淺析航道勘測(cè)聲速測(cè)量

【摘要】聲速是水文參數(shù)重點(diǎn)之一，精確測(cè)量聲速是聲納準(zhǔn)確測(cè)距的基礎(chǔ)。本文著重介紹了HY1200型聲速剖面儀的工作原理、軟件基本應(yīng)用、平均聲速計(jì)算方法；通過實(shí)際測(cè)量應(yīng)用，對(duì)比探討了聲速儀測(cè)量的優(yōu)越性。

【關(guān)鍵詞】測(cè)試板法；聲速剖面儀；HY1200；平均聲速

1、概述

聲速是水文參數(shù)重點(diǎn)之一，精確測(cè)量聲速是聲納準(zhǔn)確測(cè)距的基礎(chǔ)。單波束測(cè)深儀的深度改正、多波束測(cè)深儀波束角改正及聲線彎曲改正都離不開聲速剖面的測(cè)量。在航道管理、航道整治測(cè)量工作中，水下測(cè)量是主要的工作項(xiàng)目，水下測(cè)量通常采用回聲測(cè)深系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)深，配備GPS進(jìn)行平面位置精確定位。回聲測(cè)深系統(tǒng)的原理主要是用聲速和聲速往返時(shí)間來計(jì)算水深，即：H=V×T/2其中：V為聲速、T為聲速往返時(shí)間。

這里，聲速往返時(shí)間是由系統(tǒng)感知計(jì)算得到的，聲速則由測(cè)量人員測(cè)定，所以為了得到相對(duì)精確的測(cè)量結(jié)果，聲速的測(cè)定就成為水深測(cè)量過程中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，其精準(zhǔn)性是影響測(cè)深精度的主要因素。聲速的測(cè)定一般采用測(cè)試板法和HY1200系列聲速剖面儀法。

2、測(cè)試板法測(cè)量聲速

測(cè)試板法使用的工具是測(cè)試板，測(cè)試板是用一定尺寸的帶有圓孔的鋼板（55CM×55CM）和中間與之相連的帶有刻度標(biāo)志的抗拉繩索組成的。

基本測(cè)量過程如下：將測(cè)深系統(tǒng)連接調(diào)試之后，根據(jù)測(cè)量的最大水深以及測(cè)量船的吃水估計(jì)一個(gè)聲速測(cè)定深度范圍，再將測(cè)試板從測(cè)深換能器處垂直放入水下以水面為標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)整刻度的深度，然后調(diào)整測(cè)深儀的聲速值，直到儀器顯示的水深和測(cè)試板放入的深度相同。這時(shí)記錄一組深度值和設(shè)定的聲速。再將測(cè)試板每一個(gè)整刻度（比如2米）下放，重復(fù)上述操作。直到接近最大深度的整刻度值，再將測(cè)試板拉起，從下到上在依次校定測(cè)量的聲速。這樣得到了測(cè)區(qū)一組不同水深的聲速值范圍，根據(jù)這些聲速值在測(cè)深儀里設(shè)定一個(gè)初始平均聲速，連接各測(cè)量定位設(shè)備和測(cè)深系統(tǒng)，開始航道水下測(cè)量。該方法只能在風(fēng)浪、流速、深度特定的環(huán)境下測(cè)量聲速。

3、HY1200聲速剖面儀測(cè)量聲速

3.1聲速剖面儀簡(jiǎn)介

HY1200型聲速儀采用的是環(huán)鳴法測(cè)量聲速的原理，在靠近聲速儀探頭頂端裝有高頻“環(huán)鳴”傳感器和相關(guān)的反射器。這一對(duì)精確安置的配件依照它們已知的間距，發(fā)射和接收信號(hào)，從而量測(cè)水中的聲速。自第一次信號(hào)傳輸之后，收到的回波會(huì)被傳入振蕩器的反饋電路中去，振蕩獎(jiǎng)結(jié)又再引發(fā)發(fā)射器、開始再次循環(huán)。發(fā)射的聲信號(hào)被固定已知距離內(nèi)的反射板反射，接收機(jī)接收到反射信號(hào)后，觸發(fā)下一次的發(fā)射，這樣周而復(fù)始，測(cè)量發(fā)射的重復(fù)周期或頻率就可以精確計(jì)算出聲速了。

HY1200型聲速儀需要一臺(tái)個(gè)人計(jì)算機(jī)工作，聲速儀經(jīng)電池盒連接在計(jì)算機(jī)上的串行口（COM1/COM8），計(jì)算機(jī)上運(yùn)行聲速測(cè)量與處理（VelPro）軟件。聲速儀應(yīng)用先在測(cè)量電腦上安裝VelPro軟件，雙擊光盤VelPro目錄下的SETUP.EXE文件，按照安裝提示一步一步進(jìn)行。VelPro聲速測(cè)量軟件主要有自容方式、工作參數(shù)、數(shù)據(jù)表格、聲速曲線四個(gè)界面。測(cè)量前先對(duì)聲速測(cè)量的工作參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，包括文件存儲(chǔ)、測(cè)點(diǎn)描述、介質(zhì)密度、端口以及工作模式的設(shè)置。

數(shù)據(jù)表格界面以表格方式顯示測(cè)量結(jié)果，需要時(shí)即進(jìn)行打印和導(dǎo)出。軟件里按照深度層的大小可以進(jìn)行聲速值過濾。

聲速曲線界面里非常直觀的看到聲速和溫度的剖面曲線，現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)測(cè)量需要進(jìn)行平均聲速計(jì)算、保存和打印曲線圖的操作。

目前大多數(shù)測(cè)量單位都采用單波速測(cè)深系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)深，為了單波束測(cè)深儀聲速改正的方便，我們正常是計(jì)算聲波從換能器表面?zhèn)鞑サ綔y(cè)區(qū)深度的平均聲速。計(jì)算平均聲速引用的是當(dāng)前顯示的聲速剖面曲線，可以采用經(jīng)平滑的也可以是未經(jīng)平滑的，但對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響比較小。點(diǎn)擊下拉菜單的“平均”選項(xiàng)，程序?qū)⑻崾据斎霌Q能器的吃水參數(shù)，一般1米左右。計(jì)算結(jié)束后，將顯示最大深度和相對(duì)應(yīng)的平均聲速。保存平均聲速可以通過點(diǎn)擊“保存→保存平均聲速”菜單選項(xiàng)完成，此時(shí)“數(shù)據(jù)表格”頁(yè)面顯示的是剛剛保存的文件內(nèi)容，同時(shí)進(jìn)行過濾、導(dǎo)出、打印等操作。此時(shí)平均聲速就可以提供給單波速測(cè)深儀進(jìn)行水深測(cè)量。進(jìn)而達(dá)到理想的高精度的測(cè)深效果。

3.2聲速儀在測(cè)量中的應(yīng)用

2014年11月17日，在福建湄洲灣航道炸礁清楚工程水深測(cè)量中，進(jìn)行了聲速儀測(cè)量應(yīng)用。測(cè)量船外舷安裝HY1601單波速測(cè)深儀換能器，吃水1米。配備南方RTKGPS進(jìn)行平面定位。首先連接聲速測(cè)量?jī)x器各設(shè)備，接通聲速儀電源后，調(diào)試（聲速儀-電腦）數(shù)據(jù)通訊端口，輸入保存測(cè)量文件名、測(cè)點(diǎn)描述、海水密度、固定定深等各項(xiàng)工作參數(shù)。然后測(cè)量人員穿好救生衣在船舷外將聲速儀緩慢垂直放入水中，待電腦測(cè)量軟件顯示的聲速數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定后，單擊“開始記錄”按鈕。慢速下放聲速儀，到達(dá)最大深度后，緩慢提升至聲速儀出水。然后單擊“停！”按鈕，此次聲速測(cè)量結(jié)束。電腦上切換到“數(shù)據(jù)表格界面”進(jìn)行測(cè)量分析、平均聲速計(jì)算等處理。本次聲速測(cè)量期間附近沒有船舶通過，海面平靜，接近高平潮，水深29.5米。電腦軟件界面顯示不同水深測(cè)得記錄的聲速范圍（1497—1503）米/秒。計(jì)算平均聲速1500米/秒應(yīng)用單波束測(cè)深系統(tǒng)后，其測(cè)量產(chǎn)品經(jīng)具有甲級(jí)測(cè)繪資質(zhì)的海測(cè)大隊(duì)多波束測(cè)深系統(tǒng)測(cè)量比對(duì)完全符合，產(chǎn)品質(zhì)量?jī)?yōu)良。

4、HY1200聲速儀優(yōu)于測(cè)試板法測(cè)量聲速

使用測(cè)試板對(duì)聲速進(jìn)行測(cè)量其測(cè)量誤差受到很多因素的影響，主要是刻度標(biāo)定的誤差、鋼絲繩的彈性誤差，還有受水流影響以及測(cè)試在水下會(huì)形成一定角度誤差等等。尤其在水流急、深度較深時(shí)誤差更明顯，用測(cè)試板測(cè)定聲速只能在平潮時(shí)進(jìn)行。測(cè)試板測(cè)得的聲速為等效聲速，并不是某個(gè)深度層的真實(shí)聲速，而且忽略了存在介質(zhì)越層的可能，所以測(cè)量聲速不能完全得到保證。而聲速剖面儀是在一個(gè)很小的距離上來測(cè)量聲速，并且采樣頻率很高，可以正確的表達(dá)這個(gè)水層的聲速。

HY1200系列聲速剖面儀，它的換能器到反射面的距離為7CM，采樣頻率為5HZ即進(jìn)行一次采樣只要0.2秒，使得它的測(cè)量精度可以達(dá)到0.4米。由于采用壓力傳感器對(duì)深度進(jìn)行標(biāo)定，所以刻度標(biāo)定的誤差、拉繩的彈性誤差和垂直角度誤差的影響就避免了，并且因?yàn)檩^高的采樣頻率，聲速剖面儀可以提供較豐富的測(cè)量數(shù)據(jù)。如以0.5M/S下放和提升HY1200系列聲速剖面儀，測(cè)量深度為20米，理論上可以得到400個(gè)采樣數(shù)據(jù)，這樣可以比較準(zhǔn)確的得到適當(dāng)水層的平均聲速，進(jìn)而應(yīng)用軟件對(duì)聲速進(jìn)行改正數(shù)計(jì)算和單波束測(cè)深系統(tǒng)調(diào)用。

5、結(jié)論

聲速是航道勘測(cè)確保成果精度的重要因素，聲速的測(cè)量應(yīng)用是水下測(cè)量的重要工序，是測(cè)深系統(tǒng)過程中不可缺少的主要步驟。無論是單波速還是多波速測(cè)深系統(tǒng)都離不開聲速的測(cè)量。由上分析實(shí)踐可知，聲速儀測(cè)量精度是可以保證的，聲速儀完全可以滿足高精度水深測(cè)量的要求，在實(shí)時(shí)或后處理軟件上均可實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)水深值進(jìn)行準(zhǔn)確的水深改正。聲速儀的應(yīng)用體現(xiàn)了測(cè)繪自動(dòng)化的發(fā)展方向，是回聲測(cè)深技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。避免了人力和時(shí)間上的浪費(fèi)，提高了各領(lǐng)域測(cè)量精度和工作效率。

參考文獻(xiàn)

[1]HY1200系列聲速剖面儀操作指南，海鷹企業(yè)集團(tuán)有限公司.