多波束测深系统声速校正

多波束测深系统声速校正

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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 14

D 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 ≤1000m

2　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

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1　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 ∃C

C0

[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