海洋测深声呐标准化检测体系的建立方法研究

陈允约，刘智敏，曹玉芬，阳凡林，秦琳

（1.交通运输部天津水运工程科学研究所，天津300456；2.山东科技大学测绘科学与工程学院，青岛266590；3.天津航天中为数据系统科技有限公司，天津300456）

海洋测深声呐标准化检测体系的建立方法研究

陈允约1，刘智敏2，曹玉芬1，阳凡林2，秦琳3

（1.交通运输部天津水运工程科学研究所，天津300456；2.山东科技大学测绘科学与工程学院，青岛266590；3.天津航天中为数据系统科技有限公司，天津300456）

目前，海洋声呐仪器在海洋科学研究、海洋工程建设、海洋环境保护等领域中得到广泛应用，但绝大多数仪器缺少相应的计量检定、检测或校准方法，也没有形成合理的标准检测体系，仪器质量和测量数据的质量都无法得到保证。文中提出了一种海洋测深声呐标准化检测体系的建立方法，首先分析了国内外研究现状，概述了该体系的主要内容，提出了主要检测范围和检测对象，然后重点介绍了以山东科技大学海洋测绘综合实验室为基础建立的硬件检测平台和以VC++6.0开发的软件检测平台，以多波束测深仪为例，具体阐述了相应的技术标准和检测方案，最后给出了结论。

声呐；标准化；多波束测深仪；检测体系

21世纪是海洋世纪，海洋是国家战略资源基地、国家安全的海上屏障、贸易往来的必经之路，是沿海地区发展的重要依托、沿岸生态环境的支撑保障和未来生产与活动的空间，是开发潜力巨大的空间领域［1］。李克强总理曾指出：发展海洋经济和海洋事业，要加强科技支撑，加快培养所需要的各方面人才，积极推进海洋科学研究和技术应用，深入开展极地考察和大洋考察，着力提升海洋科技创新能力［2］。作为测绘与地理信息行业的分支，海洋测绘能够为海洋科学研究、海洋资源开发、海岸工程建设、海洋环境保护等领域提供基础资料和科学依据，而海洋声呐测量仪器正是海洋测绘发展中必不可少的重要工具。

目前，单波束测深仪、多波束测深系统、浅地层剖面仪等海洋测深声呐仪器是海底地形地貌测量的主要仪器，随着海洋开发、海洋科学研究等迅速发展，海洋测深声呐仪器在国内许多部门和单位（如国家海洋局、交通运输部海事局与航道局、各省市海测大队等）中大量引进，广泛使用，并发挥了巨大的作用。但是，由于缺乏实验室计量检测手段，大多数仪器无法进行规范有效的检定/校准，只能采取现场自校或比测的办法，且无统一规范，严重影响到观测数据的可靠性、准确性及可信度，所获取的数据资料存在很大的质量隐患。因此，如何保证海洋声呐测量设备的数据质量成为亟待解决的问题。

1 国内外研究现状

国外对检测体系及运行机制的研究始于20世纪初期，进入20世纪60年代以后，美国的菲根堡姆提出“全面质量管理”这一全新概念，其体现了“预防为主”的思想［3］。在单波束测深仪、多波束测深系统、声速仪等常用海洋声呐仪器的检测与校准方面，国外的专家学者起步较早，且取得的研究成果较为成熟。2004年，美国伍兹霍尔海洋研究所的Kenneth G.Foote、Dezhang Chu、Terence R.Hammar等人建立了多波束声呐系统的校准协议，该协议是基于标准目标法给出了声呐系统的绝对物理测量方法，且对回波信号处理的准确度进行精度评定［4］。2005年，挪威农业大学的Jan Terje Bjørke提出了一种基于最小二乘原理的多波束测深系统的参数校准方法，该方法可以实现多波束测深系统中的横摇（Roll）、纵摇（Pitch）、艏向（Heading）以及换能器相对于参考点的水平位移的校准［5］。2006年，日本东北大学的Aaron D.Sweeney和美国加利福尼亚州斯克里普斯海洋研究所C.David Chadwell、John A.Hildebrand在一个温度可以控制的实验室水池（海水）进行了声速仪的检测，利用海水声速计算方程得出的测量结果精度达到了±0.034 m/s［6］。

较之国外，我国对海洋测深声呐仪器的检测/校准技术研究起步较晚，现有的海底声呐测量仪器计量检测技术体系始于20世纪90年代，目前国内海底声呐测量仪器计量检测技术有国家标准一项，行业标准三项。由国家海洋局第三海洋研究所起草的GB/T 12763.5-2007《海洋调查规范海洋声、光要素调查》规定了海洋声、光要素调查的技术指标、测量方法、数据记录和整理［7］；由国家海洋标准计量中心起草的HY/T 101-2007《海水声速仪检测方法》规定了海水声速仪的检测项目、检测设备、检测条件、检测方法和检测报告编写的要求［8］；由海洋技术研究所起草的HT/T 006-91《SBA3-2型台站声学测波仪》规定了SBA3-2型台站声学测波仪的产品规格、技术要求、试验方法、检验规则及标志、包装、运输和贮存，是SBA3-2型台站声学测波仪生产、验收和使用的依据［9］；由交通运输部天津水运工程科学研究所和无锡海鹰加科电子设备有限公司联合起草的JT/T 571-2004《水运工程回声测深仪》规定了回声测深仪的术语和定义、产品分类、技术要求、试验方法、检验规则及标志、包装、运输和贮存［10］。

2012年5月20日，世界气象组织亚太区域海洋仪器检测评价中心在天津正式成立，该中心的成立标志着我国在承担制定全球海洋观测标准、实现全球海洋观测数据资源共享、提升海洋观测质量等方面又迈出了坚实的一步，也对加快我国在海洋仪器、计量检测、标准研究等领域的技术进步具有重要的意义［11］。之后，相继于2012年12月、2013年7月在天津举办了两次亚太区域海洋仪器检测技术培训研讨会，进一步规范了亚太区域海洋测量仪器的检测工作，培养了优秀的检测技术人员，提高了检测技术水平，促进了中国与亚太区域海洋事业的和谐发展。

2 海洋测深声呐标准化检测体系概述

2.1 标准化检测体系的概念

国家标准GB/T2000.1⁃2002《标准化工作指南第1部分：标准化和相关活动的通用词汇》中对标准化作出了定义：“为了在一定范围内获得最佳秩序，对现实问题或潜在问题制定共同使用和重复使用的条款的活动”［12］。目前，国内还没有设立专业的、具有法制性的海洋测深声呐仪器质量检测机构，更没有形成系统的海洋测深声呐设备检测体系，因此，相对于其他行业众多已存在的检测体系来说，海洋测深声呐标准化检测体系是一个全新的概念。本文提出的检测体系旨在保障海洋测深声呐仪器的质量，其主要包括具有相关海洋测深声呐仪器检测能力的检测平台、海洋测深声呐设备检测与校准方案和海洋测深声呐设备检测技术标准三部分组成。

2.2 主要检测对象和检测指标范围

根据海洋测深声呐设备检测技术标准，该检测体系的主要检测对象集中在常用的海洋测深声呐设备，如单波束测深仪、多波束测深仪、声速剖面仪、姿态传感器、艏向传感器以及其他声呐仪器或辅助传感器。根据仪器的生产和使用，检测技术标准分为出厂后、使用前和使用中3个阶段对设备进行跟踪监督检测或校准，实施全程质量控制。

对于单波束测深仪，主要检测指标包括深度、频率、波束角等；相比单波束测深仪，多波束测深系统的检测指标也包括了深度、频率和波束角，同时还增加了波束指向性、分辨力、声源级等声学指标；声速剖面仪的检测指标为声速；姿态传感器的检测指标为横摇、纵摇和上下升沉三项指标；艏向传感器的检测指标为航向。

2.3 检测体系的构成

海洋测深声呐标准化检测体系是海洋测深声呐设备质量安全的技术防范堡垒，也是这些仪器设备精度、质量可靠性的保障，该体系由3个部分构成，不同部分的性质与内容各有不同，其中包括海洋测深声呐检测平台、海洋测深声呐设备检测与校准方案和海洋测深声呐设备检测技术标准，检测体系结构示意图如图1所示。

图1 检测体系构成示意图Fig.1Structure diagram of detection system

3 检测平台与技术标准

3.1 检测平台

作为海洋测深声呐标准化检测体系中的一部分，海洋测深声呐检测平台是实施测深声呐仪器性能检测或校准的基本场所或媒介，基于检测平台可以进行检测或校准工作的外业测试和内业数据处理。检测平台的可靠性和稳定性关系到整个检测体系的质量好坏，因此，海洋测深声呐检测平台的建立在整个标准检测体系中起到十分关键的作用。

海洋测深声呐标准化检测体系主要包括硬件检测平台和软件检测平台两个部分：硬件检测平台负责提供常用海洋声呐测量仪器的检测场所，以建立设备检测场为目的，开展相关检测试验和业务，本文的海洋测深声呐硬件测试平台是基于山东科技大学海洋测绘综合实验室建立的，主要包括大型消声水池（图2）、多维姿态检测装置和三维行车装置3个部分；软件检测平台提供整个检测过程中数据处理、输出证书或结果、文件管理等功能，本文建立的软件平台以C++语言为设计语言，以Visual C++6.0为设计平台。

图2 消声水池Fig.2Anechoic tank

3.2 检测技术标准

技术标准是指对标准化领域中需要协调统一的技术事项所制定的标准，是标准体系中的主体，通常包括基础标准、产品标准、方法标准、保护标准。本文研究建立的海洋测深声呐设备检测技术标准是对常用海洋测深声呐设备的技术要求、试验方法、产品分类等制定协调统一的要求和方法。参考JJF 1002-2010《国家计量检定规程编写规则》，该技术标准中主要从性能要求、通用技术要求和器具控制3个方面提出了声呐仪器检测技术要求。

以多波束测深仪技术标准为例：标准适用于多波束测深仪的首次检测和后续检测；在性能要求中，主要从测量范围、工作频率、准确度和重复性4个方面规定了相应的性能要求；通用技术要求则是对仪器的外观质量、整机结构等给出了规定；器具控制首先提出了检测条件和检测设备，重点说明了检测或校准方案的具体过程。

4 检测方案

4.1 误差来源

通常多波束测深误差包括随机误差、系统误差和粗差。其中，系统误差和粗差是影响测深精度的主要原因，粗差的绝对值较大但数量少，系统误差则是以一定的规律存在于观测数据中。根据误差与测量深度的关系，多波束测深误差可以分为绝对误差和相对误差。绝对误差与水深无关，如船体升沉测量误差、潮汐改正误差、定位误差、船体纵横摇引起的误差等；相对误差与水深密切相关，如声速误差、波束角引起的误差等。

4.2 检测方案

根据检测技术标准中的要求，以多波束测深仪的测深检测为例：在进行检测时，首先利用全站仪测量试验水池底的三维地形，由于全站仪的测距准确度较高，结果作为真值；然后使用多波束进行相同区域内的池底地形测量（即水深测量），结果作为被检值；将两组数据格网化，并设置格网起点和行列数相同；最后将格网化后的数据相减，计算差值的实验标准差，以此评定测深准确度。

4.3 数据分析

本文使用.dat格式的多波束测深数据，内容包括：ping、波束号、转换纵坐标、转换横坐标、水深、波束北坐标、波束东坐标、测线方向，部分数据见表1。

本文采用反距离加权插值法（也称为距离倒数乘方法）对测量数据进行格网化，如公式（1）

式中：f()

d为插值点的水深；di为第i个测量点到插值点之间的距离；u为权指数；Zi为第i个测量点水深。

利用检测软件对全站仪观测数据和多波束测量数据进行格网化（图3），再将格网化后的数据相减求标准差，其中部分点没有多波束测深数据，不将其列入作差范围，最终求得差值的标准差为5 cm。

表1 .dat数据格式Tab.1Data format.dat

图3 数据格网化界面Fig.3Interface of data grid

5 结论

现如今，国内外多波束测深仪、浅地层剖面仪等海洋声呐仪器的应用较为广泛，但缺少相应的检测、检定或校准体系，大部分仪器只提出了出厂检测或校准方法，但没有形成统一的体系，没有制定国家或行业标准，仪器质量和测量结果得不到有效保障。本文通过研究建立海洋测深声呐检测体系的方法，提出建立标准化的检测体系，其中包括海洋测深声呐硬件/软件检测平台、检测技术标准和技术方案，在一定程度上为海洋测深声呐仪器的技术检测和质量认证提供了依据，也为制定海洋测深声呐仪器的国家或行业标准奠定了基础，促进了科学合理的标准化体系的形成。

［1］王芳.我国海洋资源开发规划研究［J］.国土资源，2001，22（1）：1-8. WANG F.The marine resources development planning study of our country［J］.Land and Resources，2001，22（1）:1-8.

［2］吴晶晶.坚持陆海统筹制定实施海洋发展战略，提高海洋开发和控制及综合管理能力［N/OL］.中国国土资源报，2010-12-03（01）.http://www.mlr.gov.cn/xwdt/jrxw/201012/t20101203_799353.htm.

［3］张勇.农产品质量安全与认证［M］.辽宁：辽宁科学技术出版社，2004.

［4］Foote K G，CHU D Z，Hammar T R，et al.Protocols for Calibrating Multi⁃beam Sonar［J］.Acoustical Society of America，2005，117（4）:2 013-2 027.

［5］Jan Terje Bjørke.Computation of Calibration Parameters for Multi⁃beam Echo Sounders Using the Least Squares Method［J］.IEEE Journal of Oceanic Engineering，2005，30（4）:818-831.

［6］Sweeney A D，Chadwell C D，Hildebrand J A.Calibration of a Seawater Sound Velocimeter［J］.IEEE Journal of Oceanic Engineer⁃ing，2006，31（2）:454-461.

［7］GB/T12763.5-2007，海洋调查规范海洋声、光要素调查［S］.

［8］HY/T101-2007，海水声速仪检测方法［S］.

［9］HT/T006-91，SBA3-2型台站声学测波仪［S］.

［10］JT/T571-2004，水运工程回声测深仪［S］.

［11］赵建东，周超.亚太区域海洋仪器检测评价中心在津成立［N/OL］.中国海洋报，2012-5-21（A1）.http://www.mlr.gov.cn/ xwdt/hyxw/201205/t20120521_1100875.htm.

［12］GB/T2000.1-2002，标准化工作指南第1部分：标准化和相关活动的通用词汇［S］.

Study on establishment method of standardized testing system in marine sounding sonar

CHEN Yun⁃yue1,LIU Zhi⁃min2,CAO Yu⁃fen1,YANG Fan⁃lin2,QIN Lin3
（1.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Tianjin 300456,China;2 Geomatics College, Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590,China;3 Tian Jin Zhong Wei Aerospace Data System Technology Co.,Ltd.,Tianjin 300456,China）

At present,marine sonar instrument has been widely used in scientific research,engineering con⁃struction and environmental protection in the field of marine,but most instruments lack method of metrological veri⁃fication,testing or calibration.Without standardized testing system,the quality of instrument cannot be guaranteed. A method to establish the system was proposed in this paper.The research status at home and abroad was first ana⁃lyzed,followed by the main content of the system.Then the testing scope and object were proposed,so were hard⁃ware testing platform based on the laboratory of marine surveying and mapping in Shandong University of Science and Technology and software testing platform with VC++6.0.The technical standards and testing methods were elaborated,which took multi⁃beam echo sounder as example.At last,the conclusion was proposed.

sonar；standardization；multi⁃beam echo sounder；testing system

P 715

A

1005-8443（2014）06-0642-05

交通运输全面深化改革九项试点启动

2013-12-18；

2013-12-23

交通运输部标准、计量及质量项目（2013459224260）

陈允约（1988-），男，江苏省盐城人，助理工程师，主要从事海洋测量与计量技术研究。Biography：CHEN Yun⁃yue（1988-），male，assistant engineer.

本刊从交通运输部获悉，不久前，交通运输部发出了决定在全国开展九项改革试点工作的通知。九项改革试点工作提出，要力争通过一年左右的实施工作，形成一批具有示范效应的试验成果和可复制、可推广的改革经验;两至三年，在全国更大范围内开展推行试点，发挥更大示范带动效应，不断将交通运输改革引向深入。在具体内容上，改革试点主要涉及交通运输综合改革、综合交通运输改革、交通运输综合行政执法改革、交通基础设施投融资政府与社会资本合作等模式探索、部属事业单位分类改革、公路建设管理体制改革;区域港口发展一体化探索、京津冀城乡客运一体化探索以及“平安交通”安全体系建设。其中，港口发展一体化试点主要在江苏和广西两省展开，江苏重点探索整合锚地、航线资源，促进岸线集约利用，优化港口功能布局;广西重点整合港口行政资源，完善以资本为纽带的经营模式。（殷缶，梅深）