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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)研究院有限公司，天津300450）

由聲速誤差所引起的測(cè)深誤差是多波束測(cè)深誤差的主要因素之一，聲速剖面的不穩(wěn)定會(huì)引起多波束測(cè)深條帶發(fā)生畸變的現(xiàn)象，導(dǎo)致多波束測(cè)深數(shù)據(jù)精度差甚至無(wú)法使用。通過(guò)對(duì)QINSy軟件中聲速剖面改正模型的研究，提出了一種多波束測(cè)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(duì)測(cè)深條帶的影響，總結(jié)了多波束測(cè)深條帶隨著聲速剖面變化而發(fā)生對(duì)稱(chēng)彎曲的情況。通過(guò)模型建立，給出了表層聲速及分層聲速誤差對(duì)波束測(cè)深值影響的量化值，從而在多波束數(shù)據(jù)后處理過(guò)程中可更好的進(jìn)行定量分析。

多波束；聲速剖面；SVP；表層聲速；測(cè)深殘余值

目前，多波束測(cè)深系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于海底地形的精細(xì)探測(cè)，它具有全覆蓋、高精度、高效率等特點(diǎn)。影響多波束測(cè)深精度的因素很多，其中聲速誤差影響是多波束測(cè)深誤差的主要因素之一。在我國(guó)各大港口航道建設(shè)中，多波束的應(yīng)用日漸增多，在野外作業(yè)時(shí)，大家都十分關(guān)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(shí)在對(duì)多波束數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理時(shí)，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)海底地形發(fā)生畸變的現(xiàn)象，測(cè)線(xiàn)與測(cè)線(xiàn)之間呈現(xiàn)明顯的山脊或溝壑狀（或稱(chēng)“笑臉”、“哭臉”狀），經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象多是由SVP誤差所引起，尤其是表層聲速發(fā)生錯(cuò)誤，直接影響多波束測(cè)深精度［1-2］。

在我們使用QINSy軟件采集處理多波束數(shù)據(jù)時(shí)，同樣遇到類(lèi)似測(cè)深條帶畸變的問(wèn)題，為了獲取高精度的測(cè)深數(shù)據(jù)，需對(duì)QINSy軟件中聲速改正計(jì)算方法進(jìn)行研究，以便在后處理中進(jìn)行數(shù)據(jù)修正等。

1 海水聲速結(jié)構(gòu)

海水中的聲速與海水溫度、鹽度、壓力等因素關(guān)系最大，它不是一個(gè)固定不變的量，隨著溫度、季節(jié)、地理位置及時(shí)間變化而變化。一般海水介質(zhì)聲速結(jié)構(gòu)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(chēng)均勻?qū)樱?。表面層一般水體厚度不大，由于風(fēng)吹過(guò)海面時(shí)產(chǎn)生的混合作用，該層通常表現(xiàn)為等溫的混合層，聲速基本保持不變，該層對(duì)聲波具有通道作用。季度躍變層又稱(chēng)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(xiàn)為負(fù)的溫度梯度和聲速梯度，此梯度隨季節(jié)而異。主躍變層又稱(chēng)為漸變層，該層厚度進(jìn)一步加大，聲速梯度仍為負(fù)值，但變化較小，受季節(jié)變化的影響較小。等溫層又稱(chēng)為均勻?qū)?，該層延伸至海底，聲速梯度變?yōu)檎?，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(xiàn)折射分析

聲波在不均勻的介質(zhì)中傳播也是不均勻的，當(dāng)聲波入射角不為0時(shí)，其傳播路線(xiàn)并非直線(xiàn)，而是以曲線(xiàn)或者折線(xiàn)的形式在不均勻介質(zhì)中傳播。由于海水介質(zhì)不均勻，不同水深層具有不同的聲速值，所以當(dāng)多波束聲波穿過(guò)不同聲速值的水深層時(shí)，會(huì)發(fā)生折射現(xiàn)象，其在海水中的傳播路徑也是一條不規(guī)則的曲線(xiàn)［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(jiàn)圖1。

我們假設(shè)聲速剖面是一系列分層，則以上公式可寫(xiě)成

假設(shè)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(shí)水深為40m，每層真實(shí)水深為10m。則聲線(xiàn)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(duì)各波束測(cè)深值的影響最大，對(duì)上述模型中的表層聲速加減10m/s（表2，表3），其他參數(shù)不變，來(lái)驗(yàn)證表層聲速變化對(duì)于各波束測(cè)深殘余值的影響（測(cè)深殘余值=歸算后水深-40 m）。

結(jié)果可得如下結(jié)論：

①表層聲速變化對(duì)中央波束影響很小，對(duì)邊緣波束影響較大；

②表層聲速變大會(huì)導(dǎo)致邊緣波束測(cè)深值變大，測(cè)深條帶成“眉毛狀”或稱(chēng)為“哭臉狀”，邊緣向下彎曲；

③表層聲速減小會(huì)導(dǎo)致邊緣波束測(cè)深值變小，測(cè)深條帶成“笑臉狀”，邊緣波束向上彎曲；

④當(dāng)波束入射角超過(guò)60°時(shí)，造成的測(cè)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(duì)測(cè)深值同樣有影響，分別對(duì)各層聲速加減10 m/s，其最后測(cè)深殘余值變化如表4所示。

結(jié)果可得如下結(jié)論：

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

②除表層外其他任一層聲速減小時(shí)，中央波束變淺、邊緣波束變深，對(duì)45°入射角波束測(cè)深值影響最小，測(cè)深條帶呈現(xiàn)“眉毛狀”或稱(chēng)為“哭臉狀”現(xiàn)象；

殘余值趨勢(shì)圖如圖3。

③當(dāng)分層厚度相同時(shí)，各分層聲速誤差引起的測(cè)深殘余值基本相同；

④各層聲速變化對(duì)測(cè)深殘余值影響遵循疊加規(guī)律。

4 實(shí)際驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述模型的正確性及研究在淺海測(cè)量時(shí)SVP誤差對(duì)多波束測(cè)深值的影響，取天津港航道30+ 000處某日測(cè)量的多波束數(shù)據(jù)及其SVP進(jìn)行研究，分別應(yīng)用上述模型及QINSy軟件后處理功能對(duì)本次多波束數(shù)據(jù)進(jìn)行處理結(jié)果如下。

（1）表層聲速。對(duì)模型表層聲速逐漸增減，其結(jié)果如表5所示。殘余值趨勢(shì)圖如圖2。

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

經(jīng)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(jì)算結(jié)果一致。

（3）模型與QINSy軟件后處理比較。應(yīng)用QINSy軟件的后處理功能分別對(duì)SVP進(jìn)行修改，得出水深殘余值與通過(guò)模型獲取的結(jié)果比較如表7。

5 結(jié)束語(yǔ)

在多波束淺海測(cè)量過(guò)程中，SVP誤差可引起測(cè)深條帶向上或向下對(duì)稱(chēng)彎曲現(xiàn)象，尤其表層聲速誤差對(duì)測(cè)深值影響較大，因此在多波束測(cè)量時(shí)要獲取準(zhǔn)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(shù)據(jù)。

總結(jié)全文得出如下結(jié)論：

（1）SVP變化對(duì)中央波束影響很小，對(duì)邊緣波束影響較大。

（2）表層聲速變大會(huì)導(dǎo)致邊緣波束測(cè)深值變大，測(cè)深條帶成“眉毛狀”或稱(chēng)為“哭臉狀”，邊緣向下彎曲；表層聲速減小會(huì)導(dǎo)致邊緣波束測(cè)深值變小，測(cè)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(shí)，中央波束變深、邊緣波束變淺，測(cè)深條帶呈現(xiàn)“笑臉狀”現(xiàn)象；除表層外其他任一層聲速減小時(shí)，中央波束變淺、邊緣波束變深，測(cè)深條帶呈現(xiàn)“眉毛狀”或稱(chēng)為“哭臉狀”現(xiàn)象；45°入射角波束受其影響最小。

（4）各層聲速變化對(duì)測(cè)深殘余值的影響遵循疊加規(guī)律。

注：文中提到的量化值隨SVP的不同及分層厚度（聲速節(jié)點(diǎn)選?。┎煌兴兓墙Y(jié)論一致。

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［6］胡佳，孫強(qiáng)，李明叁.基于多波束數(shù)據(jù)的聲速誤差自動(dòng)改正方法［J］.海洋技術(shù)，2010，29（4）：66-70. HU J，SUN Q，LI M S.The Automatic Correction for Sound Speed Error Based on Multibeam Sounding Data［J］.Ocean Technology，2010，29（4）：66-70.

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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(kù)縣人，工程師，主要從事海洋測(cè)繪及工程測(cè)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(zhǎng)江中游荊江航道整治工程開(kāi)工，國(guó)家將用3年多時(shí)間對(duì)荊江航道進(jìn)行系統(tǒng)整治。整治工程范圍起于宜昌昌門(mén)溪，止于岳陽(yáng)熊家洲，全長(zhǎng)280.5 km，工程總投資約43.3億元，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)為內(nèi)河一級(jí)航道，通航保證率為98%。工程將重點(diǎn)對(duì)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(gè)灘段的13處淺灘或不穩(wěn)定航槽實(shí)施整治。通過(guò)護(hù)灘、加固護(hù)岸、護(hù)底、填槽等工程措施，守護(hù)有利的洲灘形態(tài)，遏制河道的不利變化，使航道全面達(dá)到水深3.5 m、航寬150m的航道尺度。（殷缶，梅深）