基于QINSy軟件的聲速剖面改正模型研究

肇 斌，敖莊哲

（中交天津港航勘察設計研究院有限公司，天津300450）

基于QINSy軟件的聲速剖面改正模型研究

肇 斌，敖莊哲

（中交天津港航勘察設計研究院有限公司，天津300450）

由聲速誤差所引起的測深誤差是多波束測深誤差的主要因素之一，聲速剖面的不穩定會引起多波束測深條帶發生畸變的現象，導致多波束測深數據精度差甚至無法使用。通過對QINSy軟件中聲速剖面改正模型的研究，提出了一種多波束測量聲速幾何修正模型和方法，從幾何意義上著手，分析了表層聲速及聲速剖面誤差對測深條帶的影響，總結了多波束測深條帶隨著聲速剖面變化而發生對稱彎曲的情況。通過模型建立，給出了表層聲速及分層聲速誤差對波束測深值影響的量化值，從而在多波束數據后處理過程中可更好的進行定量分析。

多波束；聲速剖面；SVP；表層聲速；測深殘余值

目前，多波束測深系統已經廣泛應用于海底地形的精細探測，它具有全覆蓋、高精度、高效率等特點。影響多波束測深精度的因素很多，其中聲速誤差影響是多波束測深誤差的主要因素之一。在我國各大港口航道建設中，多波束的應用日漸增多，在野外作業時，大家都十分關注多波束條帶的彎曲情況，并以此判斷聲速剖面（SVP）的可靠性；同時在對多波束數據進行后處理時，經常發現海底地形發生畸變的現象，測線與測線之間呈現明顯的山脊或溝壑狀（或稱“笑臉”、“哭臉”狀），經研究發現這種現象多是由SVP誤差所引起，尤其是表層聲速發生錯誤，直接影響多波束測深精度［1-2］。

在我們使用QINSy軟件采集處理多波束數據時，同樣遇到類似測深條帶畸變的問題，為了獲取高精度的測深數據，需對QINSy軟件中聲速改正計算方法進行研究，以便在后處理中進行數據修正等。

1 海水聲速結構

海水中的聲速與海水溫度、鹽度、壓力等因素關系最大，它不是一個固定不變的量，隨著溫度、季節、地理位置及時間變化而變化。一般海水介質聲速結構可以分為四層［3-4］，即表面層、季度躍變層、主躍變層和等溫層（又稱均勻層）。表面層一般水體厚度不大，由于風吹過海面時產生的混合作用，該層通常表現為等溫的混合層，聲速基本保持不變，該層對聲波具有通道作用。季度躍變層又稱為溫躍層，該層厚度較表面層加大，海水溫度隨深度急劇變化，通常表現為負的溫度梯度和聲速梯度，此梯度隨季節而異。主躍變層又稱為漸變層，該層厚度進一步加大，聲速梯度仍為負值，但變化較小，受季節變化的影響較小。等溫層又稱為均勻層，該層延伸至海底，聲速梯度變為正值，溫度幾乎不變，聲速主要受壓力影響，隨深度增加，聲速也逐漸增大。

2 聲線折射分析

聲波在不均勻的介質中傳播也是不均勻的，當聲波入射角不為0時，其傳播路線并非直線，而是以曲線或者折線的形式在不均勻介質中傳播。由于海水介質不均勻，不同水深層具有不同的聲速值，所以當多波束聲波穿過不同聲速值的水深層時，會發生折射現象，其在海水中的傳播路徑也是一條不規則的曲線［4-8］。

聲波在海水中折射遵循斯涅爾（Snell）定律（公式1），折射示意圖見圖1。

我們假設聲速剖面是一系列分層，則以上公式可寫成

假設在一平坦海域（可忽略波束腳印橫向位移引起的水深變化），換能器下的表層聲速為1 496 m/s，表層厚度為0m，以后每隔10m為一分層，聲速遞增2m/s，既換能器下真實水深為40m，每層真實水深為10m。則聲線影響深度模型如表1所示。

3 模型研究

（1）表層聲速。表層聲速變化對各波束測深值的影響最大，對上述模型中的表層聲速加減10m/s（表2，表3），其他參數不變，來驗證表層聲速變化對于各波束測深殘余值的影響（測深殘余值=歸算后水深-40 m）。

結果可得如下結論：

①表層聲速變化對中央波束影響很小，對邊緣波束影響較大；

②表層聲速變大會導致邊緣波束測深值變大，測深條帶成“眉毛狀”或稱為“哭臉狀”，邊緣向下彎曲；

③表層聲速減小會導致邊緣波束測深值變小，測深條帶成“笑臉狀”，邊緣波束向上彎曲；

④當波束入射角超過60°時，造成的測深殘余值急劇增加。

（2）分層聲速。除表層聲速外其他層聲速變化對測深值同樣有影響，分別對各層聲速加減10 m/s，其最后測深殘余值變化如表4所示。

結果可得如下結論：

①除表層外其他任一層聲速增大時，中央波束變深、邊緣波束變淺，對45°入射角波束測深值影響最小，測深條帶呈現“笑臉狀”現象；

②除表層外其他任一層聲速減小時，中央波束變淺、邊緣波束變深，對45°入射角波束測深值影響最小，測深條帶呈現“眉毛狀”或稱為“哭臉狀”現象；

殘余值趨勢圖如圖3。

③當分層厚度相同時，各分層聲速誤差引起的測深殘余值基本相同；

④各層聲速變化對測深殘余值影響遵循疊加規律。

4 實際驗證

為了驗證上述模型的正確性及研究在淺海測量時SVP誤差對多波束測深值的影響，取天津港航道30+ 000處某日測量的多波束數據及其SVP進行研究，分別應用上述模型及QINSy軟件后處理功能對本次多波束數據進行處理結果如下。

（1）表層聲速。對模型表層聲速逐漸增減，其結果如表5所示。殘余值趨勢圖如圖2。

（2）分層聲速。對模型任意一層聲速逐漸增減，其結果如表6所示。殘余值趨勢圖如圖3。

經比較可得所建立的模型與QINSy軟件的聲速剖面改正模塊的計算結果一致。

（3）模型與QINSy軟件后處理比較。應用QINSy軟件的后處理功能分別對SVP進行修改，得出水深殘余值與通過模型獲取的結果比較如表7。

5 結束語

在多波束淺海測量過程中，SVP誤差可引起測深條帶向上或向下對稱彎曲現象，尤其表層聲速誤差對測深值影響較大，因此在多波束測量時要獲取準確的SVP，并建議配備且正確安裝表面聲速儀，以獲取高精度的多波束水深數據。

總結全文得出如下結論：

（1）SVP變化對中央波束影響很小，對邊緣波束影響較大。

（2）表層聲速變大會導致邊緣波束測深值變大，測深條帶成“眉毛狀”或稱為“哭臉狀”，邊緣向下彎曲；表層聲速減小會導致邊緣波束測深值變小，測深條帶成“笑臉狀”，邊緣波束向上彎曲。

（3）除表層外其他任意一層聲速增大時，中央波束變深、邊緣波束變淺，測深條帶呈現“笑臉狀”現象；除表層外其他任一層聲速減小時，中央波束變淺、邊緣波束變深，測深條帶呈現“眉毛狀”或稱為“哭臉狀”現象；45°入射角波束受其影響最小。

（4）各層聲速變化對測深殘余值的影響遵循疊加規律。

注：文中提到的量化值隨SVP的不同及分層厚度（聲速節點選取）不同有所變化，但是結論一致。

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Research of sound velocity profile correction model based on QINSy

ZHAO Bin,AO Zhuang-zhe
(CCCC Tianjin Port&Waterway Prospection&Design Research Institute Co.Ltd.,Tianjin 300450,China)

The error of sound velocity is amain factor which causes the multi-beam sounding error.With the instability of sound velocity profile(SVP),the distortion in the multi-beam band leads to the low precision on elevation data which is even useless.Through the analysis of SVP correction model in the QINSy software,a new method of geometric velocity correction model was presented,and the effect of surface velocity and SVP error on the multi-beam data was analyzed.The cases of symmetrical bend on the multi-beam band with the SVP variation were summarized.According to the model,the quantized value of the effect about the surface velocity and layering velocity on multi-beam data was proposed.

multi-beam;velocity profile;SVP;surface sound velocity;residual value of depth sounding

P 229

A

1005-8443（2013）05-0441-07

44億元整治荊江航道

2013-01-07；

2013-03-22

肇斌（1983-），男，遼寧省法庫縣人，工程師，主要從事海洋測繪及工程測量的研究工作。

Biography：ZHAO Bin（1983-），male，engineer.

2013年9月14 日，總投資44億元的長江中游荊江航道整治工程開工，國家將用3年多時間對荊江航道進行系統整治。整治工程范圍起于宜昌昌門溪，止于岳陽熊家洲，全長280.5 km，工程總投資約43.3億元，建設標準為內河一級航道，通航保證率為98%。工程將重點對枝江至江口河段、太平口水道、斗湖堤水道、周天河段、藕池口水道等9個灘段的13處淺灘或不穩定航槽實施整治。通過護灘、加固護岸、護底、填槽等工程措施，守護有利的洲灘形態，遏制河道的不利變化，使航道全面達到水深3.5 m、航寬150m的航道尺度。（殷缶，梅深）