淺海測量中聲速對多波束測深系統(tǒng)的影響原理淺析

蔡長魁

摘要：本文簡單介紹了海水介質(zhì)中聲波傳播的特點和多波束測深系統(tǒng)的工作原理，以此為基礎(chǔ)淺析了淺海測量中聲速誤差對多波束測深系統(tǒng)測量結(jié)果產(chǎn)生影響的原理。

關(guān)鍵詞：多波束測深系統(tǒng);聲速

1 引言

多波束測深系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)測深方法，在波束形成理論、勘測技術(shù)、校正與處理方法上形成了自身復雜的特點。多波束測深系統(tǒng)在測量過程中受儀器自噪聲、海況因素、聲吶參數(shù)設(shè)置不合理或者使用了較大誤差的聲速剖面等因素影響，致使測量資料不可避免地存在假信號，造成虛假地形，從而使繪制的海底地形圖與真實海底存在差異。在多波束測深系統(tǒng)的使用過程中，聲速對測量精度（特別是邊緣波束）影響較大，本文主要簡單分析聲速對多波束測深系統(tǒng)在淺海中使用產(chǎn)生的影響和原理。

2 淺海聲速結(jié)構(gòu)

海水介質(zhì)是一種流動的介質(zhì)，其溫度、鹽度特征不僅受到徑流淡水和洋流高鹽水入侵的影響，而且還受到氣溫、季節(jié)、流場等因素的作用。海水介質(zhì)顯著變化的溫、鹽特征必然導致聲速結(jié)構(gòu)的時空變化，從而對多波束海底測量產(chǎn)生重大影響。在沿岸淺海及大陸架上，聲速剖面受較多的因素影響，有較強的地區(qū)變異性和短時間不穩(wěn)定性。很多外部動力機制影響著聲速結(jié)構(gòu)，圖1介紹了關(guān)于影響海岸聲速結(jié)構(gòu)的解釋。

海水中的聲速不是一個固定不變的量，是取決于海水介質(zhì)中許多特性的一個變量。它隨著溫度、季節(jié)、地理位置及時間而變化。實際測量表明，聲速是溫度、鹽度和壓力（深度）的函數(shù)，隨溫度、鹽度和深度的增加而增大。但平均而言，在沿岸淺海及大陸架上聲速有比較明顯的季節(jié)特征。在冬季的典型聲速剖面是等溫層，在夏季往往是負躍層或負梯度。由聲波的傳播特性可知，聲波穿過不同的聲速介質(zhì)時，其傳播路徑要發(fā)生改變，由高速介質(zhì)向低速介質(zhì)傳播時，向法線方向折射。這樣，當聲波非垂直入射海水時，由于穿過一系列不同的聲速層，其傳播軌跡實際上是一條由很多折線構(gòu)成的曲線，這就是聲線折射現(xiàn)象。

3 聲速對多波束測深系統(tǒng)影響

多波束系統(tǒng)工作時換能器同時發(fā)射多個聲波束，在垂直于航向方向上形成一個發(fā)射波束扇形聲傳播區(qū)，從而實現(xiàn)對海底的條帶式側(cè)量。多波束系統(tǒng)采用“廣角度發(fā)射，邊緣波束處在傾斜收發(fā)狀態(tài)，斜入射的聲波在不均勻的介質(zhì)中會產(chǎn)生折射現(xiàn)象。聲波對折射現(xiàn)象是非常敏感的。折射現(xiàn)象隨著入射角的加大而加劇，繼而對測量精度產(chǎn)生較大的影響。表現(xiàn)為對傳播距離的影響和對波束指向角的影響，對波束測點的最終位置的歸算帶來較大的誤差。

在一個簡單的模型中，海洋可以看成是分層介質(zhì)。這就是說垂直的波束是與這些分層是正交的。其它的波束都是傾斜入射到這些層面上的。從圖2可以看出折射在兩個地方影響了深度的測量，一個在波束形成和波束定向時換能器表面處，還有聲波在海水中播過程中。

聲納發(fā)射聲波產(chǎn)生聲線由于不同深度聲速的變化，時刻地改變著方向。換能器表面的聲線圖應(yīng)是直的，如果表面聲速錯誤，聲線會發(fā)生彎曲。由于不同深度聲速的變化，使得聲線偏離了本來的方向。如圖3所示，當聲速剖面改正值小于實際的值時，將會出現(xiàn)兩邊向上翹的凹形地形，其中心部分的水深也相應(yīng)變淺，當聲速剖面改正值大實際的值時，將會出現(xiàn)兩邊向下塌的凸形地形，其中心部分的水深也相應(yīng)變深。

聲波在傳播過程中發(fā)生折射，使各波束的傳播方向發(fā)生改變，對測量點的深度和側(cè)向中心距具有重大影響。在碼頭或淺水區(qū)域勘測，必須考慮聲速不準確導致的勘測誤差。尤其在淺海海洋聲速變化比較大的區(qū)域進行多波束測量時，必須十分精確地測定聲速剖面，否則線處理過程中會明顯看到我們常說的哭臉或者笑臉現(xiàn)象，給測量結(jié)果帶來較大的誤差。

4 結(jié)語

本文綜合海水介質(zhì)中聲波傳播的規(guī)律和多波束測深系統(tǒng)的原理簡單分析了聲波折射對多波束測量結(jié)果的重大影響，想要完全消除這些影響是不可能的，在實際作業(yè)中，我們可以通過加密聲速剖面采集、合理布設(shè)聲速剖面、使用穩(wěn)定性較好的測量船舶、及時進行聲速儀檢查比對盡量消除其對測量結(jié)果的影響。

參考文獻：

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（作者單位：東海航海保障中心上海海事測繪中心）