本发明属于海洋测绘技术领域，具体涉及一种多波束声呐主要声学指标的检测装置及检测方法。
背景技术：
多波束声呐是一种具有高精度、高效率、全覆盖等特点的测深仪器，近年来，多波束声呐在海底地形地貌测量、海洋调查、国防应用与研究等领域发挥了巨大的作用。但是，由于缺乏实验室计量检测手段，无法进行规范有效的检测，使观测数据的准确性和可信度受到严重影响，所获取的数据资料存在很大的质量隐患。
技术实现要素：
针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种多波束声呐主要声学指标的检测装置及检测方法，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的效果。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种多波束声呐主要声学指标的检测装置，包括消声水池，消声水池中安装有旋转装置和升降装置，所述旋转装置的底端安装有多波束换能器，其旋转平面与航迹线方向垂直，且沿水平方向发射；所述升降装置的底端安装有标准水听器，标准水听器连接有用于实时记录标准水听器端的开路电压幅值的信号采集器。
优选地，多波束声呐主要声学指标的检测是在消声水池环境下进行的，消声水池是根据吸声系数和吸声频段的要求在水池的所有面上全部挂满消声器，消除水池的池壁、底面和水面对入射声波的的反射，从而模拟一个没有反射的开阔水域声场，消声水池应满足水声测量的自由场、远场条件，待检仪器工作频段决定后，水池的设计主要依据是在脉冲法测量中辐射声脉冲与反射脉冲不发生相互重叠干扰。
优选地，升降装置和旋转装置均具有满足检测要求的精度和系统稳定性，能够满足负载要求，旋转装置在水平面内能够围绕旋转轴自由旋转，升降装置能够在竖直面内沿铅垂线自由升降，升降装置和旋转装置之间的水平距离满足远场要求。
优选地，多波束声呐主要声学指标的检测是结合消声水池和脉冲声技术进行的，任何消声材料不可能达到100％消声，如果仅依靠消声材料构建自由场环境是不够科学合理的，存在消声不完全的弊端；另外，对于频率变化范围较大，工作频段超出消声材料吸声范围的声呐，当检测其低频段的声学参数时，消声材料是无法满足要求的；脉冲声技术是将换能器和水听器安置在距离反射面一定距离处，使测量时的直达声波和反射声波存在足够的时间差，进而将二者分开，模拟自由场，达到测量目的的方法。
此外，本发明还提到一种多波束声呐主要声学指标的检测方法，该方法采用如上所述的一种多波束声呐主要声学指标的检测装置，包括如下步骤：
步骤1：对多波束声呐的发射指向性进行检测，具体包括如下步骤：
步骤1.1：调节多波束声呐设备的包括频率、功率、脉宽、增益、门限在内的工作参数，使其正常、稳定发射脉冲信号。调节标准水听器，使其与多波束换能器大致处于同一水平面；
步骤1.2：通过旋转装置在水平面内将多波束换能器以一定的角度间隔旋转一周，记录每个角度位置处采集到的标准水听器的开路电压值，开路电压最大位置处即为声轴所在竖直面；
步骤1.3：将多波束换能器调节至步骤1.2所述的标准水听器的开路电压最大位置处，固定多波束换能器，调节标准水听器至声轴所在竖直面以下，然后以一定的间隔提升标准水听器至声轴所在竖直面以上，记录各个位置处的标准水听器的开路电压值，其中开路电压最大位置处即为声轴；
步骤2：对多波束声呐的接收指向性进行检测，具体包括如下步骤：
步骤2.1：将标准水听器换为标准声源，并调节升降装置使标准声源至声轴位置；
步骤2.2：通过旋转装置在水平面内以一定的角度间隔旋转多波束换能器；
步骤2.3：通过多波束采集软件接收不同角度位置处标准声源发射的信号，通过解析多波束原始记录数据可得每个角度处的反向散射强度值，从而得到多波束声呐接收指向性及其波束角；
步骤3：对数据进行预处理，具体包括如下步骤：
步骤3.1：设定脉宽时域，分离直达信号、反射信号以及折射信号；
步骤3.2：设计带通滤波器进行频域滤波，滤除谐波和脉宽内环境噪声或系统噪声；
步骤4：根据公式(1.1)，计算频率值；
其中，f为频率；N为一段时间T内的整周期个数；v为采样频率；n为N个周期内的采样点个数；
步骤5：根据公式(1.2)，计算多波束换能器的声源级；
SL＝20lg es+20lg d-20lg Ms+120 (1.2)；
其中，SL为声源级，单位dB；es为声压有效值，单位V；d为标准水听器到多波束换能器的距离，单位m；Ms为标准水听器的接收灵敏度，单位V/Pa；
步骤6：计算波束角。
步骤6.1：将每个位置的脉冲信号幅值转化为声级值；
步骤6.2：将步骤6.1中的转化后的脉冲信号幅值减去全部声级值中的最大值，所得到的数值按顺序排列即可绘制指向性图，其主轴上最大响应声级值为0dB，其两侧方向上的声级值相对于-3dB所对应的开角即为波束角。
本发明所带来的有益技术效果：
本发明利用标准水听器对多波束声呐进行包括频率、声源级和波束宽度的检测，保证了多波束声呐的可靠性、准确性和可信度，填补了这一领域的空白，也为其他海洋测量仪器设备的检测提供了参考。
附图说明
图1是检测装置示意图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
本发明采用的多波束声呐型号为R2 Sonic2024，具体实施步骤如下：
(1)将R2 Sonic2024多波束换能器安装到旋转支架的底端，使其沿水平方向发射，并保证换能器旋转平面与航迹线方向垂直。调节声呐设备的工作参数(频率、功率、脉宽、增益、门限等)，使其正常、稳定发射脉冲信号。
(2)将RESON TC4014-5标准水听器安装到升降支架上，并与安捷伦(Agilent)信号采集器连接。当脉冲信号进入水听器，信号采集器实时记录水听器端的开路电压幅值。
(3)调节水听器，使其与多波束换能器大致处于同一水平面。固定水听器，通过旋转装置以0.05°的角度间隔在水平面内转动多波束换能器，同时记录该点位置处水听器的开路电压值。旋转一周后，每个角度位置处都可采集到水听器端的一个开路电压值，其中开路电压最大位置处即为声轴所在竖直面。将多波束换能器调节至水听器开路电压最大处，固定多波束换能器不动，然后调节水听器至多波束声轴面以下1.5m，以一定的间隔提升水听器支架，同时记录该点位置处水听器的开路电压值，直至水听器提升至声轴面以上1.5m。其中开路电压最大位置处即为声轴方向。
(4)将标准水听器换为标准声源，并调节升降支架使其至声轴位置。控制旋转装置以0.05°的角度水平方向旋转换能器，多波束采集软件接收不同角度位置处标准声源发射的信号，通过解析多波束记录的XTF数据可得每个角度处的反向散射强度值，据此得到多波束接收指向性及其波束角。
(5)数据预处理。数据采集完成后，需要对其进行预处理。由于采集到的信号中存在反射声波、系统噪声及环境噪声等噪声，所以在指标计算前需要滤除这部分的干扰。通过设定合适的脉宽时域，分离直达信号和反射(折射)信号；设计带通滤波器进行频域滤波，滤除谐波和脉宽内环境噪声或系统噪声。
(6)频率计算。通过公式计算频率值。
(7)声源级计算。根据脉冲信号最大声压幅值，计算多波束换能器的声源级。
(8)波束角的计算。将每个位置的脉冲信号幅值转化为声级值后减去全部声级值中的最大值，所得到的数值按顺序排列即可绘制指向性图。此时主轴上最大响应声级值为0dB，其两侧方向上的声级值相对于-3dB所对应的开角，即波束角。
以上是多波束声呐主要声学指标检测方法的详细实施步骤，其中(6)步骤中工作频率的计算公式为：
式(1.1)中，f为频率；N为一段时间T内的整周期个数；v为采样频率；n为N个周期内的采样点个数。
步骤(7)中声源级的计算公式为：
SL＝20lg es+20lg d-20lg Ms+120 (1.2)
式(1.2)中，SL为声源级，单位dB；es为声压有效值，单位V；d为标准水听器到换能器的距离，单位m；Ms为标准水听器的接收灵敏度，单位V/Pa。
实例与讨论：
R2 Sonic2024多波束声呐声源级的标称值为210dB，实际检测值为209.350dB；频率的标称值为200kHz，实际检测值为200.003kHz；沿航迹线方向波束宽度的标称值为1°，检测值为1.09°，垂直航迹线方向波束宽度的标称值为0.5°，检测值为0.57°。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。