浅谈声速在多波束水深测量中的影响及对策

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多波束系统是计算机技术、导航定位技术、姿态传感技术、海水水文参数自动获取技术、图像处理技术等，多项技术的高度集成。根据国际海道测量规范IHO S-44的要求，等级为特等的区域（港口、锚地和具有最小富余水深的相关航道）要求使用全覆盖扫测，对于等级为一等的区域（港口、入港航道、推荐航道和水深在100m以内的沿岸水域）只要求特殊水深进行全覆盖测量，现在多波束主要用于航道、锚地、障碍物的扫测、浅点加密以及一些大比例尺的水深测量；其中，声速是影响其测量精度的一项重要因素。通常，在某一测区内从海面到海底的声速值并不一样，而是存在着不同的声速层，使声波射线发生弯曲，这样就与理论产生不一致；如果在平坦的区域，实际声速大于改正声速，多波束测得的测幅内的横断面水深图曲线两侧是向上翘，成笑脸，相反，横断面水深图曲线两侧向下压，成哭脸，从而产生一个深度误差和位置误差。

一、声速的概念及影响声速的几点因素

⒈ 声速的概念
单位时间内波阵面（等相位面）传播的距离为声波传播的速度，简称为声速，在海水中，该值一般在1420～1550m/s范围内，比空气中的声速快4倍多。

⒉影响声速及测量的几点因素
由于海水的不均匀性和多变性，海水的密度和体积压缩系数是海水温度、盐度和静压力（与水深有关）的函数且随时间变化，因此海水中的声速也是温度、盐度和静压力的函数，由此可见，获得准确的声速数值，对水深测量的准确度至关重要。

此外，由于海水为非均匀介质，在海水中含有各种杂质，如海水中的气泡、悬浮物、海洋生物等，其中特别是海水中所溶解的气泡，对声波传播有一定影响；对外业测量而言，当测量船经过前边船舶航迹的尾流，或者测量船倒车时，由于多波束换能器安装不当，导致换能器下大量气泡的存在，其都能对测量工作造成很大影响，甚至无法正常工作。

目前测量中，比较常用的获取海水中声速的方法主要为利用声速剖面仪直接测量。声速剖面仪的工作原理比较简单，其不断发射高频短脉冲，当接收到前一个短脉冲的回波后，便立即发射下一脉冲；声速测量仪记录每秒钟脉冲的发射次数（即脉冲重复频率），再乘上每隔短脉冲在海水介质的已知声传播路程，即可获得海水介质的声传播速度。目前声速仪测量精度可达0.1m/s。

在同一海区，盐度在深度方向上的变化不是很大，造成声速在深度方向上变化的主要原因在于温度及静压力随着深度的变化；在浅水多波束的测量中，温度是影响声速变化的最主要因素；尤其是在北方海区的夏季，其早中晚的温差较大，从而造成海水的表层声速变化很大，对声速的控制产生很大影响。

二、声速误差对多波束测深的影响

⒈ 声速剖面的影响
目前广泛使用直读式和自容式声速仪测量声速剖面，不论弧形换能器阵列或平面换能器阵列的多波束，当声速仪故障测得的声速剖面存在误差或测区声速变化较大声速剖面不能满足处理需要时，数据后处理时会出现水深会比实际偏深或偏浅或者水深呈现“笑脸形”或“哭脸形”。若声速剖面值变化不大但是整体存在误差时，一般会出现水深比实际偏深或偏浅的情况。当声速剖面声速值变化比较大，使用错误的声速剖面改正后，会引起平坦海底呈现“笑脸形”或“哭脸形”，如图1和图2所示。

图1 声速剖面偏大改正后的测深剖面

图2 正确声速剖面改正后的测深剖面

⒉ 表面声速误差对测深的影响
表面声速值一般由安装在换能器处的表面声速传感器测得，或利用测量声速剖面时测得的换能器入水深度的声速值。弧形换能器阵列的多波束每个波束都垂直于换能器阵列表面，无需输入表面声速。当使用平面换能器阵列的多波束实施测量时，输入的表面声速存在误差或错误，将对实际测量水深产生直接影响，其主要原因在于：表面声速是影响多波束换能器发射声波指向角的重要因素，表面声速不同，则多波束波束脚印的深度和位置都将产生变化，影响最终测深结果的精确性。如果输入的表面声速大于实际声速，平坦海底会表现为“哭脸形”；输入的表面声速小于实际声速，平坦海底会表现为“笑脸形”。

在某次测量工作结束后，工作人员使用其中一段测线进行研究。实测的表层声速为1464.8m/s，作业人员分别输入1454.8m/s 和1474.8m/s的错误表面声速，所采集的数据处理后发现明显的弯曲，中心波束误差相对较小，波束角越大的边缘波束水深误差越大。

图3 错误表层声速数据与正常海地地形比较

三、减小声速误差对水深影响的几点建议

⒈ 外业测量
  · 声速仪应在工前和工后进行比对校准。声速值的变化原则上应有一定的规律，当作业人员发现声速测量值与当地温、盐、密水平出现明显异变时应立即重新比对，方法可使用测深仪配合检查板进行校对。每次比对时应将检查板和声速仪选择在相同地点、相同时间进行。进行声速测量时应在0m位置附近停留1min 以上，以校准声速仪是否存在零点漂移现象。

  · 表面声速对测深精度影响较大，大面积测量要多测定表面声速；为消除不同海域、不时间声速差异对测量水深改正精度的影响，测量时可将测区分割成若干区块，每个区块测量时测前、测中、测后均实施声速测量，如声速变化较大，应适当增加其探测密度；数据处理时应遵照距离最近、时间最近原则作为声速选取的依据。

  · 实际测量当中，如条件允许，应尽量配置精度足够的表面声速仪，以实时采集多波束换能器表面水层的声速。

  · 测量前收集测区声速剖面数据，分析对测深精度的影响。

⒉ 内业处理
  · 声速剖面的内插：在编辑声速文件的时候应首先检查声速数据，如果测得的声速剖面不能够满足声速改正的需要，可根据声速变化的规律利用Excel对声速剖面数据进行适当修改或内插。内插时应分析声速变化的转折位置，在该位置按照距离最近的2个声速剖面值内插1个声速剖面，如果是由于温差导致的水体表层声速变化，可按在2次测量时间段中间平均内插1个声速剖面。

  · 声线折射调整：声线折射调整通过一个指定的深度将海水划分为2层，上层声速可调整，下层声速值不变。当上层声速变化时，边缘波束的声线会发生弯曲，使水深深度发生变化，从而达到折射改正的目的。

使用Caris软件可简单的进行声线折射调整，调整前应将换能器安装角度“roll”输入船配置文件的“SVP”中。将需要调整的测线改正声速后，在“线编辑模式下”选择海底平坦区域，使用“Refraction Editor”功能进行调节。如果测线不同位置的“弯曲”程度不同，可以在不同位置分别设置多个不同的调整值。使用声线折射调整工具进行调整能够还原海底形态，减小测深误差，如图4所示。

图4 声线折射调整前后对比

四、结语

导致声速剖面误差的因素是多方面的，在实际生产测量过程中，只能尽量减小其误差，而不能彻底消除。建议在今后的测量过程中做到合理布设声速剖面网，配备表面声速测量仪，使用稳定性较好的测量船舶，避免换能器随测量船舶起伏过大而引起表面声速变化的影响，及时进行声速仪检查比对，以尽量消除其对水深测量的影响。

来源：溪流之海洋人生微信公众号（ID：xiliu92899），作者：孟森。