浅谈单波束水深测量中对声速的精度控制

浅谈单波束水深测量中对声速的精度控制
发表时间：2018-06-04T15:51:56.730Z 来源：《基层建设》2018年第9期作者：朱秀永
[导读] 摘要：单波束水深测量过程中，声速是影响测量结果的关键因素之一，而对于沿海施工区，由于潮流较大，水深较深，且受涌浪影响检查板在水下随潮流摆动，所以利用检查板对整米的方法进行声速改正已很难实现，而HY1200型声速剖面仪可以方便快捷的获取水下声速，进而对单波束测深数据进行声速改正，从而获得更高精度的水深数据。

中交天津港航勘察设计研究院有限公司 300450
摘要：单波束水深测量过程中，声速是影响测量结果的关键因素之一，而对于沿海施工区，由于潮流较大，水深较深，且受涌浪影响检查板在水下随潮流摆动，所以利用检查板对整米的方法进行声速改正已很难实现，而HY1200型声速剖面仪可以方便快捷的获取水下声速，进而对单波束测深数据进行声速改正，从而获得更高精度的水深数据。

关键词：单波束水深测量、检查板、声速改正、声速剖面仪
1、前言
随着我国经济的不断发展，港口建设的规模不断扩大，港池航道持续延伸、深度不断增加。

故施工区即水深测量区域距离码头及岸边较远，其水深测量区域受风浪、潮流影响较大，传统的检查板因受潮流影响，在水下随潮流摆动，测深仪几乎不能获得的对整米的数据或者获得的对整米的数据是不准确的，利用检查板对整米来改正声速的方法已不可行，如何克服此因素，确保水深测量的声速精度呢，随着科技的进步，声速剖面仪的出现，这个问题就迎刃而解了。

本文就天津临港工业区项目使用声速剖面仪配合单波束测深仪测深为例，根据实际测量数据验证了该方法的可靠性和实用性。

2、声速改正的方法
2、1 传统的声速改正方法
单波束测深仪的主要原理是测深仪发射声波，同时接收从海底传回的反射信号，如果已知声音在水中的传播速度C，从信号发射到接收所用的时间为T，可求得声音在水中的传播距离，既水深值H：
H=（1）
因此，准确求得海水中的声速是解决问题的关键，海水中的声速受海水温度、密度和深度等因素的影响，实际声速与标定声速C’有差别，从而产生深度误差△H’，检查板对整米的校对法是单波束水深测量中比较常见的一种校正测深误差的方法，使用该方法可以获取适合测区深度的声速值。

连接好测深设备后，根据测区水深和换能器，将检查板放置到换能器下一定深度（对整米），调整声速值，使测深仪实测水深值与检查板下放深度值一致，此时可获取适合该深度值的声速值，选取该声速值进行试验，将检查板逐次按整米下放，最终可得出一组依据此声速值测量时各整米的测深仪改正数△H”，此改正数为测深仪综合改正数，此数值主要由声速及仪器自身的误差构成。

既：△H"=△H+△H1 （2）
其中，△H为声速误差，△H1为仪器自身误差。

对于△H1仪器自身的误差，可以结合声速剖面仪在工程开工前求取，在以后的测量中使用。

对于外海测区，风浪潮流较大，施工区深度较深，不易使用检查板校准声速的条件下，使用声速剖面仪可方便求取声速值，进而进行声速改正，再进行测深仪指标差修正后即可获取高精度的测深数据，进而可提供高精度的测量数据。

2、2 利用声速剖面仪进行声速改正
本项目使用的声速剖面仪是海鹰公司生产的HY1200系列声速剖面仪，该系列声速剖面仪采用环鸣法测量声速原理，发射的声波信号被固定已知距离内的反射板反射，接收机收到反射信号后，触发下一次的发射，这样周而复始，测量发射的重复周期或频率就可以计算出声速。

HY1200系列声速剖面仪的主要技术指标如下：
HY1200系列声速剖面仪使用简单、方便快捷。

具体使用方法为：用绳索系好声速剖面仪，先放入水中静止片刻，待仪器适应水温后慢速下放声速剖面仪，到最大深度后，将声速剖面仪从水中提出，在下放声速剖面仪的过程中，要保证下放声速剖面仪的速度小于
0.5m/s。

完成声速剖面仪声速取值后即可将声速剖面仪用数据线接入电脑，使用VelPro软件读取声速剖面仪内的数据资料，该软件有四个工具栏选项，分别用来传输数据、读取数据、绘制声速曲线和导出我们所要用到的*VEL格式的声速文件，供Hypack软件直接使用。

3、仪器指标差及其他误差的求取
由公式（2）可知，如果要直接使用声速剖面仪测得的声速值，则只能获得由声速变化引起的测深误差改正数，而仪器自身的指标差需另行求取，另外，由于受风浪、潮流等外界情况影响也会产生一些其他误差，因此，我们必须找到一个受风浪影响小的码头或者泊位，使用检查板对整米的方法，配合声速剖面仪，求出仪器指标差，以方便我们以后对声速剖面仪测得的数据直接应用，提高测量效率。

在求取仪器指标差之前，需引入两个公式，这两个公式分别用于计算分层平均声速和声速改正数：
水面至水下某一深度Hi的平均声速Ci可按公式三计算，其中i=（1~n），Hi=i，
Ci=（3）
深度改正数可依据公式（4）计算，其中C0为水中标准声速（1500m/s），H为水深读数，HC为声速改正值：
HC=（-1）H （4）
天津临港工业区通用码头施工区域处于外海，受风浪和潮流影响较大，我们选取距离施工区相对较近的二号码头测量仪器指标差，采用检查板对整米法和声速剖面仪求改正数分别求得一组测深改正数，两组改正数相减最终求得仪器指标差数据如表一所示：由表一可得，仪器指标差取平均值0.04m，此值在一段时间内可以直接使用，在下一阶段的测量工作中，我们根据声速剖面仪测得的声速数据可以直接改正，也就解决了我们在外海施工时由于风浪、潮流和测区深度过深等因素引起的无法准确的求取声速改正数的问题。

4、两种方法测深结果比对
为检验声速剖面仪声速改正的测深改正效果，我们在天津临港工业区施工区附件选取了四处原始泥面区域分别进行两种方法进行水深测量，各区域最终平均水深如表二所示：
从表中可以看出，两种方法测得的水深差别不大，其误差都在现行的<<水运工程测量规范>>误差允许范围内，满足精度要求，所以，使用声速剖面仪改正声速是可行的，在施工条件恶劣，风浪、潮流影响较大的情况下，该方法能够更快速准确的获取更精确的测量数据。

5、结束语
使用声速剖面仪进行声速改正能够条件恶劣的外海测区克服检查板对整米法不能解决的困难，在水深测量过程中起着极其重要的作用，但是在利用这些先进仪器设备的同时，一定要注重与传统检查板对整米法的配合，定期进行校核对比，以保证测量数据的准确无误。

参考文献：
[1]赵建虎，现代海洋测绘，武汉大学出版社，2008年1月。

[2]水运工程测量规范JTS 131-2012中华人民共和国交通运输部。

[3]HY1200声速剖面仪使用说明，海鹰企业集团有限责任公司。