淺海測量中聲速對多波束測深系統的影響原理淺析

蔡長魁

摘要：本文簡單介紹了海水介質中聲波傳播的特點和多波束測深系統的工作原理，以此為基礎淺析了淺海測量中聲速誤差對多波束測深系統測量結果產生影響的原理。

關鍵詞：多波束測深系統;聲速

1 引言

多波束測深系統改變了傳統測深方法，在波束形成理論、勘測技術、校正與處理方法上形成了自身復雜的特點。多波束測深系統在測量過程中受儀器自噪聲、海況因素、聲吶參數設置不合理或者使用了較大誤差的聲速剖面等因素影響，致使測量資料不可避免地存在假信號，造成虛假地形，從而使繪制的海底地形圖與真實海底存在差異。在多波束測深系統的使用過程中，聲速對測量精度（特別是邊緣波束）影響較大，本文主要簡單分析聲速對多波束測深系統在淺海中使用產生的影響和原理。

2 淺海聲速結構

海水介質是一種流動的介質，其溫度、鹽度特征不僅受到徑流淡水和洋流高鹽水入侵的影響，而且還受到氣溫、季節、流場等因素的作用。海水介質顯著變化的溫、鹽特征必然導致聲速結構的時空變化，從而對多波束海底測量產生重大影響。在沿岸淺海及大陸架上，聲速剖面受較多的因素影響，有較強的地區變異性和短時間不穩定性。很多外部動力機制影響著聲速結構，圖1介紹了關于影響海岸聲速結構的解釋。

海水中的聲速不是一個固定不變的量，是取決于海水介質中許多特性的一個變量。它隨著溫度、季節、地理位置及時間而變化。實際測量表明，聲速是溫度、鹽度和壓力（深度）的函數，隨溫度、鹽度和深度的增加而增大。但平均而言，在沿岸淺海及大陸架上聲速有比較明顯的季節特征。在冬季的典型聲速剖面是等溫層，在夏季往往是負躍層或負梯度。由聲波的傳播特性可知，聲波穿過不同的聲速介質時，其傳播路徑要發生改變，由高速介質向低速介質傳播時，向法線方向折射。這樣，當聲波非垂直入射海水時，由于穿過一系列不同的聲速層，其傳播軌跡實際上是一條由很多折線構成的曲線，這就是聲線折射現象。

3 聲速對多波束測深系統影響

多波束系統工作時換能器同時發射多個聲波束，在垂直于航向方向上形成一個發射波束扇形聲傳播區，從而實現對海底的條帶式側量。多波束系統采用“廣角度發射，邊緣波束處在傾斜收發狀態，斜入射的聲波在不均勻的介質中會產生折射現象。聲波對折射現象是非常敏感的。折射現象隨著入射角的加大而加劇，繼而對測量精度產生較大的影響。表現為對傳播距離的影響和對波束指向角的影響，對波束測點的最終位置的歸算帶來較大的誤差。

在一個簡單的模型中，海洋可以看成是分層介質。這就是說垂直的波束是與這些分層是正交的。其它的波束都是傾斜入射到這些層面上的。從圖2可以看出折射在兩個地方影響了深度的測量，一個在波束形成和波束定向時換能器表面處，還有聲波在海水中播過程中。

聲納發射聲波產生聲線由于不同深度聲速的變化，時刻地改變著方向。換能器表面的聲線圖應是直的，如果表面聲速錯誤，聲線會發生彎曲。由于不同深度聲速的變化，使得聲線偏離了本來的方向。如圖3所示，當聲速剖面改正值小于實際的值時，將會出現兩邊向上翹的凹形地形，其中心部分的水深也相應變淺，當聲速剖面改正值大實際的值時，將會出現兩邊向下塌的凸形地形，其中心部分的水深也相應變深。

聲波在傳播過程中發生折射，使各波束的傳播方向發生改變，對測量點的深度和側向中心距具有重大影響。在碼頭或淺水區域勘測，必須考慮聲速不準確導致的勘測誤差。尤其在淺海海洋聲速變化比較大的區域進行多波束測量時，必須十分精確地測定聲速剖面，否則線處理過程中會明顯看到我們常說的哭臉或者笑臉現象，給測量結果帶來較大的誤差。

4 結語

本文綜合海水介質中聲波傳播的規律和多波束測深系統的原理簡單分析了聲波折射對多波束測量結果的重大影響，想要完全消除這些影響是不可能的，在實際作業中，我們可以通過加密聲速剖面采集、合理布設聲速剖面、使用穩定性較好的測量船舶、及時進行聲速儀檢查比對盡量消除其對測量結果的影響。

參考文獻：

[1] 張寶華，趙梅.海水聲速測量方法及應用 [J].聲學技術，2013，32（01）：24-28.

[2] 李家彪，等.多波束勘測原理技術與方法 [M].北京：海洋出版社，1999

[3] 董慶亮，韓紅旗，方兆寶等聲速剖面改正對多波束測深的影響 海洋測繪.2007（2）：56-58

（作者單位：東海航海保障中心上海海事測繪中心）