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基于消声水池的多波束测深不确定度检测方法

刘智敏 杨安秀 陈景涛 孙月文

刘智敏, 杨安秀, 陈景涛, 孙月文. 基于消声水池的多波束测深不确定度检测方法[J]. 武汉大学学报 ( 信息科学版), 2018, 43(6): 908-914. doi: 10.13203/j.whugis20160069
引用本文: 刘智敏, 杨安秀, 陈景涛, 孙月文. 基于消声水池的多波束测深不确定度检测方法[J]. 武汉大学学报 ( 信息科学版), 2018, 43(6): 908-914. doi: 10.13203/j.whugis20160069
LIU Zhimin, YANG Anxiu, CHEN Jingtao, SUN Yuewen. Detecting Method of Uncertainty in Multi-beam Echosounding Based on the Anechoic Tank[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2018, 43(6): 908-914. doi: 10.13203/j.whugis20160069
Citation: LIU Zhimin, YANG Anxiu, CHEN Jingtao, SUN Yuewen. Detecting Method of Uncertainty in Multi-beam Echosounding Based on the Anechoic Tank[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2018, 43(6): 908-914. doi: 10.13203/j.whugis20160069

基于消声水池的多波束测深不确定度检测方法

doi: 10.13203/j.whugis20160069
基金项目: 

海洋公益性行业科研专项 201305034

测绘公益性行业科研专项 201512034

山东科技大学科研创新团队支持计划 2014TDJH101

海岛(礁)测绘技术国家测绘地理信息局重点实验室开放基金 2015B01

详细信息
    作者简介:

    刘智敏, 博士, 副教授, 主要从事GNSS理论、海洋测绘研究。liuzhimin010@163.com

  • 中图分类号: P229

Detecting Method of Uncertainty in Multi-beam Echosounding Based on the Anechoic Tank

Funds: 

The Public Science and Technology Research Funds Projects of Ocean 201305034

the Public Science and Technology Research Funds Projects of Surveying and Mapping 201512034

the Innovative Research Team of Shandong University of Science and Technology Support Program 2014TDJH101

the Key Laboratory of Surveying and Mapping Technology on Island and Reef, National Administration of Surveying, Mapping and Geoinformation 2015B01

More Information
    Author Bio:

    LIU Zhimin, PhD, associate professor, specializes in GNSS and marine surveying and mapping. E-mail: liuzhimin010@163.com

  • 摘要: 目前国内多波束测深系统质量检验不够成熟,仪器质量和测量数据的可靠性和准确性都无法得到保证,为此,提出一种基于消声水池的多波束测深不确定度检测方法。通过建立基于消声水池的测深声呐检测硬件、软件平台,削弱了由于实验环境带来的各种误差及不确定度因素的影响,提高了检测的精度与可信度。对R2 Sonic2024型多波束测深仪进行几何指标检定实验和精度评定分析,精度较高的中央波束水深值总误差服从正态分布,计算其置信区间及落入置信区间的概率,剔除不符值,使其满足置信度为95%,并计算比对差均值。实验结果表明,该多波束测深不确定度检测方法切实可行,能比较客观地用于多波束测深不确定度检测。
  • 图  1  换能器正对墙壁俯视图

    Figure  1.  Vertical View of the Transducer Perpendicular to the Wall

    图  2  换能器旋转θ角度后俯视图

    Figure  2.  Vertical View of the Transducer Rotates θ Degree

    图  3  多波束测深不确定度检测主要流程

    Figure  3.  The Main Process of the Software Calculates

    图  4  多波束测深不确定度检测平台计算界面

    Figure  4.  Interface of the Software Calculates

    图  5  多波束外符合水平测试比对差值图

    Figure  5.  External Testing Results Chart of Multi-beam Echosounder in Horizontal Placed

    图  6  30 m 124号波束比对差平均值正态分布曲线图

    Figure  6.  The Normal Distribution Curve of 30 m 124 Beam Difference Average Value

    表  1  多波束测深内外符合水平测试结果(部分中间及中央波束区域)

    Table  1.   The Internal and External Testing Results of Multi-beam Echosounder in Horizontal Placed (Part of the Middle and Central Areas of the Beam)

    组数 波束号 实测水深平均值/m 水深真值平均值/m 比对差平均值/cm 内符合标准偏差/cm 外符合标准偏差/cm 置信区间 概率
    /%
    1 101 9.984 10.028 -4.4 2.7 5.8
    102 9.994 10.028 -3.4 2.6 5.4
    103 9.992 10.028 -3.6 3.4 4.8
    124 10.013 10.028 -1.5 0.7 0.8 (9.98, 10.04) 100
    125 10.014 10.028 -1.4 0.6 0.8 (9.99, 10.04) 100
    126 10.016 10.028 -1.2 0.4 0.8 (10.00, 10.03) 100
    2 101 14.987 15.015 -2.8 1.6 4.6
    102 14.990 15.015 -2.5 2.4 5.7
    103 14.983 15.015 -3.2 1.5 4.0
    124 15.006 15.015 -0.9 0.6 0.6 (14.99, 15.02) 97
    125 15.010 15.015 -0.5 0.4 0.7 (15.00, 15.02) 99
    126 15.011 15.015 -0.4 0.5 1.0 (15.00, 15.03) 100
    3 101 19.996 20.012 -1.6 1.6 5.9
    102 20.003 20.012 -0.9 2.4 6.8
    103 19.999 20.012 -1.3 2.6 6.9
    124 20.019 20.012 0.7 1.6 5.9 (19.96, 20.07) 98
    125 20.013 20.012 0.1 1.5 6.7 (19.96, 20.06) 100
    126 20.016 20.012 0.4 1.6 6.9 (19.96, 20.07) 99
    4 101 25.076 25.056 2.0 1.5 7.4
    102 25.082 25.056 2.6 2.1 6.4
    103 25.074 25.056 1.8 3.8 8.2
    124 25.075 25.056 1.9 1.5 2.1 (25.04, 25.11) 97
    125 25.067 25.056 1.1 1.4 1.5 (25.03, 25.10) 99
    126 25.065 25.056 0.9 1.3 1.4 (25.03, 25.10) 99
    5 101 30.122 30.064 5.8 2.3 8.6
    102 30.111 30.064 4.7 3.1 8.2
    103 30.115 30.064 5.1 4.2 7.9
    124 30.098 30.064 3.4 2.3 3.5 (30.02, 30.17) 99
    125 30.088 30.064 2.4 1.7 2.4 (30.03, 30.14) 100
    126 30.084 30.064 2.0 1.3 1.7 (30.04, 30.13) 100
    下载: 导出CSV

    表  2  多波束测深水平测试结果比对(近中央波束区域)

    Table  2.   The Comparison of Multi-beam Echosounder Testing Results in Horizontal Placed(the Central Area of the Beam)

    比对项 1组 2组 3组 4组 5组
    124号 125号 126号 124号 125号 126号 124号 125号 126号 124号 125号 126号 124号 125号 126号
    实测水深均值/m 10.013 10.014 10.016 15.009 15.010 15.011 20.017 20.013 20.016 25.071 25.067 25.066 30.095 30.088 30.084
    水深真值均值/m 10.028 10.028 10.028 15.015 15.015 15.015 20.012 20.012 20.012 25.056 25.056 25.056 30.064 30.064 30.064
    比对差均值/cm -1.5 -1.4 -1.2 -0.6 -0.5 -0.4 0.5 0.1 0.4 1.5 1.1 1.0 3.1 2.4 2.0
    对比限差/cm 11.0 11.0 11.0 11.5 11.5 11.5 12.0 12.0 12.0 12.5 12.5 12.5 13.0 13.0 13.0
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2016-02-26
  • 刊出日期:  2018-06-05

基于消声水池的多波束测深不确定度检测方法

doi: 10.13203/j.whugis20160069
    基金项目:

    海洋公益性行业科研专项 201305034

    测绘公益性行业科研专项 201512034

    山东科技大学科研创新团队支持计划 2014TDJH101

    海岛(礁)测绘技术国家测绘地理信息局重点实验室开放基金 2015B01

    作者简介:

    刘智敏, 博士, 副教授, 主要从事GNSS理论、海洋测绘研究。liuzhimin010@163.com

  • 中图分类号: P229

摘要: 目前国内多波束测深系统质量检验不够成熟,仪器质量和测量数据的可靠性和准确性都无法得到保证,为此,提出一种基于消声水池的多波束测深不确定度检测方法。通过建立基于消声水池的测深声呐检测硬件、软件平台,削弱了由于实验环境带来的各种误差及不确定度因素的影响,提高了检测的精度与可信度。对R2 Sonic2024型多波束测深仪进行几何指标检定实验和精度评定分析,精度较高的中央波束水深值总误差服从正态分布,计算其置信区间及落入置信区间的概率,剔除不符值,使其满足置信度为95%,并计算比对差均值。实验结果表明,该多波束测深不确定度检测方法切实可行,能比较客观地用于多波束测深不确定度检测。

English Abstract

刘智敏, 杨安秀, 陈景涛, 孙月文. 基于消声水池的多波束测深不确定度检测方法[J]. 武汉大学学报 ( 信息科学版), 2018, 43(6): 908-914. doi: 10.13203/j.whugis20160069
引用本文: 刘智敏, 杨安秀, 陈景涛, 孙月文. 基于消声水池的多波束测深不确定度检测方法[J]. 武汉大学学报 ( 信息科学版), 2018, 43(6): 908-914. doi: 10.13203/j.whugis20160069
LIU Zhimin, YANG Anxiu, CHEN Jingtao, SUN Yuewen. Detecting Method of Uncertainty in Multi-beam Echosounding Based on the Anechoic Tank[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2018, 43(6): 908-914. doi: 10.13203/j.whugis20160069
Citation: LIU Zhimin, YANG Anxiu, CHEN Jingtao, SUN Yuewen. Detecting Method of Uncertainty in Multi-beam Echosounding Based on the Anechoic Tank[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2018, 43(6): 908-914. doi: 10.13203/j.whugis20160069
  • 多波束测深系统是多传感器集成的综合性测量系统[1],多波束测深声呐已成为国内外海洋科学研究、海底资源开发、海洋工程建设等海洋活动中最主要的海洋勘测仪器之一[2]。但是由于缺乏相应的计量检定、检测和校准方法,大多数仪器无法进行规范有效的检定与校准,严重影响了观测数据的可靠性及准确性。

    20世纪80年代,美国伍兹霍尔海洋研究所的Foote等已致力于检定设备的研究,制造了不同材质不同型号的检定小球,通过详细分析各检定小球的声学特征和适用范围,初步建立了用于多波束检定的水池[3-5];21世纪初,美国New Hampshire大学建立了室内、室外检定系统,其测深仪固定装置旋转轴精度小于0.1°,位置精度也达到毫米级,对于多波束仪器检定具有重要代表性[6-8];2005年,Bjorke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[9];2006年,Sweeney等进行了声速仪的检测,测量精度达到±0.034 m/s [10];2010年,Lanzoni和Weber利用高精度水听器对双频SeaBat 7125型多波束进行了指向性检定,得到了理想的指向性图[11];2013年,Liu等提出水听器阵列检校多波束回声测深仪方法[12],该方法无需原始数据及复杂实验设备即可有效提高主瓣与旁瓣的比值,进而提高仪器的测量精度;2014年,Moustier等进行多波束测深仪与分裂孔径传输之间的检校实验[13],发现只有当目标设备与声呐保持相对静止时,才可以进行检校。

    20世纪90年代,中国海洋声呐测量计量检测技术开始建立,但对多波束测深的检定标准和规程相对较少[14]。海军大连舰艇学院建立了中国第一个多波束测深检定系统,并对仪器各性能指标提出一系列检定方法。高君等人利用改造的水槽式多波束检定系统,对多波束的固定误差和比例误差进行了最小二乘拟合评估,并与模拟检定系统的结果进行了比对,经实验检定,多波束的比例误差系数约为6.856×10-4,固定误差为-5.3 mm,满足当前使用的《回声测深仪计量检定规程》的规定[15]

    本文提出一种基于消声水池的多波束测深不确定度检测方法。通过概述多波束测深不确定度检测基本原理, 建立检测硬件平台和软件平台进行误差源分析等,以R2 Sonic2024型多波束测深仪为例,进行多波束测深系统的几何指标检定实验与精度评定分析,充分证明该多波束测深不确定度检测方法的可行性。

    • 不确定度是指测量值附近的一个范围,这个范围可能相当于标准差的置信概率,包含被测量真值,它是测量带有的一个参数,用以表征合理赋予被测量值的分散性[16]。目前多波束测深不确定度评估方法主要分为静态不确定度评估法、相对不确定度评估法和绝对不确定度评估法[17]。其总体思想均是采用海上测区进行规划线测量,利用重复区域测点比对或者引入更高精度的方式进行内符合或外符合评估。这些方法由于实验环境存在不确定性,如潮汐、声速、海底地形等影响,评价效果不佳。

      相比以上不确定度评估方法,本文提出基于消声水池和测深声呐检测平台的多波束测深不确定度检测方法,其优势在于可以有效消除或减弱声速误差、潮汐误差、船只航向与艏摇误差、姿态测量等测量误差,提高检测精度与可信度。

    • 检校所采用的海洋测量综合试验场消声水池东西长40 m,南北宽10.8 m,深度从5~8 m呈阶梯状变化。水池上架设有测深声呐检测平台,同时装配换能器、水听器、姿态仪、罗经、实时动态差分技术(real time kinematic,RTK)等检测仪器,其作用是模拟海洋测深环境,换能器安装在测深声呐检测平台上模拟走船,高精度三维转台模拟海洋动态环境。沿水池南北墙壁一定范围内安装有消声尖劈,以减弱或消除实验中回波信号造成的影响。在检测过程中,换能器安装架由电机控制,可以在水平面内360°旋转,并通过安装的编码器精确读取旋转的角度。

    • 为了最大限度地扩展检测范围,保证声速的一致性,利用安装支架将换能器水平安装,使波束沿东西向发射到墙壁,将测深转化为测距。由于水池南北宽度较窄,换能器的边缘波束发射到南北墙壁,测得的距离也较短。为了实现最大范围检测,可将换能器水平旋转指定角度,如图 1图 2所示,使边缘波束能发射到东西墙壁,实现边缘波束的检测。

      图  1  换能器正对墙壁俯视图

      Figure 1.  Vertical View of the Transducer Perpendicular to the Wall

      图  2  换能器旋转θ角度后俯视图

      Figure 2.  Vertical View of the Transducer Rotates θ Degree

      检测原理:在消声水池和测深声呐检测硬件平台上,用GPS RTK+多波束测深系统对消声水池进行换能器横向和纵向安置的观测,用测深声呐检测软件平台对观测数据进行处理,测得结果与水深真值做比对分析,求得差值,即为多波束测深的几何指标不确定度。GPS RTK流动站中心与多波束测深仪换能器中心安置于同一垂面上,以获得测深仪的实时平面坐标。对于每条波束水深基准值的计算,以第i号波束为例,图 1为未旋转时的俯视图,此时i号波束打到南墙壁上,导致测量水深过浅,因此将换能器水平旋转θ角度,旋转后的俯视图如图 2所示,假设换能器旋转后第i号波束的真实水深为$ {\mathit{\tilde h}_\mathit{i}}$,根据图 2中的位置关系则有:

      $$ {{\mathit{\tilde h}}_\mathit{i}}{\rm{ = }}\frac{{{\mathit{D}_\mathit{i}}{\rm{ - }}\mathit{d}{\rm{cos}}\mathit{\theta }}}{{{\rm{cos}}\left| {\mathit{\theta }{\rm{ - }}{\mathit{\alpha }_\mathit{i}}} \right|}}{\rm{cos}}{\mathit{\alpha }_\mathit{i}} $$ (1)

      式中,$ {\mathit{D}_\mathit{i}}{\rm{ = }}\sqrt {{{\left( {{\mathit{x}_\mathit{i}} - {\mathit{x}_{{\rm{固}}}}} \right)}^2} + {{\left( {{\mathit{y}_\mathit{i}} - {\mathit{y}_{{\rm{固}}}}} \right)}^2}} $是该波束发射瞬间全球卫星导航系统(global navigation satellite system,GNSS)GPS天线到对面墙壁固定点的垂直距离;d是换能器相对于旋转轴偏移的距离;αi是第i号波束相对于中央波束的开角;θ是换能器的旋转角度。

    • 在测量前需要提前测出RTK流动站到水池西墙的垂直距离,并根据测深声呐检测平台支架尺寸和换能器支架尺寸计算换能器有效声学中心到旋转轴的距离,具体检测方法如下:

      1) 将换能器水平安置在支架上,在换能器正上方安装RTK流动站定位, 首先保证换能器沿东西方向正对水池墙壁,启动测深仪,稳定5 min后,将测深声呐检测平台从水池一端开到另一端,运动过程中匀速连续测量;

      2) 测量过程中,旋转换能器变换波束至不同角度,记录旋转角,采集波束角、旅行时等实验数据;

      3) 对采集的数据(XTF格式)进行解析,获取Ping号、波束号、北坐标、东坐标、每条波束的开角、水深、声速;

      4) 计算中央波束区的比对差平均值及测深标准偏差,并输出。

      检测过程中采取固定距离检测法,即取离水池西墙5~30 m距离为检测距离,其中每隔5 m为固定检测位置。假定在距离水池西墙30 m处检测,待测深仪开机稳定后持续观测30 min,可获得约36 000 Ping波束数据,取每Ping的中央波束区124~133号波束计算测深数据,作为水深观测值。此时GPS RTK测得的距离作为水深真值,将二者进行比对,评定是否超限,比对公式为:

      $$ {\rm{\Delta }}{{\mathit{\bar h}}_\mathit{i}}{\rm{ = }}{{\mathit{\bar h}}_\mathit{i}}{\rm{ - }}{{\mathit{\tilde h}}_\mathit{i}} $$ (2)

      式中,Δhi为第i号波束比对差平均值; hi为所有Ping中第i号波束的测深平均值; $ {{\mathit{\tilde h}}_\mathit{i}}$为此距离处的水深真值平均值。

      多波束测深内符合标准偏差计算公式为:

      $$ {\mathit{\sigma }_{\mathit{h}{\rm{内}}}}{\rm{ = }}\sqrt {\frac{{\sum\limits_{\mathit{i}{\rm{ = 1}}}^\mathit{n} {{{{\rm{(}}{\mathit{h}_\mathit{i}}{\rm{ - }}{{\mathit{\bar h}}_\mathit{i}}{\rm{)}}}^{\rm{2}}}} }}{{\mathit{n}{\rm{ - 1}}}}{\rm{}}} $$ (3)

      式中,hi为所有Ping中第i号波束测深值; hi为所有Ping中第i号波束的测深平均值; n为第i号波束数。

      多波束测深外符合标准偏差计算公式为:

      $$ {\mathit{\sigma }_{\mathit{h}{\rm{外}}}}{\rm{ = }}\sqrt {\frac{{\sum\limits_{\mathit{i}{\rm{ = 1}}}^\mathit{n} {{{{\rm{(}}{\mathit{h}_\mathit{i}}{\rm{ - }}{{\mathit{\tilde h}}_\mathit{i}}{\rm{)}}}^{\rm{2}}}} }}{\mathit{n}}{\rm{}}} $$ (4)

      式中,hi为所有Ping中第i号波束测深值; $ {{\mathit{\tilde h}}_\mathit{i}}$为此距离处的水深真值平均值; n为第i号波束数。

    • 为了便于对不同型号的多波束测深仪进行测试,在原有测深仪器检测软件的基础上,利用Visual C++平台开发和完善了辅助传感器、平台数据采集、原始格式数据解析、多波束测深检测数据内符合和外符合计算、生成报告等模块,数据处理流程如图 3所示。

      图  3  多波束测深不确定度检测主要流程

      Figure 3.  The Main Process of the Software Calculates

      本测试软件主要针对多波束和辅助传感器动态环境下的检测情况,可以读取预处理后的检测数据,快速地进行计算和输出,具体功能为:①分别采集姿态仪和罗经数据;②同时采集姿态测试平台和姿态仪数据;③对姿态仪和罗经采集的数据进行解析和格式转换;④对多波束采集数据(XTF)进行解析和格式转换;⑤多波束测深仪的内外符合测试计算;⑥姿态仪和罗经的内外符合测试计算;⑦根据计算结果生成报告(*.html格式)用于编辑。多波束测深不确定度检测软件平台计算界面如图 4所示。

      图  4  多波束测深不确定度检测平台计算界面

      Figure 4.  Interface of the Software Calculates

    • 在多波束测深外业项目中,影响观测水深值的误差包括[18]:与声信号传播路径(包括声速剖面)有关的声速误差, 定位系统误差, 由于换能器安装不正确引起的安装误差, 潮汐测量与模型误差, 船只航向与艏摇误差, 船只运动传感器精度引起的姿态测量误差以及数据处理误差。

      由于实验场中不存在潮汐,行车稳定运行时姿态仪和罗经状态变化很小,因此可直接对测量数据进行解析提取,不用考虑后4项误差。对于声速误差,测量过程中波束沿水平方向发射,保证了声速的一致性,利用声速剖面仪多次采集表层声速,并取平均值作为最后表层声速,用于计算水平距离,对此项误差可有效减小;对于定位系统误差,对安装支架进行精确标定,精确测量换能器声学中心到旋转轴的偏移量距离,对此项误差可有效减小;对于换能器安装误差,保证法兰安装和零件的加工精度,使用工业测量系统控制换能器旋转轴偏心量,对此项误差可有效减小。

      此外,在测量过程中还需要考虑的误差包括安装机构的角度旋转误差,目前旋转机构可以达到10″内的精度,对计算的水深基准值造成的影响较小,可忽略;由于墙壁与测深声呐检测平台轨迹不完全垂直造成的误差,此项误差可通过距离西墙由远至近测量,即先测量30 m处水深,最后测量5 m处水深,将10~30 m处测量结果分别减去5 m处测量结果,进而计算比对差予以有效消除。故实际测量水深值多受偶然误差影响,误差应服从正态分布。

    • 利用山东科技大学消声水池和测深声呐检测平台,对R2 Sonic2024型多波束测深仪的几何指标进行检定实验。将换能器水平安置,沿测深声呐检测平台固定测线采集波束角、旅行时等实验数据。依据自主研制的多波束测深检测软件处理分析数据,经过原始数据解析、数据编辑后,最终得到各波束的水深观测值。

      R2 Sonic2024多波束测深仪技术指标如下:频率:200 kHz/400 kHz;波束角:0.5°×1°;覆盖宽度:10°~160°;量程:最大500m;采样率:75 Hz;波束数:256个。

      本次实验中,换能器开角为120°,定义换能器中央±5°为中央波束区,即256个波束中第118~138号波束为中央波束区。在下文中,101~103号波束为中间波束,124~126号波束为中央波束。由于部分边缘波束发射到南北水池壁,导致水深测量值过小,不适合计算,故选用中间波束区与中央波束区部分波束进行比对。

      图 5为多波束外符合水平测试比对差值图,可以看出实测水深与水深真值之间的比对差平均值随比对水深值的增加呈逐渐增大的趋势,说明测量误差大小与测量距离成正比。由于多波束测深仪的一些传感器误差在测深作业中自中央波束向边缘波束增加,使得中央波束精度高于边缘波束精度。

      图  5  多波束外符合水平测试比对差值图

      Figure 5.  External Testing Results Chart of Multi-beam Echosounder in Horizontal Placed

      图 5可知,101~103号中间波束比对差平均值比124~126号中央波束比对差平均值跨幅大,且由表 1的5组数据可以统计得出101~103号中间波束内符合平均精度为2.5 cm,外符合平均精度为6.4 cm;124~126号中央波束内符合平均精度为1.1 cm,外符合平均精度为2.5 cm。由上述数据可知,中央波束精度高于中间波束及边缘波束精度,故选用中央波束(124~126号)水深值与GPS RTK水深值进行比对,计算比对差平均值。以30 m处124号波束为例,共3 806个相互独立的重复测量数据。由统计得出,比对差最小值为-1.4 cm,最大值为6.6 cm。将比对差值区间设为1 cm进行分组,共分8组,分别统计出每组区间差值出现的频率,生成正态分布曲线图,如图 6所示,说明中央波束实测水深值误差服从正态分布。

      表 1  多波束测深内外符合水平测试结果(部分中间及中央波束区域)

      Table 1.  The Internal and External Testing Results of Multi-beam Echosounder in Horizontal Placed (Part of the Middle and Central Areas of the Beam)

      组数 波束号 实测水深平均值/m 水深真值平均值/m 比对差平均值/cm 内符合标准偏差/cm 外符合标准偏差/cm 置信区间 概率
      /%
      1 101 9.984 10.028 -4.4 2.7 5.8
      102 9.994 10.028 -3.4 2.6 5.4
      103 9.992 10.028 -3.6 3.4 4.8
      124 10.013 10.028 -1.5 0.7 0.8 (9.98, 10.04) 100
      125 10.014 10.028 -1.4 0.6 0.8 (9.99, 10.04) 100
      126 10.016 10.028 -1.2 0.4 0.8 (10.00, 10.03) 100
      2 101 14.987 15.015 -2.8 1.6 4.6
      102 14.990 15.015 -2.5 2.4 5.7
      103 14.983 15.015 -3.2 1.5 4.0
      124 15.006 15.015 -0.9 0.6 0.6 (14.99, 15.02) 97
      125 15.010 15.015 -0.5 0.4 0.7 (15.00, 15.02) 99
      126 15.011 15.015 -0.4 0.5 1.0 (15.00, 15.03) 100
      3 101 19.996 20.012 -1.6 1.6 5.9
      102 20.003 20.012 -0.9 2.4 6.8
      103 19.999 20.012 -1.3 2.6 6.9
      124 20.019 20.012 0.7 1.6 5.9 (19.96, 20.07) 98
      125 20.013 20.012 0.1 1.5 6.7 (19.96, 20.06) 100
      126 20.016 20.012 0.4 1.6 6.9 (19.96, 20.07) 99
      4 101 25.076 25.056 2.0 1.5 7.4
      102 25.082 25.056 2.6 2.1 6.4
      103 25.074 25.056 1.8 3.8 8.2
      124 25.075 25.056 1.9 1.5 2.1 (25.04, 25.11) 97
      125 25.067 25.056 1.1 1.4 1.5 (25.03, 25.10) 99
      126 25.065 25.056 0.9 1.3 1.4 (25.03, 25.10) 99
      5 101 30.122 30.064 5.8 2.3 8.6
      102 30.111 30.064 4.7 3.1 8.2
      103 30.115 30.064 5.1 4.2 7.9
      124 30.098 30.064 3.4 2.3 3.5 (30.02, 30.17) 99
      125 30.088 30.064 2.4 1.7 2.4 (30.03, 30.14) 100
      126 30.084 30.064 2.0 1.3 1.7 (30.04, 30.13) 100

      图  6  30 m 124号波束比对差平均值正态分布曲线图

      Figure 6.  The Normal Distribution Curve of 30 m 124 Beam Difference Average Value

      由正态分布性质可知:

      $$ P\left\{ {{\rm{ - }}{z_{\frac{\alpha }{{\rm{2}}}}} < \frac{{\bar X{\rm{ - }}\mu }}{{\sigma {\rm{/}}\sqrt n }} < {z_{\frac{\alpha }{{\rm{2}}}}}} \right\}{\rm{ = 1 - }}\alpha $$ (5)

      式中,α为显著性水平,1-α为置信水平(置信度)。均值μ在置信水平为1-α时的置信区间为:

      $$ \left( {\bar X{\rm{ - }}\frac{\sigma }{{\sqrt n }}{z_{\frac{\alpha }{{\rm{2}}}}},\bar X{\rm{ + }}\frac{\sigma }{{\sqrt n }}{z_{\frac{\alpha }{{\rm{2}}}}}} \right) $$ (6)

      文献[19]规定, 置信度为95%时,统计方法得到的总体传播误差即为通常用来描述测深准确度的值。故设1-α=95%,α=0.05,zα/2=1.96,将表 1中的Xσn值代入式(6),可求出124~126号波束的置信区间,然后统计出每个波束实测水深值落入置信区间的概率,结果如表 1所示。

      表 1可以看出,124~126号波束实测水深值落入置信度为95%的概率为97%~100%。将没有落入置信区间的水深值剔除,确保所有的实测水深值均处于置信区间内,可使其可靠程度满足95%置信度。对剔除误差后的水深值求平均值,与GPS RTK水深均值(即水深真值均值)进行比对,结果如表 2所示。

      表 2  多波束测深水平测试结果比对(近中央波束区域)

      Table 2.  The Comparison of Multi-beam Echosounder Testing Results in Horizontal Placed(the Central Area of the Beam)

      比对项 1组 2组 3组 4组 5组
      124号 125号 126号 124号 125号 126号 124号 125号 126号 124号 125号 126号 124号 125号 126号
      实测水深均值/m 10.013 10.014 10.016 15.009 15.010 15.011 20.017 20.013 20.016 25.071 25.067 25.066 30.095 30.088 30.084
      水深真值均值/m 10.028 10.028 10.028 15.015 15.015 15.015 20.012 20.012 20.012 25.056 25.056 25.056 30.064 30.064 30.064
      比对差均值/cm -1.5 -1.4 -1.2 -0.6 -0.5 -0.4 0.5 0.1 0.4 1.5 1.1 1.0 3.1 2.4 2.0
      对比限差/cm 11.0 11.0 11.0 11.5 11.5 11.5 12.0 12.0 12.0 12.5 12.5 12.5 13.0 13.0 13.0

      依据文献[20]的规定,多波束测深仪最大允许误差为(0.1+0.1%H)m,计算不同距离处的比对限差值。由表 2可以看出,不同距离处各波束号比对差平均值均远小于比对限差,检测精度能够较好地符合标准限差要求。由此分析得出,本文提出的多波束测深不确定度检测方法及检测软件能够有效提高多波束测深仪的检测精度与可信度。

    • 本文提出了基于消声水池的多波束测深不确定度检测方法,建立了测深声呐硬件检测平台及软件检测平台,其优势在于消除或减弱了由实验环境带来的各种误差及不确定度因素的影响,大大提高了检测的精度与可信度。通过对R2 Sonic2024型多波束测深仪进行几何指标检定实验与精度评定,证明该多波束测深不确定度检测方法切实可行,能比较客观地用于多波束测深不确定度检测。

参考文献 (20)

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