声速改正在海洋测绘中的应用论文_渠继州, 韩瑞雪, 王墉成

摘要：海洋测绘是以海洋水体和海底为对象所进行的测量和海图编制工作,主要包括海道测量、海洋大地测量、海底地形测量、海洋专题测量，以及航海图、海底地形图、各种海洋专题图和海洋图集等的编制。测绘工作主要有外业数据采集和内业数据处理，其中外业测量主要用到单波束测深仪和多波束测深系统等仪器，而这些都是声学仪器，由于声速在水体内不是均匀传播，因此需要声速仪采集声速对测深数据进行改正处理。

关键词：海洋测绘、声速改正、单波束测深仪、多波束测深系统。

海洋测绘的对象是海洋，而海洋与陆地的最大差别是海底以上覆盖着一层动荡不定的、深浅不同的、所含各类生物和无机物质有很大区别的水体。由于这一水体的存在，使海洋测量在内容、仪器、方法上有明显不同于陆地测量的特点。由于水体具有吸收光线和在不同界面上产生光线折射及反射等效应，其实在陆地测量中常用的光学仪器，在海洋测量中使用很困难。海洋测深主要使用声学仪器，但是超声波在海水中的传播速度随海水的物理性质，如海水盐度和温度等的变化而不同，因此声速改正对测深精度有着重要影响，特别是对多波束采集的数据，当声速改正不正确时，就会使测得的水深值不准甚至海底地形发生变形。下面利用目前市场上常用的声速仪、单波束测深仪和R2 Sonic2024型多波束测深系统实测的数据来说明声速改正对测深精度的影响，并基于CARIS HIPS and SIPS软件处理多波束数据来说明如何通过声速改正来提高测深数据的精度。

一.声速概述

1.声速定义：声波传播的速度（简称“声速”）指单位时间内波阵面（等相位面）传播的距离，在海水中，该值一般在1420～1550m/s范围内。

2.主流声速仪类型：AML Minos SVP 型声速仪，声速测量范围：1400-1600m/s；带温度补偿；声速精度：±0.05m/s（图1）。美国Odom公司 Digbar S声速仪，声速测量范围：1400-1600m/s；声速分辨率：0.1m/s；声速精度：±0.3m/s（图2）。对这两种声速仪，曾在河北省唐山市京唐港口门外自然水域做过对比试验统计。同一时间，同一地点，用两种声速仪采集声速，数据显示其等深度声速相差甚微，且都通过了声速仪检验校对，符合精度要求，可以正常使用。

二.影响声速的因素

声速的大小跟介质的种类有关,还跟介质的温度有关。声速在不同介质中的传播速度一般不同，声音在固体中的传播速度一般大于在液体中的传播速度，声速在液体中传播速度一般大于在气体中传播速度。盐度变1ppt=声速约变1.3m/s；温度变1℃=声速约变3m/s；压力：165米深度变化的影响相当于温度变1℃。同一介质中，在外界温度变化的情况下，声速也在变化。一般随着温度的升高，声速也会升高，这一结论在实际外业测量中也得到验证。在北方海区，3月-5月天气凉的季节，声速一般在1450-1490m/s；在7月-10月天气热的季节，声速一般在1500-1540m/s。另外，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，对声速也有一定影响。

三.声速对单波束测深数据的影响

单波束测深仪的换能器安装在测量船水面以下，垂直向水下发射一定频率的声波脉冲，以声速V在水中转播到水底（测量时假定声速为1500m/s），经反射或散射返回，被接收机换能器接收，后期处理水深数据时，根据声速仪实测声速值对水深值进行改正（图3）。设换能器吃水为D，发射及接收脉冲时间为T，则换能器实测水深H为：

四.声速对多波束测深数据的影响

1.多波束测量时声速改正。多波束系统工作时换能器同时发射多个声波束，在垂直于航向方向上形成一个发射波束扇形传播区，从而实现对海底条带式测量。在实际多波束外业测量过程中，会在换能器上附加一个表面声速仪，通过控制单元把表面声速自动传输给采集软件进行声速改正。如果有些仪器采集数据时没有附加表面声速仪，会在测量之前用声速仪采集声速，取表面声速值手动输入采集软件进行声速改正，并隔一段时间量取一个新声速值输入采集软件（图4）。

2.多波束条带的“笑脸”与“哭脸”处理。多波束数据后处理过程中，在CARIS软件里对测线数据进行线模式编辑时，经常发现测线的后视图像呈“笑脸”状态（图5）或“哭脸”状态（图6），这是因为在外业采集数据时，声速值与实际声速的差别，使得测量的水深偏大或偏小，导致海底地形发生了形变。在CARIS软件中需要通过“Tools”菜单中的“Swath Editor”下的“Refraction Editor”（折射编辑器）对变形的条带进行改正。改正时在“Refraction”选项卡的“Coefficients”（参数）中，“Depth”字段一般设为测区的一半水深，如总水深30m，则选择15m；点击“Velocity correction”（声速改正）后的上下箭头，“Rear”窗口中的条带图像会发生向上或向下的弯曲，如果条带是“笑脸”形，点击向上的箭头，反之如果条带是“哭脸”形，点击向下的箭头，直到达到满意的平整度（如图7），根据以往数据后处理经验，调整值一般在10以内；然后点击“Add”，再点击“Save”，可以每个小块都设置一次，也可以隔一段距离设置一次，程序会自动按前面的设置对后面的数据进行处理。

五.声速测量的时间及位置

声速改正对测深数据的影响较大，理论上采集声速的点密度越大越好，但是考虑工作效率、时间和经济成本，故需要合理选择采集声速的时间间隔和距离远近。一般来说，具体实施声速采集的方案如下：第一点、温度影响，外业测量时应至少在早上、中午和下午各采集一次声速，也就是至少4-5小时左右采集一次；第二点、测区内水深或天气情况变化大，需要适当增加声速采集次数，一般选择水深较深处进行声速采集，保证声速采集深度范围能覆盖测区内测量水深；第三点、距离远近，选择的两个声速采集点最好在测区的两端，而且两点之间距离不要太远，若测线较长，应在测线中间位置适当增加声速测量点，保证声速控制范围范围能覆盖当天的测量区域。

六.结语

声波在传播过程中，若不是垂直入射，受声速的影响，传播路径会发生变化，也就是声波发生折射现象。此时若不进行声速改正，由此计算出的水深是不正确的，所以在实际测量过程中，要考虑声速对水深值的影响。在施测前，充分了解测区的声速变化情况，掌握海区声速变化的一般特征，合理确定测量声速的时间间隔与范围间距，对复杂测区适当增加测量声速的数量，以确保后期处理测深数据的准确性。

参考文献：

[1]周立.海洋测量学[M].科学出版社,2016.

[2]肖付民.CARIS HIPS多波束测量数据后处理教程[M].测绘出版社

【作者简介】渠继州（1990.04-），男，汉族，山东省滕州市人，本科学历，交通运输部北海航海保障中心天津海事测绘中心助理工程师，主要研究方向：海洋测绘。

论文作者:渠继州, 韩瑞雪, 王墉成

论文发表刊物:《科学与技术》2019年21期

论文发表时间:2020/4/17

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