本發(fā)明屬于海洋探測技術(shù)領(lǐng)域，涉及超聲波測深儀的校準(zhǔn)檢測技術(shù)，具體指一種超聲波測深儀校準(zhǔn)檢測裝置及其校準(zhǔn)檢測方法。

背景技術(shù)：

超聲波測深儀是一種適用于江河湖泊、水庫航道、港口碼頭、沿海、深海的水下斷面和水下地形測量及導(dǎo)航、水下物探等諸多水域的水深測量儀器。超聲波測深儀的主要性能取決于以下幾個(gè)技術(shù)指標(biāo)：測量精度、盲區(qū)、作用距離等。超聲波測深儀用途十分廣泛，市場上產(chǎn)品也很多，但是目前并沒有一套完整的方法和設(shè)備對其進(jìn)行校準(zhǔn)和性能的檢測。

超聲波測深儀由聲學(xué)元件、電子元件、機(jī)電元件組成，精度由上述元件的精度和使用方法決定，例如不同批次間的換能器參數(shù)、電路的噪聲、發(fā)射聲源級均不同，以及對應(yīng)不同設(shè)備的測深參數(shù)也不相同，因此使用之前對其進(jìn)行校準(zhǔn)和檢測是非常必要的。

目前，超聲波測深儀的校準(zhǔn)裝置一般都是單純的機(jī)械裝置，此種裝置通過螺桿準(zhǔn)確測定水深，用游標(biāo)卡尺測定記錄水深，選用高精度溫、鹽、深計(jì)算水中聲速，然后用上述直接測量值，間接校準(zhǔn)測深儀的穩(wěn)定性和聲速值。因此，現(xiàn)有校準(zhǔn)裝置的操作和計(jì)算均相對復(fù)雜，且只能校準(zhǔn)部分測深所用的參數(shù)，對測深儀的其他指標(biāo)并沒有檢測和評估能力，使用局限性較大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對上述技術(shù)問題，本發(fā)明利用水聲學(xué)技術(shù)研制了一種新型超聲波測深儀的校準(zhǔn)檢測裝置及其校準(zhǔn)檢測方法，有效解決了現(xiàn)有測深儀的機(jī)械式校準(zhǔn)檢測裝置操作、計(jì)算復(fù)雜，校準(zhǔn)檢測精度低，以及使用受限的技術(shù)問題。

本發(fā)明通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)上述目的：

一種超聲波測深儀校準(zhǔn)檢測裝置，由干端和濕端兩部分組成，所述干端包括主機(jī)、顯控軟件和電子系統(tǒng)，電子系統(tǒng)包括模擬接收機(jī)、模擬發(fā)射機(jī)和數(shù)字處理板，其中，模擬接收機(jī)用于接收待測測深儀的發(fā)射信號，模擬發(fā)射機(jī)用于模擬發(fā)射測深儀的底回波信號，數(shù)字處理板完成信號的處理、檢測并發(fā)送給顯控軟件；所述濕端包括換能器及固定架，該換能器與待測測深儀的換能器相對安裝在固定架上，兩換能器間的距離活動(dòng)可調(diào)；所述固定架置于水槽內(nèi)，水槽的水深淹沒兩換能器。

作為本裝置的優(yōu)化方案，所述固定架包括一長桿，長桿上設(shè)有滑軌，兩換能器活動(dòng)安裝在長桿上，通過沿滑軌移動(dòng)來調(diào)節(jié)換能器間的距離。

作為本裝置的優(yōu)化方案，所述換能器通過設(shè)置在滑軌內(nèi)的安裝架與固定架連接，通過上下調(diào)節(jié)安裝架使兩換能器的聲學(xué)中心連線與滑軌平行。

作為本裝置的優(yōu)化方案，所述長桿上設(shè)有嚴(yán)格校準(zhǔn)的刻度。

一種超聲波測深儀校準(zhǔn)檢測裝置的校準(zhǔn)檢測方法，其特征在于， 具體包括以下步驟：

a、將待測測深儀換能器和校準(zhǔn)檢測裝置的換能器安裝于固定架上，固定架置于水槽中，由待測測深儀發(fā)射信號，校準(zhǔn)檢測裝置的模擬接收機(jī)接收信號后，模擬發(fā)射機(jī)發(fā)射模擬底回波信號，待測測深儀檢測該回波信號，給出測深結(jié)果，用以驗(yàn)證測深儀的功能；

b、通過滑軌調(diào)整兩個(gè)換能器間的間距多次，得到多組測深結(jié)果，將測深結(jié)果與標(biāo)尺刻度進(jìn)行比較，計(jì)算誤差，按照測深參數(shù)算法得到各個(gè)測深參數(shù)的修正值；用修正值對各參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，并重新進(jìn)行測距的驗(yàn)證；

c、設(shè)置兩個(gè)換能器的間距為1m，調(diào)節(jié)校準(zhǔn)檢測裝置的DA控壓，測量測深儀能檢測到的最大作用距離；

d、縮短兩個(gè)換能器的間距，調(diào)節(jié)校準(zhǔn)檢測裝置的DA控壓，測量測深儀能檢測到的最小作用距離。

作為本方法的優(yōu)化方案，所述待測測深儀的待調(diào)整參數(shù)有N個(gè)時(shí)，則兩個(gè)換能器間距的調(diào)整次數(shù)需大于N次，得到大于N組的測深結(jié)果，目的是留有一定的冗余度。

作為本方法的優(yōu)化方案，所述測深參數(shù)的具體計(jì)算步驟如下：

a、若測深儀的聲源級為SL，待測測深儀換能器和校準(zhǔn)檢測裝置換能器相聚R，單程傳播損失為TL，目標(biāo)強(qiáng)度為TS，海水的吸收系數(shù)為X，校準(zhǔn)檢測裝置的換能器接收靈敏度為Mx，接收增益為BL，發(fā)射響應(yīng)為SL0，發(fā)射機(jī)有效電壓為U；校準(zhǔn)檢測裝置換能器端的信號級為SL-TL，調(diào)整換能器間距使R＝1m，則校準(zhǔn)檢測裝置換能器端 信號級為SL，校準(zhǔn)檢測裝置的輸出電壓級為SL+Mx+BL，對比實(shí)際接收的信號大小，通過顯控軟件得到待測測深儀的實(shí)測聲源級SL；

b、測深儀遵循聲納方程：SL-2*TL+TS-(NL-DI)>DT，其中，DT為檢測閾，DI為指向性指數(shù)，NL為噪聲級，根據(jù)不同的底的類型和噪聲背景，根據(jù)聲源級SL預(yù)測出測深儀的最大作用距離Rmax；

c、測深儀工作中的回波級為SL-2*TL+TS，其中TL＝20*LOG(R)+X*R；

校準(zhǔn)檢測裝置的發(fā)射聲源級SL1＝SL0+20*LOG(U)，其中，電壓U由DA控制：

d、通過調(diào)整DA改變SL1，來模擬真實(shí)回波的大小SL-2*TL+TS，即SL1＝SL-2*TL+TS，建立一個(gè)DA和距離R的對應(yīng)關(guān)系，減小DA值，當(dāng)待測測深儀檢測不到模擬回波信號時(shí)，記錄DA和R的變化，并與Rmax進(jìn)行比較，得到待測測深儀的最大作用距離。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明旨在利用水聲學(xué)技術(shù)，研制一套超聲波測深儀的校準(zhǔn)檢測裝置及其校準(zhǔn)檢測方法，簡單易于操作，可靠有效，可對市場上大部分的超聲波測深儀進(jìn)行校準(zhǔn)得到合適的技術(shù)參數(shù)，并測量出測深儀的關(guān)鍵指標(biāo)；對每一臺測深儀在出廠時(shí)就可以實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)和性能的檢測，取代了測深儀需在江、湖等區(qū)域進(jìn)行復(fù)雜測試，從而降低了成本；并利用測深參數(shù)計(jì)算方程結(jié)合實(shí)際距離對測深參數(shù)進(jìn)行求解，有效提高了校準(zhǔn)檢測的精度。

附圖說明

圖1為校準(zhǔn)檢測裝置的電子系統(tǒng)組成框圖；

圖2為校準(zhǔn)檢測裝置固定架結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為校準(zhǔn)檢測方法的流程框圖；

圖4為校準(zhǔn)檢測裝置的信號處理流程框圖：

圖中：1-待測測深儀的換能器，2-校準(zhǔn)檢測裝置的換能器，3-固定架，4-長桿，5-滑軌，6-安裝架，7-刻度。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明及其效果作進(jìn)一步闡述。

如圖1、2所示，一種超聲波測深儀校準(zhǔn)檢測裝置，由干端和濕端兩部分組成，所述干端包括主機(jī)、顯控軟件和電子系統(tǒng)，為提高設(shè)備的集成度，通過模塊化設(shè)計(jì)將主機(jī)、顯控軟件和電子系統(tǒng)集成為一體。電子系統(tǒng)包括模擬接收機(jī)、模擬發(fā)射機(jī)和數(shù)字處理板，其中，模擬接收機(jī)用于接收待測測深儀的發(fā)射信號，模擬發(fā)射機(jī)用于模擬發(fā)射測深儀的底回波信號，數(shù)字處理板完成信號的處理、檢測并發(fā)送給顯控軟件進(jìn)行顯示與控制；所述濕端包括換能器2及固定架3，該換能器2與待測測深儀的換能器1相對安裝在固定架3上，兩換能器間的距離活動(dòng)可調(diào)；所述固定架3置于水槽內(nèi)，水槽的水深淹沒兩換能器。固定架3包括一長桿4，長桿1上設(shè)有滑軌5和經(jīng)嚴(yán)格校準(zhǔn)的刻度6，上述兩只換能器通過設(shè)置在滑軌5內(nèi)的安裝架6活動(dòng)安裝在長桿4上，換能器可沿滑軌5移動(dòng)來調(diào)節(jié)換能器間的距離，可通過上下調(diào)節(jié)安裝架6使兩換能器的聲學(xué)中心連線與滑軌5平行。

利用上述校準(zhǔn)檢測裝置進(jìn)行超聲波測深儀技術(shù)參數(shù)的校準(zhǔn)和關(guān)鍵指標(biāo)的檢測的方法，具體包括以下步驟：

a、將待測測深儀的換能器1和校準(zhǔn)檢測裝置的換能器2安裝于固定架3上，固定架置于水槽中，由待測測深儀發(fā)射信號，校準(zhǔn)檢測裝置的模擬接收機(jī)接收信號后，模擬發(fā)射機(jī)發(fā)射模擬底回波信號，待測測深儀檢測該回波信號，給出測深結(jié)果，用以驗(yàn)證測深儀的功能；

b、所述待測測深儀的待調(diào)整參數(shù)有N個(gè)時(shí)，則兩個(gè)換能器間距的調(diào)整次數(shù)需大于N次，得到大于N組的測深結(jié)果，將測深結(jié)果與標(biāo)尺刻度進(jìn)行比較，計(jì)算誤差，按照測深參數(shù)算法得到各個(gè)測深參數(shù)的修正值；用修正值對各參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，并重新進(jìn)行測距的驗(yàn)證；

c、設(shè)置兩個(gè)換能器的間距為1m，調(diào)節(jié)校準(zhǔn)檢測裝置的DA控壓，測量測深儀能檢測到的最大作用距離；最大作用距離代表設(shè)備的極限性能，是對設(shè)備出廠的一種性能檢驗(yàn)和評估；

d、縮短兩個(gè)換能器的間距，調(diào)節(jié)校準(zhǔn)檢測裝置的DA控壓，測量測深儀能檢測到的最小作用距離；最小作用距離是盲區(qū)測量，盲區(qū)越小測深儀性能越高，可以滿足極淺水測量；

更進(jìn)一步地，上述測深參數(shù)的具體計(jì)算步驟如下：

a、若測深儀的聲源級為SL，待測測深儀換能器和校準(zhǔn)檢測儀換能器相聚R，單程傳播損失為TL，目標(biāo)強(qiáng)度為TS，海水的吸收系數(shù)為X，校準(zhǔn)檢測裝置的換能器接收靈敏度為Mx，接收增益為BL，發(fā)射響應(yīng)為SL0，發(fā)射機(jī)有效電壓為U；校準(zhǔn)檢測裝置換能器端的信號級為SL-TL，調(diào)整換能器間距使R＝1m，那么校準(zhǔn)檢測裝置換能器端信號級為SL，校準(zhǔn)檢測儀的輸出電壓級為SL+Mx+BL，對比實(shí)際接收的信號大小，通過顯控軟件得到待測測深儀的實(shí)測聲源級SL；

b、測深儀遵循聲納方程：SL-2*TL+TS-(NL-DI)>DT，其中，DT為檢測閾，DI為指向性指數(shù)，NL為噪聲級，根據(jù)不同的底的類型和噪聲背景，根據(jù)聲源級SL預(yù)測出測深儀的最大作用距離Rmax；

c、測深儀工作中的回波級為SL-2*TL+TS，其中TL＝20*LOG(R)+X*R；

校準(zhǔn)檢測裝置的發(fā)射聲源級SL1＝SL0+20*LOG(U)，其中，電壓U由DA控制：

d、通過調(diào)整DA改變SL1，來模擬真實(shí)回波的大小SL-2*TL+TS，即SL1＝SL-2*TL+TS，建立一個(gè)DA和距離R的對應(yīng)關(guān)系，減小DA值，當(dāng)待測測深儀檢測不到模擬回波信號時(shí)，記錄DA和R的變化，并與Rmax進(jìn)行比較，得到待測測深儀的最大作用距離。

信號處理

校準(zhǔn)檢測裝置的模擬接收機(jī)接收待測測深儀的發(fā)射信號，并發(fā)送給數(shù)字處理板進(jìn)行信號處理、檢測。測深處理時(shí)，要求有高的距離分辨力，所以測深儀的工作頻率較高，但是信號的目標(biāo)和起伏信息大都存在于包絡(luò)中，在信號處理時(shí)需要對目標(biāo)信號進(jìn)行頻率搬移，頻率搬移指將接收到的回波信號混頻到低頻進(jìn)行處理，這樣可以降低數(shù)據(jù)運(yùn)算量。即以接收信號的所在頻率為依據(jù)，乘以由采樣形式和采樣頻率確定的某一頻率的余弦信號，并進(jìn)行低通濾波，得到回波的基帶信號。例如：假設(shè)測深儀的中心頻率為200KHz，頻率覆蓋范圍為190KHz-210KHz,則可將接收信號乘以頻率為200KHz的余弦信號，并進(jìn)行低通濾波，濾波器截止頻率為10kHz，則得到回波的基帶信號， 然后對基帶信號進(jìn)行判別和提取，就可以完成對測深儀信號的檢測。檢測到信號之后，通過相應(yīng)的設(shè)置和計(jì)算，給出不同的回波信息，就完成了校準(zhǔn)檢測儀的信號處理流程。信號處理流程如圖4所示。

以上實(shí)施例僅是示例性的，并不會(huì)局限本發(fā)明，應(yīng)當(dāng)指出對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，在本發(fā)明所提供的技術(shù)啟示下，所做出的其它等同變型和改進(jìn)，均應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。