多波束测深系统声速校正3何高文(广州海洋地质调查局二海,510760)摘要海水声速是多波束测深系统进行水深测量的基本参数之一,声速剖面正确与否直接影响测量结果的精度和可靠性。

本文阐述了声速对多波束水深测量的影响机理,并通过对南海SA 12试验区采集的声速资料的分析,以SeaBeam 2100多波束测深系统为例,对声速校正的技术方法进行了探讨。

关键词　海洋　声速校正　多波束测深　SeaBeam 2100测深系统中图分类号:P 73312 文献标识码:B前言自1994年原地矿部引进第一套多波束测深仪(SeaB eam 2100系统,安装于“海洋四号”船)以来,我国先后引进了多套深、浅水多波束测深系统,在大洋矿产资源调查和目前正在开展的近海大陆架及专属经济区的地形勘测中,发挥了巨大作用,引发了一场海底地形测量的革命,为有效地维护国家权益和即将开展的海域划界作出了很大贡献。

如何保证测量数据的精度及其可靠性,是任何测量仪器必须关注的问题,多波束测深仪也不例外。

作为一种有别于传统单波束测深仪的水深测量仪器,影响多波束测深数据的因素有很多,其中海水声速(简称“声速”)是重要的因素之一。

下面以SeaB eam 2100系统为例,探讨声速对多波束测量数据的影响以及声速校正的技术方法。

由于SeaB eam 多波束测深系统的水深测量值是根据发射声波的往返时间与声波在海水中的传播速度来确定的,因此,及时为系统提供当时当地准确的声速值是获取可靠水深测量数据的基本保证之一;此外,多波束测深系统对所输入的声速数据量有一定的限制,不同的数据取点,也将对测量结果产生影响。

与传统的单波束测深仪相比,多波束测深仪对声速的要求更为严格(见后述)。

所以,为了获得准确可靠的多波束测深数据,必须进行声速校正。

通过对南海SA 12试验区海水声速系统测量结果的研究,获得了声速变化规律的认识,从而为SeaB eam 系统的声速校正提供科学依据。

1　声速影响因素海洋中的声速是一个比较活跃的海洋学变量,它取决于介质中的许多声传播特性,随季收稿日期:2000204220第19卷　第4期2000年12月 海　洋　技　术O CEAN T ECHNOLO GY V o l 119,N o 14D ec,2000节、时间、地理位置、水深、海流等的变化而不同。

图1　声波在不同声速介质中的传播图2　声线弯曲示意图一般而言,除了诸如空气泡和生物体等杂质外,影响海洋声速的物理因素主要有温度、盐度和压力。

从如下的声速计算经验公式(M edw in 公式)可以看出,声速随温度、盐度、深度(压力)的增加而增大,其中与温度的相关性最大,压力次之,盐度的影响最小。

SV =144912+416t -01055t 2+0100029t 3+(1134-0101t )×(s -35)+01016d式中:SV -声速(m s )t -温度(℃)S -盐度d -深度(m )适应条件:0≤d ≤1000m2　声速对测深值的影响机理如前所述,声波在海水中的传播速度主要与海水温度和压力有关,在海水的不同深度,温度和压力发生变化,因此,声速也各不相同。

不同的声速在海水中构成一系列声速层。

由声波的传播特性可知,声波穿过不同的声速介质时,其传播路径要发生改变,由高速介质向低速介质传播时,向法线方向折射(图1),也即遵循Snell’s 法则:V 1 co s Η=V 2 co s Χ式中:V 1:声波在介质1中的传播速度V 2:声波在介质2中的传播速度Η:入射角Χ:折射角这样,当声波非垂直入射海水时,由于穿过一系列不同的声速层,其传播轨迹实际上是一条由很多折线构成的曲线,这就是声线弯曲现象(图2)。

多波束测深系统以一定的开角发射和接收信号,声波信号在海水中是在一个扇形的范围内传播。

系统一旦完成一次声纳信号的发射和接收过程后,回波时间就可以确定下来,而最终测深值的获得,还必须依赖该信号(声波)在海水中的传播速度。

根据声速和回波时间,可以计算出声波到达海底传播路径的量程(长度),用公式表示为:量程(R )=1 2×声速(SV )×回波时间(T )最后根据发射角的不同,利用声线追踪原理,获得声波在海底的回波位置及其水深值。

由于声线弯曲现象的存在,声速值(特别是表面声速)正确与51　第4期 多波束测深系统声速校正 否,将直接影响多波束系统各个波束(尤其是外部波束)在海底的触底位置及其水深值。

声速对水深测量误差的贡献可用以下公式表示:E=D ∃CC0[1-2tan2(Α0)+2tan(Β)tan(Α0)]式中:E:由声速引起的水深误差Αo:折射角之补角Β:海底坡度角△C:声速变化Co:折射介质声速D:水深值从上式可以看出,该误差由三部分组成:第一部分为垂直误差;第二部分是由声线弯曲引起的水深误差;第三部分代表回波的位置偏移以及在斜坡区由于位置偏移而引起的水深误差。

3　声速剖面采集现场实测声速剖面主要是通过投放声速测量仪而获得的。

声速测量仪有多种,例如M ark B CTD P rofiler、SV P-16P rofiler、XB T等等,其中前两者可获得全深度的声速,后者仅能获得数百米深度的声速数据。

311　几种设备性能简介M ark B CTD P rofiler(以下简称CTD)主要用于测量海水的温度、盐度(电导率)、压力(水深)以及分层采水等,其声速值是根据温、盐、深三值计算而得,因此,它所提供的声速值的准确性(精度)取决于温度、盐度和压力三个传感器的性能,CTD各探头的性能指标如表1所示。

SV P-16是一种专门用于测量海水声速的设备,它能同时提供水深、声速、水温三组数据,分别由压力、声速、温度传感器采集获得,其性能指标如表2所示。

SV P-16采样率最小为1m s,工作深度5000m。

从表1、2所列的仪器性能可看出,CTD采集的声速数据精度要比SV P-16更高一些。

表1　CTD探头性能指标项　目范　围精　度分辨率温　度-32～32℃±01005℃010005℃压　力320～6500db±015～±615db01005～011db电导率1～65mm ho±01005mm ho01001mm ho 61 海　洋　技　术 第19卷表2　SV P -16传感器性能指标项　目精　度分辨率备注声　速0125m s 0113m s 温　度011℃01001℃范围-2～38℃压　力011%F 1S 101005%F 1S 1312　采集过程图4　SA 12-32L 测站海水声速及温度剖面图两种设备均为有缆作业,CTD 是通过通讯电缆把探头感应到的信号传递到实验室的控制计算机中,经计算处理后,得到声速值;SV P -16则是把探头感应信息存储到本身的内存中,提升回来后,再回放并经过处理得到可供利用的声速数据(图3)。

此外,SV P -16也可接通讯电缆,在投放过程中直接把感应信息传递到控制计算机中。

　准　备　→　投　放　→　提　升→计算机处理→声速结果图3　声速采集流程简图313　测量结果比较CTD 和SV P -16两种声速采集设备在同步作业时的测量结果如图4所示。

从图中可以看出,两者测量的温度几乎完全吻合,而声速值稍有差异,但总体结构是一致的,尤其在300m 以上水深,比较接近,300m 以下,两者差异逐渐增大,最大约3m s 。

从数据本身来看,SV P -16灵敏度不够,声速值在垂直剖面上呈线段状跳跃变化,而CTD 的声速值变化为渐变过程,综上所述并结合仪器性能特点,可以看出,CTD 测量的声速数据质量优于SV P -16。

4　声速剖面变化规律如前所述,声波在海水中的传播速度与海水温度、盐度、压力三因素关系最大。

在海洋中的不同深度,温度、压力也随之变化,因此,声速在垂向上也表现出一定的变化规律。

从声速剖面图(图4)可以看出,在垂直方向上大致可以划分出4个声速变化层,它们与深海声速剖面分层基本一致。

层1为表面层,一般水体厚度不大,声速在该层对热、冷和风的作用的日变化和地区变化很敏感,由于风吹过海面时产生的混合作用,该层通常表现为等温的混合层,声速基本保持不变。

该层对声波具有通道作用。

在长时间风平浪静的日照条件下,此等温混合层将消失,而被温度随深度逐渐降低的水层所取代。

层2为季节跃变层(又称温跃层),该层71　第4期 多波束测深系统声速校正 厚度较层1加大,温度随深度急剧变化,表现为负的温度梯度和声速梯度,此梯度随季节而异。

层3为主跃变层(又称渐变层),该层厚度进一步加大,声速梯度仍为负值,但变化较小,它受季节变化的影响很微弱。

层4为深海等温层(又称均匀层),该层一直延伸至海底,声速梯度在该层变为正值,温度几乎不变,声速主要受压力影响,随深度增加,声速也逐渐增大。

综合试验区22个测站测量结果,得出的各层分界线变化范围见表3所示。

表3　声速剖面分层界线层1-层2层2-层3层3-层4水深(m)20～45200～4001000～1200层1与层2之间界线比较明显,层2与层3和层3与层4之间并无截然的分界线,通常为渐变过程。

5　三种声速数据来源对SeaB eam多波束测深系统水深值的影响SeaB eam多波束测深系统对声速剖面的要求比较严格。

只有向系统提供正确的声速剖面,才能得出合理可靠的水深值。

声速数据可以从多种途径获得,不同来源的声速数据,其精度可能参差不齐。

我们选择了三种途径获得的声速数据,用以检验它们各自对SeaB eam系统测深值的影响,它们分别来源于CTD、SV P-16测量结果和全球大洋声速数据库。

在M B-System软件包中,可以通过m b levitu s命令获得全球各大洋1°×1°范围内的年平均声速剖面。

选取在CTD和SV P对比试验附近地区采集的数据文件(SB1997041214331rec),该地区地形平坦,利于对比,分别用CTD、SV P-16和全球大洋声速库(sv-dbase)的声速剖面重新计算水深值,取其中5个特征点进行对比,结果列于表4。

表4　三种声速剖面的SeaBeam测深值及其绝对差(单位:m)项目测深值起始点结束点中心波束(50个P ing平均)最大值最小值声　速绝对差CTD161412161516161312160713164512 SV P-16161611161715161511160514164318 svdbase161318161512161218160612164413△CTD-SV P16-119-119-119119114△CTD-svdbase014014014111019△SV P16-svdbase213213213-018-015 由SeaB eam系统性能可知,在1600m水深时,中心波束允许误差为±312m,边缘波束为±8m,表4中的各绝对差均在允许误差范围之内,表明三种声速数据的精度均能满足系统的要求,其中与-的绝对差较小,两者测深值吻合得较好。