海洋单波束测深仪校准规范

JJF

中华人民共和国国家计量技术规范

JJFXXXX—XXXX

海洋单波束测深仪校准规范

TheCaIibrationSpecifications

OfSingleBeamEchoSounderInOcean

XXXX-XX-XX发布XXXX-XX-XX实施

自然资源部发布

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海洋单波束测深仪校准规范

JJFxxxx-xxxx

TheCaIibrationSpecificationOf

SingleBeamEchoSounderInOcean

归口单位：全国海洋专用计量器具计量技术委员会

主要起草单位：国家海洋局东海标准计量中心

参加起草单位：浙江海洋大学

中国计量科学研究院

中船重工第七一五研究所

本规范委托义XXX技术委员会负责解释

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本规范主要起草人：

田为民（国家海洋局东海标准计量中心）

王智祖（国家海洋局东海标准计量中心）

冯兵（国家海洋局东海标准计量中心）

参加起草人：

郑红（浙江海洋大学）

杨平（中国计量科学研究院）

易文胜（中船重工第七一五研究所）

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引言

JJF1071《国家计量标准规范编写规则》、JJF1001《通用计量术语及定义》、JJF1059

《测量不确定度评定与表示》共同构成支撑本校准规范制订工作的基础性系列规范。本

规范中数值和单位的标准依据GB/T15835的规定编写。

本规范充分考虑海洋测绘、海底地形测量、海洋应用区域和应用场景的特别需要，

区别且不冲突于JJG（水利）（）03-2009《超声波测深仪检定规程》和JJG（交通）032-2004

《水运工程回声测深仪检定规程》等其他相近行业技术法规为原则，结合海洋单波束测

深仪的使用现状和发展进行制订。

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海洋单波束测深仪校准规范

1范围

本规范适用于频率100kHz〜210kHz范围内、测深小于600m范围内的高频海洋单波

束测深仪的校准。

2引用文件

本规范引用了下列文件：

JJG（交通）139-2017多波束测深仪浅水

GB/T12763.10-2007海洋调查规范第10部分：海底地形地貌调查

凡是注H期的引用文件，仅注H期的版本适用于本规范；凡是不注日期的引用文件，其

最新版本（包括所有的修改单）适用本规范。

3术语和定义

3.1声学应答潜acoustictransponder

用于控制发送信号振幅的调整和延时，以实现不同测量深度所对应的衰减和延迟的

仪器设备。

3.2横向测距horizontalranging

实验室校准条件下，使用单波束测深仪沿水平方向测量换能器与反射板之间距离的活

动。

3.3测量能力surveycapability

实验室校准条件下，单波束测深仪的实际最大横向测距。

3.4海洋单波束测深仪Oceansinglebeamsounder

主要用于海洋测深和获取海底地形的单波束测深仪称为海洋单波束测深仪。

4概述

单波束测深仪是通过测量在声学换能器与反射界面之间固定声速下声波的传播时

间得到水深的测量设备，其一-般由声学换能器、主机和线缆组成，声学换能器用于声波

的发射和接收，主机用于控制声学换能器的发射、接收，对接收信号进行分析处理，并

显示和存储测量结果。

本规范正文中，被校单波束测深仪简称为“被校仪”。

5计量特性

2

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（1）单波束测深仪横向测距的测量示值。

（2）单波束测深仪的测量能力。

6校准条件

6.1环境条件

室温：室内常温。

湿度：W95%。

水温：5℃〜40℃

介质：淡水。

6.2水槽条件

a）水槽尺寸：长度不小于150m,宽度不小于6m,深度不小于5m；

b）水槽配有实验行车，并配有旋转安装支架，使换能器声轴方向垂直反射板，并

可调整入水深度；

c）水槽需包含长宽深5mx6mx5m（长X宽X深）的消声环境，频率100kHz以上吸声

系数299机

6.3测量标准及其他设备

a）激光测距仪：测量范围不小于150nb准确度等级II级。

b）声学应答器：接收增益的设置范围：（0〜100）dB,步进2dB；时延的设置范围：

（0.015ms〜9999.999）ms,步进0.001ms。

c）标准水听器：频率100kHz〜210kHz,不确定度U=0.9dB,K=2；d）

换能器：工作频率不低于100kHz,工作频率处发送电压响应不小于150dB,

谐振频率处接收灵敏度不小于-220dB：

e）表层声速仪：最大允许误差为±0.2m/s；

f）反射板：具有双面涂层，平面度不大于0.2mm。

7校准项目和校准方法

7.1校准项目

a）测量距离

b）测量能力

7.2校准方法

7.2.1测量距离

2

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7.2.1.1校准原理

采用间接测量法，激光测距仪测量面与反射板的距离Lj,用钢卷尺测量激光测距

仪至单波束换能器的距离Io,“被校仪”换能器至反射板距离(被测量)的参考值。=

Lj-Lo(如图1所示)。取单波束测深仪5次示值的平均值d与参考值进行比较，计算

单波束测深仪的测量误差：

Al=d-D...............................(1)

式中：

4一一单波束测深仪的测量误差，单位：m；

d——单波束测深仪示值的平均值，单位：ni；

D----被测量的参考值，单位：mo

根据示值误差△/二"+人"，利用一元线性回归法进行计算，其中

夕—/=1/=)/=17=1(2)

—工.................................

11

2=1/=!

14tA4_

b=且一昼-------呈.................................(3)

■")2-必

1J

/=1/=1

式中：

a——“被校仪”示值误差的固定误差，mm：

b一一“被校仪”示值误差的比例误差系数，mm/in；

3

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d,——单波束测深仪在第i个校准点处单次测量的示值，m；

i——校准点序数；

〃——单个校准点测量次数（取样数）。

7.2.1.2校准点设置

校准点设置不少于5个，均匀分布，且至少应包括150米处校准点。

7.2.1.3校准过程

a）将单波束换能器安装至水槽行车旋转支架上，调整支架使换能器声轴方向垂直

于反射板；

b）将激光测距仪固定安装在行车上、反射板安装在水槽宽边壁上，调整基座使激光

测距仪光轴垂直于反射板；

c）用钢卷尺测量激光测距仪与“被校仪”换能器的水平距离L；

d）调节旋转支架使换能器进入水中，入水深度为水深的1/2；e）

用声速仪测量水下声速值，将声速值输入“被校仪”处理单元；

f）通过移动行车调整测量距离，行车停稳后（停车后不少于30秒）采集数据，任

一校准点采集数据应不少于5次。

7.2.2测量能力

7.2.2.1校准原理

“被校仪”在消声水池环境中发射脉冲声波，声学应答器对脉冲声波的传播时间和

衰减损失进行精确计算，并根据“被校仪”标称测量范围上限进行延时和衰减处理，由

声学应答器换能器发射等效声波信号，供“被校仪”检出，完成测量过程。

根据单波束测深仪检测装置设计原理，“被校仪”测量能力可以表示为：

Di=^±R^.........................................................................（4）

R1——“被校仪”换能器到声学应答器水听器的距离：

您一一“被校仪”换能器到声学应答器换能器的距离；

C——为水槽介质中的平均声速；

/t——为“被校仪”测深能力对应的声波剩余等效运行时间。

7.2.2.2测量能力校准装置

单波束测深仪测量能力校准装置组成框图如图2所示。

4

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声学友警器

单波束刚深仪0OO

Q。。“

消出水池

图2单波束测深仪测量能力校准装置组成框图

7.2.2.3校准过程

a）将单波束测深仪换能器、声学应答器换能器和水听器放置于消声水池「匕布置

如图2所示，入水深度均为水深的1/2处；

b）用钢卷尺分别量取单波束测深仪换能器和发射换能器之间距离R1,单波束测深

仪换能器和水听器之间距离R2;

c）开启声学应答器，输入“被校仪”标称的测量范围上限Lmax；

d）使用“被校仪”进行测量：输入水中声速值，发射高频声波；

e）观察能否接收到回波信号：如能接收到，则“被校仪”能达到标称测量范围。反

之，则不能。

f）“被校仪”不能达到标称测量范围情况下，按输入分辨力取0.5m要求，用“二

分之一插入法”调整U,直至给出“被校仪”能接收到声学应答器回波信号的最大等效

距离，即“被校仪”的测量能力。

8校准结果的表达

校准结束后出具校准证书，校准证书以校准数据或表格的形式给出。

校准证书的内页信息参见附录Ao

测量不确定度的评定示例参见附录Bo

9复校时间间隔

单波束测深仪的校准周期一般不超过1年。由二复校时间间隔的长短是由仪器的使

用情况、使用者、仪器本身质量等诸因素所决定的，因此，送校单位可根据实际使用情

5

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况自主决定复校时间间隔。

2

附录A

校准证书内页格式

表A.1校准证书内页格式

校准装置：

校准依据：

校准环境条件：

入水深度：水中声速：

校准内容：

测量校准结果：

测点标准值示值示值误差

1

2

3

4

5

...

示值误差回归方程：△/=a+bd

测量能力：

测量距离不确定度：

测量能力不确定度：0.5m

校准结果说明:

附录B

校准结果的不确定度评定示例

1、测量过程描述

根据海洋单波束测深仪工作原理，在对海洋单波束测深仪测深能力和测深准确度评

定时，水平方向测量长度与垂直方向测量深度是等效的。

被测量为被校海洋单波束测深仪（以下正文中简称“被校仪”）在水平方向上测量的

长度1,其测量过程分3步：第1步，用激光测距仪测量给定的长度，其测得值L&第2

步使用钢卷尺测量标准器与“被校仪”的测量起点之间的长度值乙；第3步由“被校仪”

对给定长度〃处的反射面进行测量，测得值为d.则，被测量的参考值为〃

D=Lj-Lo..........................（1）

比较测得值与参考值之间的误差，按校准规范规定给出测量结果。

2、测量模型

单波束测深仪在测量长度（深度）时，是通过发出声波再接收回声，测量单波束测深

仪发出与回收到声波之间的时间，用符合测量环境介质参数所取定的声速，乘以测得的时

间，得到被测量长度（深度）。

测量模型：

Al=d—D=d—Lj+Lo(2)

Li...........................⑶

其中：

Al——单波束测深仪的测量误差，m；

d一一单波束测深仪单次测量示值，m；

a一一单波束测深仪示值的平均值，m；

D---被测量的参考值，mo

K一一在测量环境下测得声波实际通过介质的速度，单位：m/s；

t——“被校仪”测得的、发出声波到接收到回波的时间，单位：s。

激光测距仪、“被校仪”均固定在校准装置中，成为校准装置的一个固定组成部分。在测

量过程中，测量值的重复性已经包含了校准装置带来的不确定度来源。则，不确定度来源

有测量d、£八L。、/过程中的重复性、标准器的不确定度（水池中介质的温度、压力对声

速的影响带来的不确定度分量远小于测量重复性带来的不确定度分量，可以忽略不计）和

反射板垂直度偏差带来的不确定度。

3、标准不确定度分量评定

1）A类不确定度评定：

通过实验获得实验数据（参见附件：单波束测深仪校准长度测量原始记录表），分别计

算d、Lj、L。、Va&、L。,L、v）等四个测得值的重复性。

根据本规范，对单波束测深仪进行校准时，选定5米、40米、60米、100米和150米四

个校准点。本案例选150米校准点为例进行不确定度分析。

根据贝塞尔公式:

yn(Xj-x)2

u(x)二回一、—

n—1

U&)二？

根据实验室测量，获得实测数据（见表1）。

将有关数据代入上述公式，经计算，在150米的校准点，各输入量的测量值的A类不

确定度(重复性)评定结果如下：

~1=150.006mu(1)=0.7mmu®==0.22min

y1J।y痴

7=0.805mu(1)=5.3mmu(Z)二二1.67mm

o।o10Tlo

d-147.13mu(d)=14.5mmu(d)="迅山

II.—=4.6mm

Vio

v=1473.976m/su(r)=1.58x101m/su(v)二-499x10;m/s

iiVTo

则，Ui(lv)=(4.99x10xt)m

激光测距仪测被测单波束测深仪测钢卷尺测量起点之间

序号声速V

量长度U量长度d长度值10

1150.005147.11.0.811473.992

2150.004147.130.811473.990

3150.006147.120.811473.986

4150.006147.110.8()1473.982

5150.005147.150.801473.978

6150.006147.140.801473.974

7150.006147.130.811473.969

8150.005147.150.801473.964

9150.006147.140.811473.962

10150.006147.130.801473.960

计算公式：

计算结果：

表1:实睑室实际测量数据表

2)B类不确定度评定

(1)激光测距仪的不确定度：根据“手持式激光测距仪”(型号：DlST0™x310,出

厂编号：1370951657)检定证书，该激光测距仪检定结论为0级合格。查询《手持式激光

测距仪检定规程》，得到0级激光测距仪最大允许误差，计算不确定度如下：

最大允许误差:MPEV(lj)=±(1.5mm+5xlO-5D)=1.5mm+150mx5xl05=9imn

=9/V3mm=5.2mm

(2)钢卷尺的不确定度：

根据本项目使用主要配套设备钢卷尺(得力牌、无编号)《检定证书》(证书编号：

2019G10-20-2090637002),作为二级钢卷尺检定合格，其最大允许误差为：

MPEV(7P)=±(0.6+0.4L)mm=±(0.6+0.4x0.805)mm=0.922mm

u2(7o)=0.922mm/V3=0.53min

(3)声速仪的不确定度：

根据本项目使用主要配套设备表面生锈仪(型号svs300,出厂编号02226016)《校

准证书》(证书编号:SXssJZ2018T2001号)校准结论，该声速仪扩展不确定度U=0.10m/s,

k=2o

u,(r)=^2^m/s=0.05m/s

2

(4)反射板的垂直发偏差带来的不确定度

激光测距仪的反射板高度为30cm,宽20cm,使用水平仪进行垂直度控制，垂直度偏

差控制在0.5。以内；单波束测深仪的反射板高120cm,宽240cm,使用软绳单点连接、自

由垂直吊装，垂直度偏差仍控制在0.5。以内。

设反射板垂直度偏差角度为。，反射板高度为即测量误差为则有：

△1产|xAxtg(。/360x2K)

激光测距仪反射板的测量误差：

△L—ix300mmxtg(0.5°/360°x2x3.14)=1.31mm

单波束测深仪的反射板的测量误差：

//尸IX1200mmxtg(0.57360°x2x3.14)=5.23inm

激光测距仪反射板的垂直度不确定度概率分布按均匀分布，k取建

ufi-1.31/V3=0.76nim

单波束测深仪的反射板的垂直度不确定度概率分布按反正弦分布，k取后

u(2=5.23/V2=3.7mm

单波束测深装置反射板垂直度带来的不确定度分量uf：

22-22_

uc,~Vu/1+u/2V0.764-3.7mm3.77mm

4、不确定度分量的来源和评定

各输入量相对应的输出量yi的不确定度，u(y)=|Ci|><u(Xi)

1)激光测距仪带来测量长度参考值的不确定度：

22??

uc(1)=V[u(Z)]+[u(Z)]-V0.22-+5.2-mm=5.20mm

1y2y

2)钢卷尺带来测量长度参考值的不确定度:

4(/,)二dftnf与产+也一付十一J1.672+06平加]:1.75mm

020

3)声速仪的不确定度：

声速仪的声速合成不确定度：

22-82

uc{v)=V[ui(v)]+[iZ2(v)]=V4.99+0.05m/s=0.05m/s

声速仪的对测量值带来的不确定度：

t=147.13m+1473.976m/s=0.0998s

u<1)=0.0998sx0.05m/s=0.00499m=4.99nun4)

反射板垂直度的不确定度：

ucr-3.77nun

5、合成标准不确定度Uc(Al)

d、L。、P的测量相互独立,且与反射板的垂直度相互无干扰、无关联，故各影响因

素间相关系数为0o

根据公式(1),显然，各相关影响因素的灵敏度系数均为1,故：

心⑷)=”浓⑷卜+[u,OF+[uQ)/+[uR2

=V5.2024-1.752+4.992+3.772inm

=8.32mm

为便于比对，取4=2,扩展不确定度U=4xa(4)=2x8.32mm二16.64mm

对扩展不确定度保留2位有效数字，取U=17mm。

6、不确定度分量的汇总表

序号不确定度来源符号类别数值

1激光测距仪的不确定度分量出(A)B类评定5.2mm

5⑴

2激光测距仪测量重复性syA类评定0.22mm

3钢卷尺的不确定度分量出(Z>)B类评定0.53mm

4钢卷尺测量重复性叫A类评定1.67mm

表面声速仪的不确定度分量

5