海洋測深聲吶標準化檢測體系的建立方法研究

陳允約，劉智敏，曹玉芬，陽凡林，秦琳

（1.交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津300456；2.山東科技大學測繪科學與工程學院，青島266590；3.天津航天中為數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司，天津300456）

海洋測深聲吶標準化檢測體系的建立方法研究

陳允約1，劉智敏2，曹玉芬1，陽凡林2，秦琳3

（1.交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津300456；2.山東科技大學測繪科學與工程學院，青島266590；3.天津航天中為數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司，天津300456）

目前，海洋聲吶儀器在海洋科學研究、海洋工程建設(shè)、海洋環(huán)境保護等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，但絕大多數(shù)儀器缺少相應(yīng)的計量檢定、檢測或校準方法，也沒有形成合理的標準檢測體系，儀器質(zhì)量和測量數(shù)據(jù)的質(zhì)量都無法得到保證。文中提出了一種海洋測深聲吶標準化檢測體系的建立方法，首先分析了國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，概述了該體系的主要內(nèi)容，提出了主要檢測范圍和檢測對象，然后重點介紹了以山東科技大學海洋測繪綜合實驗室為基礎(chǔ)建立的硬件檢測平臺和以VC++6.0開發(fā)的軟件檢測平臺，以多波束測深儀為例，具體闡述了相應(yīng)的技術(shù)標準和檢測方案，最后給出了結(jié)論。

聲吶；標準化；多波束測深儀；檢測體系

21世紀是海洋世紀，海洋是國家戰(zhàn)略資源基地、國家安全的海上屏障、貿(mào)易往來的必經(jīng)之路，是沿海地區(qū)發(fā)展的重要依托、沿岸生態(tài)環(huán)境的支撐保障和未來生產(chǎn)與活動的空間，是開發(fā)潛力巨大的空間領(lǐng)域［1］。李克強總理曾指出：發(fā)展海洋經(jīng)濟和海洋事業(yè)，要加強科技支撐，加快培養(yǎng)所需要的各方面人才，積極推進海洋科學研究和技術(shù)應(yīng)用，深入開展極地考察和大洋考察，著力提升海洋科技創(chuàng)新能力［2］。作為測繪與地理信息行業(yè)的分支，海洋測繪能夠為海洋科學研究、海洋資源開發(fā)、海岸工程建設(shè)、海洋環(huán)境保護等領(lǐng)域提供基礎(chǔ)資料和科學依據(jù)，而海洋聲吶測量儀器正是海洋測繪發(fā)展中必不可少的重要工具。

目前，單波束測深儀、多波束測深系統(tǒng)、淺地層剖面儀等海洋測深聲吶儀器是海底地形地貌測量的主要儀器，隨著海洋開發(fā)、海洋科學研究等迅速發(fā)展，海洋測深聲吶儀器在國內(nèi)許多部門和單位（如國家海洋局、交通運輸部海事局與航道局、各省市海測大隊等）中大量引進，廣泛使用，并發(fā)揮了巨大的作用。但是，由于缺乏實驗室計量檢測手段，大多數(shù)儀器無法進行規(guī)范有效的檢定/校準，只能采取現(xiàn)場自?；虮葴y的辦法，且無統(tǒng)一規(guī)范，嚴重影響到觀測數(shù)據(jù)的可靠性、準確性及可信度，所獲取的數(shù)據(jù)資料存在很大的質(zhì)量隱患。因此，如何保證海洋聲吶測量設(shè)備的數(shù)據(jù)質(zhì)量成為亟待解決的問題。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國外對檢測體系及運行機制的研究始于20世紀初期，進入20世紀60年代以后，美國的菲根堡姆提出“全面質(zhì)量管理”這一全新概念，其體現(xiàn)了“預(yù)防為主”的思想［3］。在單波束測深儀、多波束測深系統(tǒng)、聲速儀等常用海洋聲吶儀器的檢測與校準方面，國外的專家學者起步較早，且取得的研究成果較為成熟。2004年，美國伍茲霍爾海洋研究所的Kenneth G.Foote、Dezhang Chu、Terence R.Hammar等人建立了多波束聲吶系統(tǒng)的校準協(xié)議，該協(xié)議是基于標準目標法給出了聲吶系統(tǒng)的絕對物理測量方法，且對回波信號處理的準確度進行精度評定［4］。2005年，挪威農(nóng)業(yè)大學的Jan Terje Bj?rke提出了一種基于最小二乘原理的多波束測深系統(tǒng)的參數(shù)校準方法，該方法可以實現(xiàn)多波束測深系統(tǒng)中的橫搖（Roll）、縱搖（Pitch）、艏向（Heading）以及換能器相對于參考點的水平位移的校準［5］。2006年，日本東北大學的Aaron D.Sweeney和美國加利福尼亞州斯克里普斯海洋研究所C.David Chadwell、John A.Hildebrand在一個溫度可以控制的實驗室水池（海水）進行了聲速儀的檢測，利用海水聲速計算方程得出的測量結(jié)果精度達到了±0.034 m/s［6］。

較之國外，我國對海洋測深聲吶儀器的檢測/校準技術(shù)研究起步較晚，現(xiàn)有的海底聲吶測量儀器計量檢測技術(shù)體系始于20世紀90年代，目前國內(nèi)海底聲吶測量儀器計量檢測技術(shù)有國家標準一項，行業(yè)標準三項。由國家海洋局第三海洋研究所起草的GB/T 12763.5-2007《海洋調(diào)查規(guī)范海洋聲、光要素調(diào)查》規(guī)定了海洋聲、光要素調(diào)查的技術(shù)指標、測量方法、數(shù)據(jù)記錄和整理［7］；由國家海洋標準計量中心起草的HY/T 101-2007《海水聲速儀檢測方法》規(guī)定了海水聲速儀的檢測項目、檢測設(shè)備、檢測條件、檢測方法和檢測報告編寫的要求［8］；由海洋技術(shù)研究所起草的HT/T 006-91《SBA3-2型臺站聲學測波儀》規(guī)定了SBA3-2型臺站聲學測波儀的產(chǎn)品規(guī)格、技術(shù)要求、試驗方法、檢驗規(guī)則及標志、包裝、運輸和貯存，是SBA3-2型臺站聲學測波儀生產(chǎn)、驗收和使用的依據(jù)［9］；由交通運輸部天津水運工程科學研究所和無錫海鷹加科電子設(shè)備有限公司聯(lián)合起草的JT/T 571-2004《水運工程回聲測深儀》規(guī)定了回聲測深儀的術(shù)語和定義、產(chǎn)品分類、技術(shù)要求、試驗方法、檢驗規(guī)則及標志、包裝、運輸和貯存［10］。

2012年5月20日，世界氣象組織亞太區(qū)域海洋儀器檢測評價中心在天津正式成立，該中心的成立標志著我國在承擔制定全球海洋觀測標準、實現(xiàn)全球海洋觀測數(shù)據(jù)資源共享、提升海洋觀測質(zhì)量等方面又邁出了堅實的一步，也對加快我國在海洋儀器、計量檢測、標準研究等領(lǐng)域的技術(shù)進步具有重要的意義［11］。之后，相繼于2012年12月、2013年7月在天津舉辦了兩次亞太區(qū)域海洋儀器檢測技術(shù)培訓(xùn)研討會，進一步規(guī)范了亞太區(qū)域海洋測量儀器的檢測工作，培養(yǎng)了優(yōu)秀的檢測技術(shù)人員，提高了檢測技術(shù)水平，促進了中國與亞太區(qū)域海洋事業(yè)的和諧發(fā)展。

2 海洋測深聲吶標準化檢測體系概述

2.1 標準化檢測體系的概念

國家標準GB/T2000.1?2002《標準化工作指南第1部分：標準化和相關(guān)活動的通用詞匯》中對標準化作出了定義：“為了在一定范圍內(nèi)獲得最佳秩序，對現(xiàn)實問題或潛在問題制定共同使用和重復(fù)使用的條款的活動”［12］。目前，國內(nèi)還沒有設(shè)立專業(yè)的、具有法制性的海洋測深聲吶儀器質(zhì)量檢測機構(gòu)，更沒有形成系統(tǒng)的海洋測深聲吶設(shè)備檢測體系，因此，相對于其他行業(yè)眾多已存在的檢測體系來說，海洋測深聲吶標準化檢測體系是一個全新的概念。本文提出的檢測體系旨在保障海洋測深聲吶儀器的質(zhì)量，其主要包括具有相關(guān)海洋測深聲吶儀器檢測能力的檢測平臺、海洋測深聲吶設(shè)備檢測與校準方案和海洋測深聲吶設(shè)備檢測技術(shù)標準三部分組成。

2.2 主要檢測對象和檢測指標范圍

根據(jù)海洋測深聲吶設(shè)備檢測技術(shù)標準，該檢測體系的主要檢測對象集中在常用的海洋測深聲吶設(shè)備，如單波束測深儀、多波束測深儀、聲速剖面儀、姿態(tài)傳感器、艏向傳感器以及其他聲吶儀器或輔助傳感器。根據(jù)儀器的生產(chǎn)和使用，檢測技術(shù)標準分為出廠后、使用前和使用中3個階段對設(shè)備進行跟蹤監(jiān)督檢測或校準，實施全程質(zhì)量控制。

對于單波束測深儀，主要檢測指標包括深度、頻率、波束角等；相比單波束測深儀，多波束測深系統(tǒng)的檢測指標也包括了深度、頻率和波束角，同時還增加了波束指向性、分辨力、聲源級等聲學指標；聲速剖面儀的檢測指標為聲速；姿態(tài)傳感器的檢測指標為橫搖、縱搖和上下升沉三項指標；艏向傳感器的檢測指標為航向。

2.3 檢測體系的構(gòu)成

海洋測深聲吶標準化檢測體系是海洋測深聲吶設(shè)備質(zhì)量安全的技術(shù)防范堡壘，也是這些儀器設(shè)備精度、質(zhì)量可靠性的保障，該體系由3個部分構(gòu)成，不同部分的性質(zhì)與內(nèi)容各有不同，其中包括海洋測深聲吶檢測平臺、海洋測深聲吶設(shè)備檢測與校準方案和海洋測深聲吶設(shè)備檢測技術(shù)標準，檢測體系結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 檢測體系構(gòu)成示意圖Fig.1Structure diagram of detection system

3 檢測平臺與技術(shù)標準

3.1 檢測平臺

作為海洋測深聲吶標準化檢測體系中的一部分，海洋測深聲吶檢測平臺是實施測深聲吶儀器性能檢測或校準的基本場所或媒介，基于檢測平臺可以進行檢測或校準工作的外業(yè)測試和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理。檢測平臺的可靠性和穩(wěn)定性關(guān)系到整個檢測體系的質(zhì)量好壞，因此，海洋測深聲吶檢測平臺的建立在整個標準檢測體系中起到十分關(guān)鍵的作用。

海洋測深聲吶標準化檢測體系主要包括硬件檢測平臺和軟件檢測平臺兩個部分：硬件檢測平臺負責提供常用海洋聲吶測量儀器的檢測場所，以建立設(shè)備檢測場為目的，開展相關(guān)檢測試驗和業(yè)務(wù)，本文的海洋測深聲吶硬件測試平臺是基于山東科技大學海洋測繪綜合實驗室建立的，主要包括大型消聲水池（圖2）、多維姿態(tài)檢測裝置和三維行車裝置3個部分；軟件檢測平臺提供整個檢測過程中數(shù)據(jù)處理、輸出證書或結(jié)果、文件管理等功能，本文建立的軟件平臺以C++語言為設(shè)計語言，以Visual C++6.0為設(shè)計平臺。

圖2 消聲水池Fig.2Anechoic tank

3.2 檢測技術(shù)標準

技術(shù)標準是指對標準化領(lǐng)域中需要協(xié)調(diào)統(tǒng)一的技術(shù)事項所制定的標準，是標準體系中的主體，通常包括基礎(chǔ)標準、產(chǎn)品標準、方法標準、保護標準。本文研究建立的海洋測深聲吶設(shè)備檢測技術(shù)標準是對常用海洋測深聲吶設(shè)備的技術(shù)要求、試驗方法、產(chǎn)品分類等制定協(xié)調(diào)統(tǒng)一的要求和方法。參考JJF 1002-2010《國家計量檢定規(guī)程編寫規(guī)則》，該技術(shù)標準中主要從性能要求、通用技術(shù)要求和器具控制3個方面提出了聲吶儀器檢測技術(shù)要求。

以多波束測深儀技術(shù)標準為例：標準適用于多波束測深儀的首次檢測和后續(xù)檢測；在性能要求中，主要從測量范圍、工作頻率、準確度和重復(fù)性4個方面規(guī)定了相應(yīng)的性能要求；通用技術(shù)要求則是對儀器的外觀質(zhì)量、整機結(jié)構(gòu)等給出了規(guī)定；器具控制首先提出了檢測條件和檢測設(shè)備，重點說明了檢測或校準方案的具體過程。

4 檢測方案

4.1 誤差來源

通常多波束測深誤差包括隨機誤差、系統(tǒng)誤差和粗差。其中，系統(tǒng)誤差和粗差是影響測深精度的主要原因，粗差的絕對值較大但數(shù)量少，系統(tǒng)誤差則是以一定的規(guī)律存在于觀測數(shù)據(jù)中。根據(jù)誤差與測量深度的關(guān)系，多波束測深誤差可以分為絕對誤差和相對誤差。絕對誤差與水深無關(guān)，如船體升沉測量誤差、潮汐改正誤差、定位誤差、船體縱橫搖引起的誤差等；相對誤差與水深密切相關(guān)，如聲速誤差、波束角引起的誤差等。

4.2 檢測方案

根據(jù)檢測技術(shù)標準中的要求，以多波束測深儀的測深檢測為例：在進行檢測時，首先利用全站儀測量試驗水池底的三維地形，由于全站儀的測距準確度較高，結(jié)果作為真值；然后使用多波束進行相同區(qū)域內(nèi)的池底地形測量（即水深測量），結(jié)果作為被檢值；將兩組數(shù)據(jù)格網(wǎng)化，并設(shè)置格網(wǎng)起點和行列數(shù)相同；最后將格網(wǎng)化后的數(shù)據(jù)相減，計算差值的實驗標準差，以此評定測深準確度。

4.3 數(shù)據(jù)分析

本文使用.dat格式的多波束測深數(shù)據(jù)，內(nèi)容包括：ping、波束號、轉(zhuǎn)換縱坐標、轉(zhuǎn)換橫坐標、水深、波束北坐標、波束東坐標、測線方向，部分數(shù)據(jù)見表1。

本文采用反距離加權(quán)插值法（也稱為距離倒數(shù)乘方法）對測量數(shù)據(jù)進行格網(wǎng)化，如公式（1）

式中：f()

d為插值點的水深；di為第i個測量點到插值點之間的距離；u為權(quán)指數(shù)；Zi為第i個測量點水深。

利用檢測軟件對全站儀觀測數(shù)據(jù)和多波束測量數(shù)據(jù)進行格網(wǎng)化（圖3），再將格網(wǎng)化后的數(shù)據(jù)相減求標準差，其中部分點沒有多波束測深數(shù)據(jù)，不將其列入作差范圍，最終求得差值的標準差為5 cm。

表1 .dat數(shù)據(jù)格式Tab.1Data format.dat

圖3 數(shù)據(jù)格網(wǎng)化界面Fig.3Interface of data grid

5 結(jié)論

現(xiàn)如今，國內(nèi)外多波束測深儀、淺地層剖面儀等海洋聲吶儀器的應(yīng)用較為廣泛，但缺少相應(yīng)的檢測、檢定或校準體系，大部分儀器只提出了出廠檢測或校準方法，但沒有形成統(tǒng)一的體系，沒有制定國家或行業(yè)標準，儀器質(zhì)量和測量結(jié)果得不到有效保障。本文通過研究建立海洋測深聲吶檢測體系的方法，提出建立標準化的檢測體系，其中包括海洋測深聲吶硬件/軟件檢測平臺、檢測技術(shù)標準和技術(shù)方案，在一定程度上為海洋測深聲吶儀器的技術(shù)檢測和質(zhì)量認證提供了依據(jù)，也為制定海洋測深聲吶儀器的國家或行業(yè)標準奠定了基礎(chǔ)，促進了科學合理的標準化體系的形成。

［1］王芳.我國海洋資源開發(fā)規(guī)劃研究［J］.國土資源，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］吳晶晶.堅持陸海統(tǒng)籌制定實施海洋發(fā)展戰(zhàn)略，提高海洋開發(fā)和控制及綜合管理能力［N/OL］.中國國土資源報，2010-12-03（01）.http://www.mlr.gov.cn/xwdt/jrxw/201012/t20101203_799353.htm.

［3］張勇.農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全與認證［M］.遼寧：遼寧科學技術(shù)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 Bj?rke.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，海洋調(diào)查規(guī)范海洋聲、光要素調(diào)查［S］.

［8］HY/T101-2007，海水聲速儀檢測方法［S］.

［9］HT/T006-91，SBA3-2型臺站聲學測波儀［S］.

［10］JT/T571-2004，水運工程回聲測深儀［S］.

［11］趙建東，周超.亞太區(qū)域海洋儀器檢測評價中心在津成立［N/OL］.中國海洋報，2012-5-21（A1）.http://www.mlr.gov.cn/ xwdt/hyxw/201205/t20120521_1100875.htm.

［12］GB/T2000.1-2002，標準化工作指南第1部分：標準化和相關(guān)活動的通用詞匯［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

交通運輸全面深化改革九項試點啟動

2013-12-18；

2013-12-23

交通運輸部標準、計量及質(zhì)量項目（2013459224260）

陳允約（1988-），男，江蘇省鹽城人，助理工程師，主要從事海洋測量與計量技術(shù)研究。Biography：CHEN Yun?yue（1988-），male，assistant engineer.

本刊從交通運輸部獲悉，不久前，交通運輸部發(fā)出了決定在全國開展九項改革試點工作的通知。九項改革試點工作提出，要力爭通過一年左右的實施工作，形成一批具有示范效應(yīng)的試驗成果和可復(fù)制、可推廣的改革經(jīng)驗;兩至三年，在全國更大范圍內(nèi)開展推行試點，發(fā)揮更大示范帶動效應(yīng)，不斷將交通運輸改革引向深入。在具體內(nèi)容上，改革試點主要涉及交通運輸綜合改革、綜合交通運輸改革、交通運輸綜合行政執(zhí)法改革、交通基礎(chǔ)設(shè)施投融資政府與社會資本合作等模式探索、部屬事業(yè)單位分類改革、公路建設(shè)管理體制改革;區(qū)域港口發(fā)展一體化探索、京津冀城鄉(xiāng)客運一體化探索以及“平安交通”安全體系建設(shè)。其中，港口發(fā)展一體化試點主要在江蘇和廣西兩省展開，江蘇重點探索整合錨地、航線資源，促進岸線集約利用，優(yōu)化港口功能布局;廣西重點整合港口行政資源，完善以資本為紐帶的經(jīng)營模式。（殷缶，梅深）