多波束测深系统声速校正
多波束测深系统声速改正技术
多波束测深系统声速改正技术一、序言- 引言：介绍多波束测深技术在水下测量领域的应用以及声速改正技术的重要性。
- 研究背景：简述多波束测深技术和声速改正技术的来龙去脉。
- 研究意义：阐述研究多波束测深系统声速改正技术的重要意义。
二、多波束测深系统基本原理- 多波束测深系统的构成和工作原理：简述多波束测深系统的整体结构和基本原理。
- 多波束测深系统测深原理：详细介绍在多波束测深系统中实现水深测量的基本原理。
- 多波束测深系统的工作流程：阐述多波束测深系统的工作流程，详细介绍每个环节的操作过程。
三、声速测量与改正方法- 声速的概念与测量方法：对声速的相关概念进行详细阐述，并介绍常见的声速测量方法。
- 多波束测深系统声速改正的必要性：分析多波束测深系统中声速改正的必要性和意义。
- 常用声速改正方法：介绍常用的声速改正方法，并分析各种方法的优点和缺点。
四、多波束测深系统声速改正技术研究- 基于声速测量的声速改正方法：阐述在多波束测深系统中，基于声速测量的声速改正方法。
- 基于反演法的声速改正方法：介绍在多波束测深系统中，基于反演法的声速改正方法。
- 基于神经网络的声速改正方法：介绍在多波束测深系统中，基于神经网络的声速改正方法。
五、结论与展望- 研究结论：总结本文研究的多波束测深系统声速改正技术的研究成果和结论。
- 简要讨论：简要讨论研究中发现的问题和不足之处，并提出改进意见。
- 研究展望：展望多波束测深系统声速改正技术的未来发展趋势和方向。
多波束测深系统是一种非接触性测量水深的技术，其精度高、速度快，被广泛应用于海洋、水利、地震、环境等领域。
本章将介绍多波束测深系统的基本原理及其构成，以便更好地理解多波束测深系统声速改正技术的研究。
多波束测深系统的构成和工作原理多波束测深系统由多个发射器和接收器组成，其中发射器发出多束探测信号穿过水体后被接收器接收，通过计算探测信号的往返时间和相位差来计算水深。
一个多波束测深系统通常有4至8个发射器和接收器，信号发送后形成梳状图案，由此形成一系列交错的光带覆盖水下被测区域，从而实现大范围、高精度、高效率的水深测量。
多波束测深系统校正技术在水深地形测量中的应用
摇
多波束测深 系统校正作业 由多个过程组成 ，包 括 声速校正 、横摇纵摇校正 、艏摇校正 、延时校正等 。
ｔ ｒｉｎ ｅ ｌａｔｅｎｃｙ ｏｔ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ａｔ ｔｈｅ ｓｕｒｖｅｙ ｓｈｉｐ ａ ｒｅ ｓｏｍ ｅ ｉｍｐｏ￣ａｎｔ ｓｏｕｒｃｅｓ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃ ｅｒｒｏｒ ｊｎ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍ ｅｎｔ ｏｆ
ｗａｔｅｒ ｄｅｐｔｈ， ｈａｖｉｎｇ ｇｒｅａｔ『ｎｆｌｕｅｎｃｅ Ｏｎ ｄａｔａ ａｃｃｕｒａｃｙ ａｎｄ ｑｕａＩｉｔｙ ｏｆ ｓｕｒｖｅｙ ｒｅｓｕｌｔｓ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｗ ｅ ｄｉｓｃｕｓｓ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ
本文详细介绍 了多波束 测深 系统在水深 地形测量 过程 中的系统校正 方法 ，为多波束 系统外业 测量工作 提供参考 。
在测量船上安装多波束测深系统 设备时和测量作 业过程中 ，很难保证多波束换能器基 阵中心的三坐标 轴与测量船中心的三坐标轴完全重合 ，且随船体运动 出现横摇 、纵 摇和 艏摇 （见 图 ４）。因此 ，多波束测 深系统在正式工作之前 ，必须 正确 、严格地进行各项 系统参数的校正测定。需要测定的系统参数有 ：横摇 偏 角 、纵 摇 偏 角 和 艏 摇偏 角 等ｎ０１。
’ 多 波束测深 系统 ；水深地形 测量 ；水深 数据 ；系统误 差 ；校 正
ＣＨＵＮ Ｍ ｉｎｇｈａｏ， ＬＩＵ Ｚｈｅｎｗ ｅｎ， ＭＡＯ Ｔｉａｎｙｕ， ＹＡＮＧ Ｘｉａｏｄｉ， ＬＵＯ Ｘｉａｏｑｉａｏ， ＺＨＡＮＧ Ｎｉｎｇｘｉｎ
ＣＮＰＣ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｃｏｍｐａｎｙ Ｌｉｍｉｔｅｄ，Ｔｉａｎｊｉｎ ３００４５１，Ｃｈｉｎａ
水深测量中声速改正方法分析(修改)
水深测量中声速改正方法分析杨仁辉（中交广州航道局有限公司，广州，510221）摘要：本文介绍了水深测量中声速测量的两种方法，以HY1200声速仪为例，着重介绍了声速剖面仪的原理、软件应用以及平均声速的计算方法，并且对两种方法进行了比较、分析。
关键词：测试板法；声速剖面仪；HY1200系列；平均声速；声速改正数Correction for Acoustical velocityin Echo SoundingYANG Ren—hui(CCCC Guangzhou Dredging CO.,LTD.,Guangzhou 510221)Abstract: This paper introduces the method of test board and SVP，the focus is the principle、application software and average sound velocity of HY1200SVP.Then it discusses the diffenrent of test board and SVP.Key words:test board；Sound Velocity Profiler；HY1200SVP;average sound velocity；correction of sound velocity data１.引言水深测量通常采用回声测深系统进行测量。
回声测深系统的原理非常简单，主要是以声速和声速往返时间来计算水深，即：Ｈ＝V×Ｔ/2（1）其中：V为声速、Ｔ为声速往返时间。
这里，声速往返时间是由系统感知计算得到的，声速由测量人员测定，所以为了得到相对精确的测量结果，声速的测定就成为水深测量过程中非常重要的一个步骤。
对于声速的测定我们一般采用两种方法，测试板法和声速剖面仪法。
测试板法和声速剖面仪是根据两种不同的思路设计的。
下面我们简单叙述一下这两种方法是如何测定声速的。
多波束水深测量误差分析及校正 王军强
多波束水深测量误差分析及校正王军强摘要：多波束水深测量有着可靠稳定以及覆盖面广等的优点。
但多波束测深系统的声学原理以及海水具有不均匀性，声波在进行传播期间会出现线折射，而波束测点也会因此出现位置的计算不准确。
因此，本文通过分析主要的系统参数误差，进一步深究并提出对应的测定方法和完善措施。
关键词：多波束；水深测量；误差分析；校正1声速剖面误差及校正海水本身具有不均匀的性质，因此声波在传播的过程中，会受到海水盐分密度、水压以及水温等多方面影响，继而产生对应性的改变。
如声速会因海水的盐分密度、水压、水温的上升而加速，这里最密切相关的还是水温，其次是水压，再是海水盐分密度。
为了能够更好地保障多波束测深的精准性、可靠性，通常采取较多的声速剖面，进行科学合理的时间安排以及空间上的布置，有目的地适当对声速剖面的空间分布密度进行调整。
2导航定位时间延迟误差及校正2.1误差分析通常定位系统都是和测深系统同步进行的，否则就会令测深点发生偏移，进而影响所测得的海底地形正常图形，这个过程叫做定位时间延迟误差。
图1（a）、图1（b）为系统延迟效应对测深产生的影响。
图中箭头为测线航行，P为真实位置，P′为记录位置，△为位移。
由图1（a）可知，如果所测量的船沿方向是一致时，系统性延迟会使全部水深点位移△，进而造成海底地形出现位置差异；图1（b）为测量船以正反方向相互交替测量，这个时候系统性延迟会使正向测量的水深值右移△，反向测深值左移△，这个时候海底地形呈现条带状交叉错位。
位移△的大小与航速成正比，例如：当延迟△t=0.6 s、V=12节时，位移值将达3.7 m。
因此，像一般沿岸及港口等重大工程测量中通常在精度要求上比较严格，考虑到船速比较大的问题，需要事先想到时间的延迟效应。
图1 系统延迟效应对测深产生的影响图2 两条测线的纵向剖面图2.2误差校正（1）同一目标探测法。
在规定的海域选择一处明显标志物，以一固定测线速度一致往返观测两次，获得同一目标的两个偏移位置P′和P″（见图2），可得延迟位移△为：△=P′P″/2测定船速V，得到定位系统的时间延迟为：△t=△/V但此方法的前提是需要规范避免纵倾角误差。
多波束测深系统声速改正技术
作者简介 ： 郑彤 ， ， 女 博士 ， 工程师， 研究方 向： 舰船导航与海洋地球物理 。郭薇 ， 硕士 ， 女， 工程师 ， 研究方 向： 舰船电子武备 系统 和设备 监造 。
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郑
彤等 ： 多波束测深 系统声速改正技术
第 ２５ １ 期
间或 相 位 ， 而 直 接 获 得海 水 声 速 剖 面 ｌ 。 如 前 所 述 ， 波 从 ６ ］ 声
同一 时 间 的不 同地 点 也 不 尽相 同 ｌ ］有 时 这 种 变 化 还 相 ＿ １ ，
当大 ， 尤其在河 Ｉ冲淡水 区域。因此 当进行采 集声速 剖面 Ｌ ｌ
时， 一定 要 根 据 变 化 选 取 声 速 “ 点 ” 节 。
层２ 层 １
鲁
一
对于多波束测深系统 来说 ， 现场 实测的声 速剖面 往往
节、 地理 位 置 和时 间 的变 化 而 变 化 ， 随着 水 团 运 动 和 层 化 的
在海水 中的传 播 速度 主要 与海 水温 度 、 度及压 力 有关 。 盐 在海洋 中的不 同深度 ， 温度 、 压力也随之变化 。多波束测 深 系统依赖海水介质对声速的传播和海底的反射 和散 射。不 同的声速结构具有不 同波束旅 行路径 ， 速结构 的差异 将 声 通过声线弯 曲直接影 响海底探 测精度 ， 致海底 形态 的畸 导 变 。因此海水介质 的声速剖面特征和结构变化对测量及 其
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 节 、 间、 理位 置 、 时 地 水 深、 海流等 的变化 而不 同。海 水声 速的精 确求得 影响水 深 值的精度 。为获得 高精度 的水深 测量 资料 ， 就必 须进行 声
海水声速对多波束测深的影响
第11卷第2期中国水运V ol.11N o.22011年2月Chi na W at er Trans port Februar y 2011收稿日期：作者简介：张清华（），男，湖南邵阳市人，中华人民共和国广东海事局海测大队工程师。
海水声速对多波束测深的影响张清华（广东海事局海测大队，广东广州510320）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，文中列出现有的7种声速经验公式，根据其各自不同的适用范围和特点，得出适合不同水层的最佳声速公式；同时，声速剖面正确与否直接影响测量结果的精度和可靠性。
声速校正为多波束测深系统提供了正确的声速剖面，根据声速剖面垂直向上的变化规律，对原始声速数据进行科学采集，最终取得合理可靠的水深值；并对声速校正进行了探讨。
关键词：声速经验公式；声速剖面；声速变率；声速校正；多波束测深系统中图分类号：P733文献标识码：A文章编号：1006-7973（2011）02-0090-03现代水深测量的手段种类繁多，声纳作为一种经典的测深方法被广泛地应用于单波束、多波束声纳水深测量中。
其深度的估计为：z=c （T 、S 、P ）T P /2（1）z=c （T 、S 、P ）T P cos θ/2（2）式中，c （T 、S 、P ）为声速，Tp 为声波往返传播时间，θ为波束入射角。
式（a ）为单波束深度计算公式，式（b ）为多波束深度估计公式[1]。
多波束测深系统中，声速的确定通常由两种方法来实现。
一种是直接法，另一种为间接法，直接法测定声速比较客观的反映声速在特定水区、不同水层的传播特性。
间接法确定声速在水深测量中有广泛的应用，因此寻求一个适合各种情况、模型简单、计算方便，精度保证的最佳声速公式是十分必要的。
声速本身是一个重要的海水物理参数，它可表示为温度T 、盐度S 和深度D （或压力P ）的函数。
从20世纪50年代起，先后提出了适用不同海况的声速经验公式。
一、D el l G r os so 公式（A 式）Dell G ross o （1952、1973、1974）对间接声速测量给出了较为精确的计算图表和经验公式，也是目前被广泛接受的声速公式，该公式简洁方便。
海测技术▏浅谈声速在多波束水深测量中的影响及对策
海测技术▏浅谈声速在多波束⽔深测量中的影响及对策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。
⽬前在外业测量中，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。
多波束测深系统声速校正
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。
印度洋某测区多波束测量声速改正分析
一、研究背景声速是声波在介质中传播的速度。
它在水下声学领域中，起着至关重要的作用。
声速发生变化会影响声波的传播，导致反射、折射、散射等现象的发生。
因此，声速测量是水下声学研究的核心和重要内容。
多波束测量技术是一种利用多个声源向水下发送声波，通过多个接收器接收反射回来的声波并处理，从而得出水下目标位置、深度和形态等信息的技术。
利用多波束测量声速的优点是可以获得高分辨率和准确性的声速数据，并且可以用于测定三维水下结构。
本文将以印度洋某测区为研究案例，探讨多波束测量声速改正的分析方法。
二、多波束测量声速改正分析方法在多波束测量声速时，由于水下环境复杂多变，声速也会发生变化，因此需要对测量的声速数据进行改正，以减小数据误差和提高准确性。
1. 校正声速数据对于多波束测量声速，首先需要校正声速数据。
一般来说，声速的测量基于声速剖面，即根据声速与深度的关系确定每个深度的声速。
通常使用CTD（Conductivity-Temperature-Depth）探针对水下环境进行观测，获得水温、盐度等参数，进而根据海水特性模型计算出不同深度处的声速。
2. 考虑测量误差除了校正声速数据外，还需要考虑测量误差对声速数据的影响。
多波束测量声速常受到船体造成的运动、声源方向的偏移以及测量系统精度等因素影响。
因此，需要根据具体情况估计误差并进行相应的补偿。
3. 计算声速改正量在对声速数据进行校正和误差补偿之后，即可根据水深和深度平均声速计算声速改正量。
此处所说的声速改正是指将声速值调整为与标准声速值一致的过程。
标准声速值常基于国际标准，如IBM（International Bathymetric Chart of the World）等。
三、应用实例印度洋某测区为一个较为典型的海洋测量场景，存在复杂的海底地形和海洋环境。
针对该测区的多波束测量声速改正，以下是实际操作步骤：1. 根据测区情况，选取合适的CTD 探针进行声速校正。
在海洋环境中，水温、盐度等参数发生变化，因此需要进行实时观测和校准。
海测技术▏多波束测深数据中系统偏差的改正方法
海测技术▏多波束测深数据中系统偏差的改正方法一、引言多波束测深系统是一种由多传感器组成的复杂系统，具有扫幅宽、全覆盖、高效率和高精度的特点，可完成全海洋的高精度海底地形探测任务，在海洋活动中应用非常广泛。
按照国际海道测量组织（IHO）规定的指标，多波束测深系统的测量精度等级分为特等、一等、二等和三等共四个等级，同时在定位精度等方面也有相关对应的要求。
由于系统的复杂性和海上工作环境的动态性，多波束测深过程中存在多种误差源，使得测深数据不可避免地出现多种误差，包括系统内部各种参数设置不合理引起的误差，以及各项外部环境因素造成的误差。
主要包括：⑴由于设备的自身噪声、海洋浮游动物返回的信号、多波束换能器参数设置不合理、定位定姿异常等多种因素，使得原始数据中出现明显异常。
⑵因传感器安装、声速、姿态、吃水、潮位等因素导致的测量误差属于常见典型系统误差，如受外界因素特别是风、浪、流冲击影响，多波束换能器横摇安装偏差并不为一常值，而在测量过程中存在线性变化，因此会导致条带之间产生“V”系统偏差⑶换能器安装不牢固或与测量平台产生共振、姿态传感器与船体之间存在轴向不平行、姿态仪时间延迟不固定等问题均会导致姿态传感器测量值不能补偿换能器实际姿态变化，因此会在条带内产生“褶皱”状和“蝴蝶”状系统偏差。
⑷潮位资料缺失或潮位控制不完备等问题易引起测深数据潮位改正不完善，从而引起条带数据出现拼接断层等系统偏差；表层声速或水体内声速测量不准确则会导致测深数据出现“笑脸”或“哭脸”状折射残差。
⑸多波束发射阵在制造和使用过程中行波管和大功率微波开关的损坏，表层声速仪被海洋生物或淤泥堵住造成的表层声速测量误差。
⑹波束形成过程中出现的故障，比如时间延迟、波束导向、底部检测。
除此之外，设备性能问题以及核心零部件保养不当也是引起测深数据产生较大系统偏差的因素之一。
这些因素造成每ping一些固定序号的波束旅行时或波束发射角存在系统误差，引起这些波束号的测量位置发生系统性偏移，严重影响测深数据的精度以及后续处理工作。
多波束测深边缘波束误差的综合校正(精)
第27卷第4期2005年7月海洋学报ACTAOCEANOLOGICASINICAVol.27,No.4July2005多波束测深边缘波束误差的综合校正吴自银1,2,金翔龙1,2,郑玉龙2,李家彪2,余平3(1.浙江大学地球科学系,浙江杭州310028;2.国家海洋局海底科学重点实验室,浙江杭州310012;3.广州海洋地质调查局,广东广州510760)摘要:边缘波束误差是影响多波束测深数据精度的主要因素,,也是进行相关研究的基础.、,测线方向的条带状假地形或地形位置偏移.过程,,面向对象方法,全面分析造成多波束勘测大,、提高数据精度的综合处理方法,最终.该项研究成果已初步应用于海洋项目总图编绘工作,并取得了预期效果.关键词:多波束;边缘波束处理;噪声编辑;误差校正中图分类号:P283;P209文献标识码:A文章编号:025324193(2005)04200882071引言多波束测深系统是当代海洋基础勘测中的一项高新技术产品.它采取多组阵和广角发射接收,并形成条幅式高密度测深数据,是计算机技术、导航定位技术和数字化传感器技术等多种高新技术的高度集成,是一种全新的高精度全覆盖式测深系统[1～3].从20世纪90年代我国首次引进SeaBeam多波束勘测深水系统在大洋调查和边缘海深水区勘测中起到重要作用,EM950和ElacBottomChart1180/1050中浅水多波束勘测系统被应用于海洋环境调查项目,SeaBat浅水系统在光缆路由调查中起到重要作用.近年来开展了数个基础勘测项目,获取了相关海域的多波束测深资料,但在上述多波束勘测数据的后处理成图过程中也发现了一些问题(见图1).图1a位于陆架浅水区域,从该图看出等深线极不光滑,左部等深线呈南北向抖动,右下部等深线呈西南—北东向抖动,反映了沿航迹方向的假地形.图1b是用在深水区采集的多波束数据绘制的等值线系统以来,多波束勘测系统的引进呈蓬勃增加之势,其中比较典型的多波束测深系统有美国SBI公司的SeaBeam深水多波束测深系统、挪威Simard公司的EM多波束测深系列、德国AlliedSignalELACNautik公司的ElacBottomChart1180/1050多波图,跟踪该图中单一等深线不难发现等深线极不光滑,甚至相邻等深线在局部抖动区呈平行状,在该图的左上部有一假海沟状地形,西南-北东向等深线在该处被截止,通过实测航迹分析,上述地形均为沿束测深系统、STNATLASELEKTRONIK公司的ATLASFansweep多波束测深系统及美国RESON公司的SeaBat多波束测深系统等[2],其中SeaBeam收稿日期:2004201204;修订日期:2004207208.基金项目:大洋技术项目资助(DY105203201207)“;863”青年基金资助项目(2002AA616010);海洋局基金资助项目(2002316).),男,河南省光山县人,副研究员,从事海洋地质及信息技术研究.E2mail:ziyinwu@作者简介:吴自银(1972—4期吴自银等:多波束测深边缘波束误差的综合校正89航迹方向的假地形.图1c位于深海平原区,该图等深线均呈锯齿状,甚至相互平行,实测的航迹为南北向,通过三维图分析,基于该数据反映的海底形态为南北向延伸、相互平行类砂脊状地形,是典型的假地形.图1所显现的精度问题具有一定的代表性,这种精度问题必须得到彻底解决才能制作符合规范要求的海底地形图件.本文研究工作的目的在于对“九五”期间已勘探的相关多波束数据进行全面分析,探寻出现精度问题的原因并提出相应的解决办法,然后用获得的经验和方法再去指导后续的多波束勘测和相关研究工作.211海洋噪声导致的测量误差噪声(即假信号或坏波束)产生的原因是多方面的,对不同测深系统而言,测量噪声产生的原因主要有以下几个方面[2,8]:(1)海况条件不好;(2)人为操作失误或声呐参数设置不合理;(3)仪器、环境等其他原因.对测深资料进行编辑,主要是剔除因海况因素产生的噪声.测深系统对海况的依赖性很大,当海况恶劣到一定程度时采集的资料便包含很大的噪声成分,甚至导致测深系统不能正常工作.操作人员不熟练或声呐参数设置不合理会造成一些人为噪声,有时会导致仪器不能找到海底,使大量有效波束丢失,严重时甚至导致系统瘫痪.除了上述因素会在,,、、鱼群、海底底质和地形对,都会不同程度地产生噪声,从而对测深系统的正常测量工作带来一定的干扰和影响.212声呐参数偏差导致的测量误差探头和运动传感器的安装一般不能达到理想状态,尽管严格按照规范要求进行了横摇(roll)、纵摇(pitch)、电罗经偏差和导航迟延的校正,但如果校正海区与勘测海区水深、声场差异太大,也会出现因声呐参数偏差导致的勘测误差.其次,由于海洋勘测的长期性和特殊性,如果不定期重新校正上述参数,也可能导致测量误差,而这种误差无法通过编辑方法予以剔除(图1c).实际工作表明上述声呐参数中横摇角度偏差对测量精度的影响占主导地位,该误差值的大小直接图1测深误差数据实例2多波束测深误差源分析在多波束系统测量过程中由于仪器自噪声、海况因素、声呐参数设置不合理或者使用了较大误差的声速剖面,致使测量资料不可避免地存在假信号(噪声),造成虚假地形,从而使绘制的海底地形图与真实海底存在差异(图1)[1～3].为了提高海底地形图的精度,必须消除这些假地形信号,为此首先对实时采集的测深资料进行编辑或校正,剔除假信号,恢复、保留真实信息,为后处理成图作好必要的准备.影响勘测的效率和相邻测幅的有效拼接.横摇角度偏差导致系统无法正确归位中央波束,中央波束与垂直方向有一定夹角,中央波束在垂直入射情况下传播距离、走时都最短,倾斜入射必然延长走时,系统在运算时却误认为中央波束是垂直入射的,在计算其他波束时也是按照与中央波束间的夹角关系依次计算走时和传播距离,最终导致勘测的海底面与实际海底面间有一定的夹角.在实际勘测时往往表现为一边波束上翘、另一边波束下凹,与正常地形不同的是这种现象随航向而改变,在平坦海区表现得尤为明显,在后处理成图中往往出现沿航迹方向的条带状假地形.在某深水航次中获取了典型的范例数据(见图1c).针对声呐参数误差后处理主要是校90海洋学报27卷正横摇角度偏差.213误差声速剖面导致的测量误差为了定量讨论误差声速剖面对多波束勘测的影响,我们基于斯涅尔定律编写了相应的声波传播程序,并用该程序对同一地点、不同时间采集的两条声速剖面进行比对试验(图2).980721和980802是在东海某区相近位置用同一CTD声速仪分别于1998年7和8月采集的两条声速剖面,980721声速剖面于70m左右具有明显跃层结构,980802声速剖面呈现负梯度结构.假定海底水深是120m(便于阐述问题),波束间距是2°,最大发射开角是150°,用980721剖面采集的资料,然后用980802剖面改正,会产生严重误差(表1),当波束入射角大于60°时水深误差已大于国际航道组织(IHO,InternationalHydrographicOrganization)[16]的1%精度要求,而当波束入射角等于74°时水深误差已达到4180%,在该情况下由不准确声速剖面带入的误差已远大于其他因素造成的误差,使测量的海底地形发生畸变.影响声速改正的因素主要有三个[2,13～21]:表层表1不准确的声速剖面引起的测量误差)入射角/(°60100115323515203121181901856210011622491721917118161111641001173266112381311813114366100118528418259131171811826810011993061728314117122131701001216332133111211615219472100123636218343191151531747410012593991338216114124180走时/s传播距离/m中心距/m水深/m水深误差(%)声速变化、声速剖面跃层及其深度和换能器垂直升降运动.表层声速的变化是整个声速剖面变化中最活跃的部分.由于受到昼夜温差和季节性变化的影响,表层声速常持续发生变化,一般昼夜变化为1m/s,季节性变化可达19m/s.由于表层声速的变化最早改变波束射线路径,因此表层声速变化对波束测量精度的影响也就最大,尤其边缘波束更是如此.试验表明表层声速减小时将引起勘测海底两头上翘,而表层声速增加时将引起勘测海底两头下凹.表层声速变化越大,引起的海底畸变也越大,并且这种畸变从中央波束到边缘波束呈迅速增加的趋势.根据斯涅尔折射定律,声波在传播过程中遇声速界面(跃层)将发生折射,使各波束声线的传播路径和前进方向发生改变.跃层的强度和深度影响多波束的测量精度,跃层强度越大,声波射线偏转角度越大,则波束测点的空间位置变化越大;跃层越浅,波束偏转越早,如果是递增跃层,边缘波束测点距中央波束测点的距离越远,反之两者距离越近;跃层较深,则跃层对波束偏转影响较小.对于多波束系统而言,如果跃层较浅,换能器正好处于跃层之中,在勘测过程中由于波浪作用导致船体摇晃,换能器探头随船体运动,探头将有可能起伏于跃层之中,探头在跃层上下测量的结果是不同的,在码头或浅水区域勘测,必须考虑这种因素导致的勘测误差.4期吴自银等:多波束测深边缘波束误差的综合校正913综合处理方法及流程海洋噪声、声呐参数偏差和声速剖面误差等因素对多波束勘测数据的影响是一个复杂、综合、叠加作用的过程,因此针对不同的误差源,首先应采取相应的校正措施分别按步骤处理,最终以综合可视化的校正方法提高采集数据的质量.311噪声剔除方法[2,8]夹角(在实测监视屏上常表现为波束脚印[2]连线呈倾斜翘起状态),测量海底与真实海底以中央波束为轴呈斜交状,严重时导致在平坦海区勘测的海底地形出现沿航迹方向的条带状假地形,在进行声速校正或后处理成图前必须校正这种误差.在勘测前严格按照规范进行参数校正,勘测过程中也严格按照要求进行,理论上测量结果应该满足精度要求,但由于多波束勘测的长期性和特殊性,受外界影响甚大,如恶劣海况导致运动传感器不能及时补偿船姿、航次勘测末期船载油水的大量减少导致船姿的改变、在敏感海区勘测不能定期校正声呐参数等,多年的实测工作表明在长期勘测中常有(),而重新测量将投前对横摇偏差角的校正方法一般[2,13～21]:选择平坦海区(水深一般在20～100m)布设三条往返测线(测线长度一般是水深的20倍),勘测船以5kn左右速度全开角发射、往返径直穿过每条测线,然后编辑每条测线并进行潮位、吃水改正,最后以每条往返测线为一组进行数学统计运算,求取左、右舷横摇偏差角度(见图3).其他声呐参数一般选择典型海底目标物(如沉船、管线、锚沟等),布设一条往返测线,根据具体要求设置不同的发射开角和速度穿过目标物,用目标识别、对比方法校正相应的声呐参数,但如果发现勘测后的数据有声呐参数偏差问题,如何在已勘测的数据基础上消除声呐参数造成的误差国内还未见相关研究(国家海洋信息中心文献馆查新结论1)),国外也未见相应的商用软件.我们采取的策略是(见图4):选择一块已勘测的较平坦海区,将波束点(脚印[2])沿航迹方向叠加投影,假定海底是一微倾斜平面,则投影结果必然是以中央波束为中轴的近似正弦波状图形(见图1c),计算出每个扇区与其相邻测线相应扇区中央波测深数据的编辑方法有多种,不同测深系统的编辑方法亦不尽相同,但总的编辑思路是一致的,编辑的对象一般是水深值,有的软件也可以对水深点的坐标进行编辑,用于消除导航定位造成的位置误差.我们在总结使用多套测深系统经验的基础上,将测深数据编辑方法归纳分为两种:计算机自动识别法和人机交互识别编辑法,计算方法分别为曲面拟合法和投影法.(1)曲面拟合法.,.用中央波束点集建立噪声误差模型,用一定的曲面拟合海底面,超出曲面一定范围的数据点称之为跃点,采取人机交互的方式予以剔除.对曲面拟合常用的计算方法有Bezier方法、B样条方法、最小二乘法拟合等.(2)投影法.因为采集的水深数据是三维的,对测线文件进行编辑时首先必须把水深数据投影到三视图平面上,然后才能进行编辑.投影方式主要有以下几种:1)沿测线前进方向投影;2)正交测线方向投影;3)垂直正投影.如果同时对多条测线文件进行编辑,可以采取垂直正投影.为了进一步提高编辑效果,在垂直正投影的基础上还可以用“水深分层法”和“相邻波束及相邻测线对比编辑法”进行编辑.采用上述方法编辑多波束测深数据的过程中,还要自始至终贯穿“参考地形变化趋势编辑”的原则.312声呐参数后处理校正方法束连线与水平线的夹角,然后求出这些夹角的均方根,该值即为试验海区的海底自然坡角近似值.假如试验海底是一微倾斜平面,即使声呐参数存在误差,每个多波束勘测条幅也是与海底面相交的一个倾斜平面,可以求出每条勘测条幅每个扇区[2](fan)的倾斜角度,然后求出每条勘测条幅上所有扇区倾角的均方根,再求出试验区相同航向勘测条幅均方根的非海洋噪声因素导致的测量误差不能通过编辑方法彻底剔除,须分析造成误差的原因,通过相应方法予以校正.声呐参数偏差导致的测量误差往往与海洋噪声导致的误差有明显的不同,其中以横摇角度偏差导致的测量误差最明显.因横摇偏差角的存在导致实测地形沿航迹方向与真实海底存在一定的1)查新报告:多波束边缘波束的可视化综合处理技术研究(NMDIS20022002).92海洋学报27卷平均值,两相向航向均方根的平均值减去先前求取的海底倾斜角度,最后求平均,该平均值理论上就是横摇偏差误差角度.声速剖面造成的测量误差:(1)重新拟合最佳声速剖面;(2)直接校正偏差数据. (1)重新拟合最佳声速剖面.由于测深系统勘测的时效性,一般多波束系统只能用有限个声速点去近似拟合实际声场(如SeaBeam多波束系统在测量时最多可输入30个声速值[10]),因此对声速剖面点的选取非常重要,选择的声速点应该是声速剖面线的拐点和特征点,否则由选取的声速剖面点构成的拟合曲线不能代表实测声速剖面,它必然导致勘测误差,尤其在声场复杂的深水海区,往往用有限个点很难准确拟合实际声速剖面,在长期勘测中如不能定期加测声速剖面,将必然导致测量误差的产生,,.我:,使其达到最佳拟合效果,用新拟,并根据水深剩余值来评估并调整声速剖面.考虑到测量声速剖面的仪器本身也可能有一定的系统误差,需进行一些处理,如滞后订正、盐度和声速计算及噪声平滑等[2].选取合适的声速计算公式也是很重要的因素,公认准确的声速计算公式是Wilson公式,Medwin公式也很常用.相对简单的声速计算公式有Leroy公式及Frye和Pugh给出的公式[13～21].如果用求取的最佳拟合声速剖面重新计算平坦试验区海底地形仍未能得到有效改善,则需应用直接校正方法.(2)直接校正偏差数据.具体步骤是:选择一块已勘测的较平坦海区,将波束点(脚印)沿航迹方向叠加投影,首先求取海底自然倾斜角度.对误差波束的校正可以采取两种方法进行:旋转法和系数法.以中央波束点为格网点建立VIP(veryimportantpoints)点集,用VIP点集建立试验区的数字地面模型[2～9](TIN网或格网),以中央波束为原点建立局部坐标系,以其他波束与中央波束的距离为半径旋转至实际海底面,同时求取旋转后的波束位置及水深值.系数法与旋转法不同在于通过试验区求取每个勘测波束水深与实际海底水深间的误差系数,然后用该系数去校正其他海区.如果勘测结果上翘,将每个波束的传播路线自然延伸至海底面;如果下凹,则缩短波束的传播路线至海底面,本质上是增加或缩短波束的走时,由校正后的走时可以重新计算波束测点位置和水深值.求出每个实测波束走时的校正百分比,然后用该百分比(系数)去校正其他非平图3横摇偏差校正示意图4313声速改正除海洋噪声和声呐参数偏差导致的测量误差外,不准确声速剖面也是导致测量误差的一个重要因素.导致声速剖面误差的原因是多方面的:采集声速剖面的仪器精度不够、在测量时输入的声速剖面点不能很好地拟合实际声场、测区声速测站点太稀、没有及时更新声速剖面、因海况因素导致表层声速剧变、声速跃层变化过快等[1～10].声速对测深误差影响由三部分组成:(1)垂直误差;(2)声线弯曲引起的水深误差;(3)回波位置偏移以及在斜坡区由于位置偏移而引起的水深误差[2～10].可用下述公式定量计算声速造成的测深误差:ΔH=H-θvcosdt=∫ni=1∑(hiθ-tivicosi),式中,H为水深;ΔH为误差值;hi为单层水深;ti为θ声波在单层海水中的走时;vi为测量声速;i为折射角;n为水深分层数.我们不能重新采集准确的声速剖面去替代误差声速剖面,但可采取一些补救措施来校正声速剖面造成的测量误差.与声呐参数偏差导致的测量误差不同在于:用误差声速剖面勘测的平坦海区的海底地形往往表现为边缘波束上翘或下凹[2],自中央至边缘波束逐渐加剧.有两套方案可以改善由不准确4期吴自银等:多波束测深边缘波束误差的综合校正93坦海区.较之于其他方法,采用直接校正法改正多波束测深数据误差在理论上并非最佳选择.314综合校正流程高精度测深系统勘测数据误差是多种因素综合作用、叠加的结果,依靠单一方法很难彻底解决勘测中出现的精度问题,需对勘测数据的误差源进行全面分析,然后综合多种处理方法,并通过人机交互的方式多次反馈处理(图5).首先导入试验区测深数据(有条带状假地形特征),通过拟合法或投影法对测深数据进行初步编辑,剔除由海洋噪声导致的误差波束点,然后分析是否有声呐参数误差,如果有,则用沿航迹投影波束点的方法求取声呐参数偏差,最后用较准确的声呐参数去校正试验数据,并重新精细编辑,剔除被系统误差掩盖的海洋噪声数据.如果没有声呐参数误差,则进一步分析是否有声速剖面误差问题,如果存在,,新编辑.,和声速改正需要根据反馈的校正结果进行多次调整,直至试验区数据能够反映真实海底地形,达到IHO1%的精度要求[16].4应用展望(1)提高海底地形勘测数据的精度.“九五”期间已开展相关海域的多波束调查,测区范围广,水深变化区间大,已经暴露了一些测量数据精度的问题,其中以沿测线方向的条带状假地形最为明显、严重.我们的初步研究成果已为编制海底地形和海底地貌图件工作提供了及时的服务[22].(2)对将开展的后续多波束勘测项目具有指导意义.中发挥作用,对“九五”,.,其应用前景甚至被誉为海底遥感.全覆盖、高精度的多波束勘测数据也可用于微地形、地貌研究,如最近在大陆架调查中又发现了一些小型海底峡谷、陆架区线状砂脊群及冲绳海槽中央洼地中的线性海山等.精细的多波束勘测数据也为构造地貌和古环境演化研究奠定了基础.带误差的多波束勘测数据将给上述研究蒙上假象. (4)促进多波束勘测系统软硬件的国产化进程.目前我国现役的多波束系统基本都是从国外引进的,如何提高国产多波束系统的实用性能,并最终赶超国际先进水平,使我国的海洋测绘工作由对国外的依赖逐渐转为自立,其意义重大.对多波束大误差边缘波束问题的彻底解决将有利于国内的多波束系统软硬件的研制.图5大误差测深数据综合处理流程图参考文献:[1]金翔龙,高金耀.我国多波束数据综合处理成图技术的现状和对策[A].中国地球物理学会年刊[C].武汉:中国地质大学出版社,2000.230.[2]李家彪.多波束勘测原理技术和方法[M].北京:海洋出版社,1999.[3]吴自银,高金耀,方银霞,等.海底地形成图子系统MBMap的设计及特点[J].海洋通报,2002,21(1):69—79.[4]巴兰金,鲍李所夫.大陆架地形测量手段与方法[M].天津:中国人民解放军海军司令部航海保证部,1984.[5]朱维庆,魏建江.多波束测深声呐的随机误差模型[J].海洋技术,1986,2:98—104.[6]陈非凡.多波束条带测深技术的研究[J].海洋技术,1998,17(2):1—5.[7]陈非凡.多波束条带测深仪的动态测量误差评估[J].海洋技术,1999,18(1):42—45.[8]吴自银,李家彪.多波束勘测的数据编辑方法[J].海洋通报,2000,19(3):74—78.[9]朱庆,李德仁.多波束测深数据的误差处理与分析[J].武汉测绘科技大学学报.1998,23(1):1—4.[10]何高文,刘方兰.多波束测深系统声速校正[J].海洋地质与第四纪地质.2000,20(4):109—113.[11]吴自银.海底地形坡度参数分析[A].东太平洋多金属结核矿带海洋地质与矿床特征[M].北京:海洋出版社,1997.94[12]王英,李家彪,韩喜球,等.地形坡度对多金属结核分布的控制作用[J].海洋学报,2001,23(1):60—65.[13]ROBERTJU.PrinciplesofUnderwaterSound[M].3rded.NewYork:McGraw2HillBookCo mpany,1983.[14]SPIESFN.Seafloorresearchandoceantechnology[J].MTSJournal,1987,21(2):5—17.海洋学报27卷[15]TIMO2PEKKAJANTTI.TrialsandexperimentalresultsofECHOSXDmultibeamechosoun der[J].IEEEJournalofOceanicEngineer2ing,1989,14(4):306—313.[16]IHO.IHOstandardsforhydrographicsurveys:No.44.[S].4thed.SpecialPublication,1994.[17]TYCERC.SeaBeamdatacollectionandprocessingdevelopment[J].MTSJournal,1988,21(2 ):80—92.[18]LINGSCHSC,ROBINSONCS.Acousticimageryusingamultibeambathymetricsystem[J]. 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Keywords:multi2beam;errorofmarginalbeams;noisecompilation;errorcorrection。
多波束测深时声波折射对其精度的影响及校正
对于任一波束，在任一水层中，其测深、测距公式为：
H=∫ v(cosθ)dt
（2）
S =∫ v(sin θ)dt
公式 2 中：H 为换能器到采样点的垂直距离，S 为换能 器到采样点的水平距离，v 为不同水层中的声速值， 为折
பைடு நூலகம்
距为 Hm、Sm，我们通过以下推导来比较一下两者误差。
T = H1 V2 × cosθ 2
2）同理，当 Vm>V2 且 0< 2< m<45°时，H1<Hm，当 Vm>V2 且 45° < 2< m<90°时，H1>Hm，即当实际声速小 于调和平均声速时，将会出现两边向上翘，边缘波束变浅，
采样点的水深和侧向距离，所以测得的数据特别是边缘数据 中心波束变深的情况，形如“笑脸”。
会有一定偏差，需要在后处理软件中进行声速改正。
图 1 某地实测的声速剖面
48 航海 NAVIGATION
图 2 声线折射示意图
2 多波束测深原理
多波束测量不同于单波束测量，单波束测深只是发射 一个声波束，测的也只是换能器正下方的水深。而多波束系 统工作时换能器能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声传播区，从而实现对海底的条带 线折射影响，如图 4 所示。
准声速，计算调和平均声速。
３．２ 验 证
为了验证以上结论，笔者用 EXCEL 建立水深模型，经
图 4 声线折射影响示意图
NAVIGATION 航海 49
Marine Technology 航海技术
由实际计算来验证声波折射对水深的影响。
声速剖面的变化趋势。
假设船探头下的表面水层处的表层声速为 1 496 m/s， ３．３ 表层声速对测深影响及分析
多波束参数误差的判断及校正
多波束系统的参数误差判断及校正刘胜旋关永贤（广州海洋地质调查局510760）摘要多波束回声测深系统是当今世界上最先进的测深系统之一，高精度、高效率是其最突出的特点。
系统参数的可靠性直接影响着测量结果的精度。
本文试图对主要的系统参数误差进行分析，判断误差的种类和来源，并提出测定的方法及校正措施。
关键词多波束，纵倾偏角，横摇偏角，时间延迟，航偏角，声速剖面，潮汐改正一引言多波束回声测深系统的出现，为研究海底地形地貌、寻找沉没于水中的飞机船舰、进行水下考古、铺设海底管线、航道岸堤测量、工程疏浚的土方计算等一系列工作提供了可靠的手段。
然而，对于任何一套精密仪器，其参数正确与否，是影响整个系统性能和精度的主要因素。
因此，在正式工作前，都必须正确、严格地测定它们的各项参数。
多波束测深系统也不例外，在每一个航次前，或有关键硬件设备更换时，都应进行系统参数测定。
需要测定的系统参数有：横摇偏角（Roll bias）、纵倾偏角（Pitch bias）、时间延迟（Time Offset）、航偏角（Yaw bias）。
另外，在以上四项参数测定前，还需要作声速剖面（SVP）校正。
结合多年来的多波束工作经验，本文试图系统地介绍各参数误差的现象，判断误差的来源，并提出相应的测定和校正方法。
二声速剖面误差及校正海水是不均匀的介质，声波在海水中传播时，速度受海水温度、压力和盐度等因素影响而发生变化。
声速随着温度、压力、盐度的增大而增大，其中与温度的相关性最大，压力次之，盐度最小。
但在江河入海口、海底淡水泉口等处，由于海水与淡水的混合，盐度变得极为不均匀，声速也随时空而频繁变化。
不同的声速在海水中构成一系列声速层，使得声波传播时遵循Snell定律图1 声波在不同介质中的传播发生声线弯曲（如图1）。
声线弯曲误差对多波束测深的影响主要反映在两个方面：一是对声线传播距离的影响，也就是对覆盖宽度的影响；二是对水深测深值的影响。
图2是典型的声速误差的例子，该图是东亚交汇2号光缆路由调查的一部分，距香港大屿山南部仅25公里。
多波束测深系统水下地形测量声速改正研究
多波束测深系统水下地形测量声速改正研究摘要：在水下地形测量中多波束测深属于常见系统，能够有效增加测量精准度，然而，多波束测深系统在实际应用中存在诸多影响因素，影响较为严重的便是声速，若无法提前针对声速做好改正措施，必然会降低水下地形测量的精准度。
为从根本发挥多波束测深系统的作用价值，本文以该系统的基础原理、组成结构以及未来展望为基础，继而着重剖析水下地形测量中多波束测深系统声速的改正途径，以供参考。
关键词：多波束测深系统；水下地形测量；声速改正引言：声速校正是多波束测深系统中水下地形测量的关键技术之一，它受温度、盐度和水压的影响。
它不会均匀分布，但会随着深度的增加而分层变化。
多波束检测系统以扇形方式发射和接收声波。
中心光束垂直发射和接收声波，边缘光束发散，声波不仅在速度上变化，而且在方向上也变化，为了精确计算回声点的位置和深度，需要沿着声速传播路径对其进行跟踪，并按层计算回声点的深度和位置。
因此，声速剖面测量精度直接影响回波点的计算精度。
一、多波束测深系统的综合概述1.1基础原理多波束测深系统属于新一代声学回声测深仪，它采用一系列新技术来传输和接收波束，探测和处理水下信号，获得一些新的特性。
多波束测深系统同时发射垂直于导航方向的数条或几十条甚至数百条窄波束，形成扇区。
在这个扇区中，只有中间光线沿水面垂直发射，两侧的外部光线与垂直平面打成一定角度[1]。
1.2组成结构多波束测深系统由发射/接收传感器、用于控制和处理信号的电子柜、运动传感器、定位系统、声速剖面、计算机硬件、罗盘、CTD探测器及其指示输出组成。
一般来说，Atlas Fansweep 20多个射线测深系统可分为三个子系统；1）多波束声学子系统；2）光束空间位置传感器子系统；3）数据收集和处理子系统。
1.3未来展望多波束测深系统存在诸多核心指标，在未来发展中应以这些指标为主，及时进行改正与完善。
（1）覆盖宽度指标，传感器扇区打开的角度会影响覆盖的宽度，为增加覆盖宽度，致力于传感器阵列形式研发的国内外科学家和厂家采用U型和V型阵列代替传统轧机阵列，特别是V型阵列，并采用发射体和接收阵列两组独立的阵列形成V型器件，使各光栅水平角合理设置后，发射光束主轴偏离光栅主轴以增加沿边缘光束方向的能量，便于接收来自光束边缘的回波信号。
多波束参数误差的判断及校正
多波束系统的参数误差判断及校正刘胜旋关永贤（广州海洋地质调查局510760）摘要多波束回声测深系统是当今世界上最先进的测深系统之一，高精度、高效率是其最突出的特点。
系统参数的可靠性直接影响着测量结果的精度。
本文试图对主要的系统参数误差进行分析，判断误差的种类和来源，并提出测定的方法及校正措施。
关键词多波束，纵倾偏角，横摇偏角，时间延迟，航偏角，声速剖面，潮汐改正一引言多波束回声测深系统的出现，为研究海底地形地貌、寻找沉没于水中的飞机船舰、进行水下考古、铺设海底管线、航道岸堤测量、工程疏浚的土方计算等一系列工作提供了可靠的手段。
然而，对于任何一套精密仪器，其参数正确与否，是影响整个系统性能和精度的主要因素。
因此，在正式工作前，都必须正确、严格地测定它们的各项参数。
多波束测深系统也不例外，在每一个航次前，或有关键硬件设备更换时，都应进行系统参数测定。
需要测定的系统参数有：横摇偏角（Roll bias）、纵倾偏角（Pitch bias）、时间延迟（Time Offset）、航偏角（Yaw bias）。
另外，在以上四项参数测定前，还需要作声速剖面（SVP）校正。
结合多年来的多波束工作经验，本文试图系统地介绍各参数误差的现象，判断误差的来源，并提出相应的测定和校正方法。
二声速剖面误差及校正海水是不均匀的介质，声波在海水中传播时，速度受海水温度、压力和盐度等因素影响而发生变化。
声速随着温度、压力、盐度的增大而增大，其中与温度的相关性最大，压力次之，盐度最小。
但在江河入海口、海底淡水泉口等处，由于海水与淡水的混合，盐度变得极为不均匀，声速也随时空而频繁变化。
不同的声速在海水中构成一系列声速层，使得声波传播时遵循Snell定律图1 声波在不同介质中的传播发生声线弯曲（如图1）。
声线弯曲误差对多波束测深的影响主要反映在两个方面：一是对声线传播距离的影响，也就是对覆盖宽度的影响；二是对水深测深值的影响。
图2是典型的声速误差的例子，该图是东亚交汇2号光缆路由调查的一部分，距香港大屿山南部仅25公里。
多波束测深声纳的后处理流程
多波束测深声纳的后处理流程下载温馨提示:该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。
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Sonic多波束校正要求
Sonic多波束校正要求4.1换能器安装偏差标定测量为了精确地测量海底（深度），多波束系统换能器安装偏差值必须精确地确定，以便采集软件进⾏必要的补偿。
标定⼯作分数据采集和数据处理两部分。
在做标定的⽔域应采集声速剖⾯数据。
4.1.1 横摇误差数据采集对于多波束系统来说，横摇误差将带来⽔深测量值误差，它将随着离开中央波束的夹⾓的增⼤和⽔深的增⼤⽽增⼤。
为了确定横摇误差，在约10~80⽶深的平坦⽔域，布置长约200⽶长的⼀条测线。
如上图所⽰⽅向，船以5～7节速度沿测线反向各航⾏⼀次。
记录数据，两次测量航⾏速度相同，但⽅向相反。
4.1.2纵摇误差数据采集纵摇偏移量也会导致定位误差，这种误差是纵摇偏移量和⽔深的函数。
为了确定延时误差，在约10~80⽶深的⽔域，寻找⼀个礁⽯或陡坎地型。
在礁⽯上⽅布置长约200⽶长的⼀条测线。
船以5~7节同样速度在测线上反向各测量⼀次，两次测量航⾏速度相同，但⽅向相反。
4.1.3艏摇补偿艏摇偏移量来⾃⽔平⾯上的⾓度误差，即船的罗经轴线和换能器阵的Z轴之间的夹⾓。
艏摇偏移量不会对中央波束带来影响，但对边沿波束的定位会带来误差，定位误差的⼤⼩随着深度的增⼤⽽增⼤。
为了确定艏摇误差，利⽤纵摇校正时的相同测区。
在礁⽯⼆侧布置长约200⽶长的⼆条平⾏测线。
测线间距为约三倍⽔深。
如上图所⽰⽅向，船以5～7节速度在每条测线上各采集两次数据，两次测量以相同的速度航⾏，⽅向任意。
Sonic 2024 系统设备安装位置表表 3船名:⽇期:测量者:船的参考点描述:测量值（单位m） X Y Z VRP 坐标位置2024换能器相对于VRP参考点的位置OCTANS 相对于VRP参考点的位置GPS 天线相对于VRP参考点的位置注：1. 坐标轴定义：Y 轴向船头为正；X轴向船左舷为正；Z轴向上为正。
2．VRP为船只的中⼼（或稳⼼）位置。
3．OCTANS测量点位置见下图（单位mm）：4．2022换能器头测量点位置见下图：2024 系统标定结果表表 4GPS延时横摇纵摇艏摇2024 系统 0计算⼈员：⽇期：。
多波束测深系统声速校正
多波束测深系统声速校正
何高文
【期刊名称】《海洋技术》
【年(卷),期】2000(019)004
【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SA12试验区采集的声速资料的分析,以SeaBeam2100多波束测深系统为例,对声速校正的技术方法进行了探讨.
【总页数】8页(P14-21)
【作者】何高文
【作者单位】广州海洋地质调查局二海,510760
【正文语种】中文
【中图分类】P733.2
【相关文献】
1.多波束测深系统校正技术在水深地形测量中的应用 [J], 淳明浩;刘振纹;毛天宇;杨肖迪;罗小桥;张宁馨
2.多波束测深系统声速改正技术 [J], 郑彤;郭薇
3.基于等效声速剖面法的多波束测深系统声线折射改正技术 [J], 丁继胜;周兴华;唐秋华;刘忠臣;陈义兰
4.多波束测深系统最优声速公式的确定 [J], 周丰年;赵建虎;周才扬
5.多波束测深系统水下地形测量声速改正研究 [J], 袁建飞
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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。