1.本发明涉及水下声学成像和海洋测绘领域，特别涉及一种新型单波束测深仪及其姿态补偿方法。
背景技术：
2.声呐是利用回声测深原理探测水下环境和水下物体的设备。传统的单波束测深仪利用声波向下发射，通过对接收到回波进行检波处理，获得水域深度。
3.传统单波束测深仪组成较为单一，声呐探头仅包含换能器，电子系统和显控模块放置在船舶驾驶舱或作业舱内。传统的单波束测深仪不配备姿态模块，也不对船舶的声速剖面进行补偿，获得的测深精度和定位精度都比较低。近年来一些单波束测深仪配备了姿态模块或惯导，但姿态设备一般放置在船舶上，与探头之间不是刚性连接，姿态数据不能准确反映探头的姿态变化情况。
技术实现要素：
4.为克服上述缺点，本发明的目的在于提供一种在探头内置的高精度姿态模块、接入高精度gnss信息、pps高精度秒脉冲、极大提高测深精度和定位精度的新型单波束测深仪及其姿态补偿方法。
5.为了达到以上目的，本发明采用的其中一种技术方案是：一种新型单波束测深仪，所述单波束测深仪内部集成高精度姿态模块，所述高精度姿态模块利用姿态信息对深度和位置进行校准。
6.为了达到以上目的，本发明采用的另一种技术方案是：一种新型单波束测深仪姿态补偿方法，采用上述的新型单波束测深仪，包括如下步骤：
7.步骤一，利用单波束测深仪控制发射声波并采集海底回波；
8.步骤二，gnss将高精度定位信息和pps秒脉冲实时下传至声呐湿端探头，探头同时还接收内置姿态模块的姿态信息，将上述信息进行综合处理；
9.步骤三，探头将声呐数据、定位数据、姿态数据、时间信息等打包上传至干端上位机软件；
10.步骤四，测深仪向下发射声波时，江底或海底的发射最强，此时取声波信号处理结果的幅度最大值或能量最大值，或者使用其他策略计算，所得到的时间间隔即与声呐换能器到江底或海底的距离成正比；
11.步骤五，江底或海底具有平整特性，利用相邻波束获得的水深值之间的相关性进行滤波处理，即利用平滑窗进行水深滤波；
12.步骤六，进行姿态补偿；
13.步骤七，进行位置补偿，当发生较大的姿态偏移时，由于声波照射的波束脚印不在声呐正下方，导致实际测得的水深并不是声呐正下方的水深，而是声呐斜下方的水深，此时需要把声呐当前位置补偿到波束脚印的实际位置；
14.步骤八，进行俯仰补偿计算；
15.步骤九，进行横滚补偿计算。
16.优选地，所述步骤六中的姿态补偿的方法如下：首先判断当前姿态角(俯仰角θ
p
和横滚角θr)是否小于声波波束开角的一半在平底假设条件下，姿态角小于波束开角一半时，声波的主波束仍然可以照射到声呐正下方，此时不需要进行姿态补偿；如果姿态角大于声波波束开角的一半，则需要补偿姿态，此时主波束内边缘照射到距离正下方最近的点上，为声程最短的照射点，内边缘与铅垂线的交角为以俯仰角为例说明，此时改正后的水深为：
[0017][0018]
如果横滚角也大于则有
[0019][0020]
综合起来即为：
[0021][0022][0023]
优选地，所述步骤八的位置补偿用以将声呐当前位置补偿到波束脚印的实际位置。
[0024]
优选地，设声呐的平面坐标系为(e1,n1)，其中e1为东坐标，n1为北坐标，声呐的航向为θh，俯仰补偿的算式为：
[0025][0026]
优选地，所述横滚补偿的算式为：
[0027][0028]
优选地，所得到的时间间隔与声呐换能器到江底或海底的距离成正比的算法为：
[0029]
[0030]
其中，c为水中声速，t
max
为幅度取得最大值时所在的时刻(以幅度最大值策略举例)。
[0031]
本发明新型单波束测深仪及新型单波束测深仪姿态校准方法的有益效果有以下几点：
[0032]
(1)湿端探头内置高精度姿态模块，使姿态模块与换能器始终为刚性连接，避免传统用法中非刚性连接导致测得的姿态不准的问题，极大提高了姿态的有效性。
[0033]
(2)利用姿态信息进行深度校准，考虑声波波束主瓣波束的边缘波束，而不是中心波束，校准结果更加精确。
[0034]
(3)对位置信息进行校准，减少水底不平坦带来的影响。
具体实施方式
[0035]
下面对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
[0036]
本实施例中的一种新型单波束测深仪，内部集成高精度姿态模块，高精度姿态模块利用姿态信息对深度和位置进行校准。
[0037]
本实施例中的一种新型单波束测深仪姿态补偿方法，新型单波束测深仪姿态补偿方法采用上述的新型单波束测深仪，工作步骤如下：
[0038]
步骤一，利用单波束测深仪控制发射声波并采集海底回波；
[0039]
步骤二，gnss将高精度定位信息和pps秒脉冲实时下传至声呐湿端探头，探头同时还接收内置姿态模块的姿态信息，将上述信息进行综合处理；
[0040]
步骤三，探头将声呐数据、定位数据、姿态数据、时间信息等打包上传至干端上位机软件；
[0041]
步骤四，测深仪向下发射声波时，江底或海底的发射最强，此时取声波信号处理结果的幅度最大值或能量最大值，或者使用其他策略计算，所得到的时间间隔即与声呐换能器到江底或海底的距离成正比，具体来说即为
[0042][0043]
其中，c为水中声速，t
max
为幅度取得最大值时所在的时刻(以幅度最大值策略举例)；
[0044]
步骤五，由于江底或海底一般比较平整，不会出现剧烈跳变，因此相邻波束获得的水深值之间有一定相关性，可以利用这种相关性进行滤波处理，一种方法即利用平滑窗进行水深滤波。
[0045]
步骤六，姿态补偿的方法如下：首先判断当前姿态角(俯仰角θ
p
和横滚角θr)是否小于声波波束开角的一半在平底假设条件下，姿态角小于波束开角一半时，声波的主波束仍然可以照射到声呐正下方，此时不需要进行姿态补偿。
[0046]
步骤七，如果姿态角大于声波波束开角的一半，则需要补偿姿态，此时主波束内边缘照射到距离正下方最近的点上，为声程最短的照射点，内边缘与铅垂线的交角为
(以俯仰角为例说明)。
[0047]
此时改正后的水深为：
[0048][0049]
如果横滚角也大于则有
[0050][0051]
综合起来即为：
[0052][0053][0054]
步骤八，位置补偿。当发生较大的姿态偏移时，由于声波照射的波束脚印不在声呐正下方，导致实际测得的水深并不是声呐正下方的水深，而是声呐斜下方的水深，此时需要把声呐当前位置补偿到波束脚印的实际位置。
[0055]
步骤九，设声呐的平面坐标系为(e1,n1)，其中e1为东坐标，n1为北坐标，声呐的航向为θh；
[0056]
步骤十，进行俯仰补偿的算式为
[0057][0058]
步骤十一，进行横滚补偿的算式为
[0059][0060]
以上即完成了姿态校准，包括深度校准和位置校准。
[0061]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。