

图中：1-待测测深仪的换能器，2-校准检测装置的换能器，3-固定架，4-长杆，5-滑轨，6-安装架，7-刻度。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明及其效果作进一步阐述。

如图1、2所示，一种超声波测深仪校准检测装置，由干端和湿端两部分组成，所述干端包括主机、显控软件和电子系统，为提高设备的集成度，通过模块化设计将主机、显控软件和电子系统集成为一体。电子系统包括模拟接收机、模拟发射机和数字处理板，其中，模拟接收机用于接收待测测深仪的发射信号，模拟发射机用于模拟发射测深仪的底回波信号，数字处理板完成信号的处理、检测并发送给显控软件进行显示与控制；所述湿端包括换能器2及固定架3，该换能器2与待测测深仪的换能器1相对安装在固定架3上，两换能器间的距离活动可调；所述固定架3置于水槽内，水槽的水深淹没两换能器。固定架3包括一长杆4，长杆1上设有滑轨5和经严格校准的刻度6，上述两只换能器通过设置在滑轨5内的安装架6活动安装在长杆4上，换能器可沿滑轨5移动来调节换能器间的距离，可通过上下调节安装架6使两换能器的声学中心连线与滑轨5平行。

利用上述校准检测装置进行超声波测深仪技术参数的校准和关键指标的检测的方法，具体包括以下步骤：

a、将待测测深仪的换能器1和校准检测装置的换能器2安装于固定架3上，固定架置于水槽中，由待测测深仪发射信号，校准检测装置的模拟接收机接收信号后，模拟发射机发射模拟底回波信号，待测测深仪检测该回波信号，给出测深结果，用以验证测深仪的功能；

b、所述待测测深仪的待调整参数有N个时，则两个换能器间距的调整次数需大于N次，得到大于N组的测深结果，将测深结果与标尺刻度进行比较，计算误差，按照测深参数算法得到各个测深参数的修正值；用修正值对各参数进行调整，并重新进行测距的验证；

c、设置两个换能器的间距为1m，调节校准检测装置的DA控压，测量测深仪能检测到的最大作用距离；最大作用距离代表设备的极限性能，是对设备出厂的一种性能检验和评估；

d、缩短两个换能器的间距，调节校准检测装置的DA控压，测量测深仪能检测到的最小作用距离；最小作用距离是盲区测量，盲区越小测深仪性能越高，可以满足极浅水测量；

更进一步地，上述测深参数的具体计算步骤如下：

a、若测深仪的声源级为SL，待测测深仪换能器和校准检测仪换能器相聚R，单程传播损失为TL，目标强度为TS，海水的吸收系数为X，校准检测装置的换能器接收灵敏度为Mx，接收增益为BL，发射响应为SL0，发射机有效电压为U；校准检测装置换能器端的信号级为SL-TL，调整换能器间距使R＝1m，那么校准检测装置换能器端信号级为SL，校准检测仪的输出电压级为SL+Mx+BL，对比实际接收的信号大小，通过显控软件得到待测测深仪的实测声源级SL；

b、测深仪遵循声纳方程：SL-2*TL+TS-(NL-DI)>DT，其中，DT为检测阈，DI为指向性指数，NL为噪声级，根据不同的底的类型和噪声背景，根据声源级SL预测出测深仪的最大作用距离Rmax；

c、测深仪工作中的回波级为SL-2*TL+TS，其中TL＝20*LOG(R)+X*R；

校准检测装置的发射声源级SL1＝SL0+20*LOG(U)，其中，电压U由DA控制：

d、通过调整DA改变SL1，来模拟真实回波的大小SL-2*TL+TS，即SL1＝SL-2*TL+TS，建立一个DA和距离R的对应关系，减小DA值，当待测测深仪检测不到模拟回波信号时，记录DA和R的变化，并与Rmax进行比较，得到待测测深仪的最大作用距离。

信号处理

校准检测装置的模拟接收机接收待测测深仪的发射信号，并发送给数字处理板进行信号处理、检测。测深处理时，要求有高的距离分辨力，所以测深仪的工作频率较高，但是信号的目标和起伏信息大都存在于包络中，在信号处理时需要对目标信号进行频率搬移，频率搬移指将接收到的回波信号混频到低频进行处理，这样可以降低数据运算量。即以接收信号的所在频率为依据，乘以由采样形式和采样频率确定的某一频率的余弦信号，并进行低通滤波，得到回波的基带信号。例如：假设测深仪的中心频率为200KHz，频率覆盖范围为190KHz-210KHz,则可将接收信号乘以频率为200KHz的余弦信号，并进行低通滤波，滤波器截止频率为10kHz，则得到回波的基带信号， 然后对基带信号进行判别和提取，就可以完成对测深仪信号的检测。检测到信号之后，通过相应的设置和计算，给出不同的回波信息，就完成了校准检测仪的信号处理流程。信号处理流程如图4所示。

以上实施例仅是示例性的，并不会局限本发明，应当指出对于本领域的技术人员来说，在本发明所提供的技术启示下，所做出的其它等同变型和改进，均应视为本发明的保护范围。