聲速對河口區(qū)域回波測深的精度影響研究

陸 偉

（1.交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津300456；2.天津水運工程勘察設計院天津市水運工程測繪技術重點實驗室，天津300456）

聲速對河口區(qū)域回波測深的精度影響研究

陸 偉1，2

（1.交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津300456；2.天津水運工程勘察設計院天津市水運工程測繪技術重點實驗室，天津300456）

回波測深是目前水深測量采用的主要原理，聲速是回波測深精度的重要影響因素之一。文章分析了聲速影響水深測量精度的基本理論，包括聲速誤差引起的垂直差、聲線彎曲引起的測深差、回波位置偏移以及聲速時空變化引起的測深差；同時以甌江口水深測量項目為例進行了詳細量化計算，歸納總結了河口區(qū)域水深測量期間聲速對測深精度的影響，并就減少相應誤差給出了參考建議。

水深測量；聲速；測深精度；甌江口

回波測深是目前水深測量采用的主要原理，典型作業(yè)方式有單波束測深、多波束掃測等。回波測深的基礎理論是通過換能器向下發(fā)射聲波，再經換能器接收回波，根據(jù)聲速及往返的時間計算水深［1-2］。

運用該理論要實現(xiàn)精確測深的前提是假定聲音在水中沿直線傳播，即在水中不發(fā)生折射。甌江口等河口水域因受溫度、鹽度與水深變化的影響，剖面各層聲速并非完全相同，因聲波折射的產生，聲線將發(fā)生彎曲。另一方面，且受潮汐及江海換流影響，聲速時空變化特征比較明顯，具有類似潮周期現(xiàn)象，同一位置日變化量及不同位置聲速差異均體現(xiàn)明顯。聲速誤差對于甌江口水深測量的精度影響不容忽視，具體體現(xiàn)在聲速誤差引起的測深差、聲線彎曲引起的測深差、回波位置偏移以及聲速時空變化引起的測深差四部分。

1 平均剖面聲速引起的測深差

水體剖面聲速變化是連續(xù)的，按照水體的微量分層逐漸變化。假定聲波在水中沿直線傳播且方向垂直向下，對剖面聲速進行離散處理，計算水深值如下（不考慮換能器吃水）

式中：vi、ti分別表示第i個分層中的聲速值及對應單程傳播時間。

式（1）表明，聲波在水中沿直線傳播且方向垂直向下時，測量水深與聲速呈嚴格線性比例關系。在實際工作時往往采用平均剖面聲速代表整個剖面聲速［3-4］，水深測量差值ΔHv與平均剖面聲速差值Δvˉ也呈線性比例關系

該關系相對簡單，通過精確測量聲速與合理計算平均值，同時采用綜合檢校板在不同水深時進行實際比對檢測即可有效減少或消除由此引發(fā)的水深差值［5］。

2 聲線彎曲引起的測深差

聲波在不同聲學性質介面將發(fā)生折射現(xiàn)象，導致聲線彎曲，而不是像均勻介質聲波傳播一樣呈直線形式。在實際海水中，水體剖面各層的聲學性質不可能是均勻的，因此，不同的聲速在海水中構成一系列聲速層［6］。在水深測量時，換能器發(fā)身聲波信號在向下傳播時，必然發(fā)生折射，造成聲線彎曲，以至于測量水深值為彎曲聲線長度，而非垂直深度，彎曲聲線長度與垂直深度之差即為引起的水深差ΔHb。如圖1所示，α1為換能器聲波初始入射角，αi為各分層入射角。

圖1 水中聲線彎曲Fig.1 Sound ray bending under water

對水體剖面進行離散分層后，各層水深差值及總測深差值計算如下

研究表明，聲波在水中的傳播同樣符合Snell折射定律［6］，即

上述公式表明，對于某一位置處水深測量而言，聲線彎曲引起的水深差值大小主要由聲速剖面變化、聲波入射角決定。

2013年11～12月甌江口水深測量項目中，按0.5 m固定厚度分層進行了聲速剖面測量。圖2是某時刻甌江口實際聲速剖面曲線。

圖2 甌江口某時刻聲速剖面Fig.2 Sound velocity profile of Oujiang Estuary in a moment

在此情況下，當已知初始入射角α1時，根據(jù)式（5）可推算各層入射角，既而通過式（3）、式（4）可計算各分層水深誤差及整體差值ΔHbi、ΔHb。

對α1依次取值0°～20°時，計算整體水深誤差ΔHb與α1的關系曲線如圖3。結果表明，在甌江口水深近20 m、剖面聲速變化累積達30 m/s時，ΔHb隨著α1在0°～20°內取值的增大而不斷增加，且呈指數(shù)增長。實際測量時，為有效減少誤差累積，應盡量將初始入射角在6°以內，即使考慮換能器的波束開角以及最淺水深原則，也應盡量將初始入射角控制在10°以內（單波束測深儀波束開角通常在3°～10°［7］）。

圖3 水深誤差與入射角關系Fig.3 Relationship between sounding error and incident angle

另外，分別對α1取值5°、15°并計算各分層水深誤差ΔHbi的變化情況，如圖4所示，對比圖2不難發(fā)現(xiàn)，ΔHbi隨深度的變化剖面聲速變化具有極強的相關性，如圖4所示。

3 回波位置偏移引起的測深差

水深測量時，需要保持定位中心與測深點的平面位置一致性，實際操作過程中要求將GNSS定位中心安置在測深換能器正上方或通過相對距離關系進行歸算，以確保其一致性［8］。然而因聲波折射聲線彎曲的原因，海底聲波反射點并非為換能器正下方點位，如圖1中P1為海底聲波反射點，是實際測深位置，而測量記錄的定位測深點為P，由此引起的P-P1的距離稱為回波位置偏移。

回波位置偏移不僅造成測深點的平面定位誤差，同時也可能引起測深誤差。根據(jù)圖1所示幾何關系，平面定位誤差ΔS可由式（6）計算。

同樣以上述甌江口聲速剖面為例，當α1依次取值0°～20°時，計算位置誤差ΔS隨α1變化曲線如圖5。通過線性擬合，計算斜率k=0.34，擬合相關系數(shù)R=0.999 8，擬合標準差σ=0.037 m。計算結果說明回波位置引起的平面定位誤差基本與聲速剖面變化無關，僅與聲波初始入射角有關，且呈近似線性關系。測量過程中，應根據(jù)測圖比例尺所容許的平面定位限差合理控制換能器入射姿態(tài)。

回波位置偏移引起的測深誤差大小主要取決于海底微地形平坦程度。當海底平坦，測深誤差ΔHh可近似按式（7）進行計算與工前評估，以制訂相應技術方案減少或避免測深誤差的產生。當海底微地形變化較大，尤其是陡峭山崖附近或礁石區(qū)域時也應盡可能控制好換能器的入射姿態(tài)。

式中：ΔS為平面定位誤差，i為海底坡比。

4 聲速時空變化引起的測深差

聲速的時空變化是指在一定范圍內或一定時間段內，同一位置不同時刻或是同一時刻不同位置聲速的差異，聲速時空變化在河口區(qū)域體現(xiàn)的尤為明顯。甌江口既具有典型海洋潮汐特征，且流速急潮差大，同時受上游淡水徑流影響嚴重。隨著漲潮時大量海水的涌入以及落潮時上游徑流淡水的補充，在狹長的河口區(qū)域時空變化極為典型。

2013年11～12月甌江口水深測量實測資料表明，在空間分布上，同一時刻東西方向（上下游方向）平均剖面聲速每公里變化差值2～3 m/s，南北方向基本無差異；在時間分布上，每天的漲潮時段聲速較大，最大約1 480 m/s，落潮時段聲速較小，最小約1 450 m/s，一個潮周期變化量近30 m/s。在漲潮、落潮階段，其剖面聲速也差異較大，換水期間，底層水體先行更換，聲速也先行變化，表層后行更換，聲速也后行變化，表底層剖面聲速最大差異也近30 m/s。

同一時刻，南北方向基本無測深誤差，東西方向每差1 Km，估算最大深測差值Δhmax為

同一位置，一個潮周期內漲潮、落潮期間估算最大深測誤差Δhmax為

根據(jù)上述分析及估算，甌江口內水深測量的聲速空間變化引起的測深差值相對較小，而時間變化引起的測深差值較大。而相關規(guī)范在聲速測量時給出的參考是聲速剖面距離間隔不宜大于6 Km、時間間隔應小于6 h［8］，在忽略甌江口聲速時空變化特征情況下，直接采用此參考值將極易引起測深誤差超限。要充分保證測深精度，必須大大縮小聲速測量的時間與空間間隔。

圖4 入射角為5°或15°時分層水深誤差Fig.4 Sounding error of depth layers while incidentangle equals 5 or 15 deg.

圖5 平面定位誤差與入射角關系Fig.5 Relationship between horizontal positioning error and incident angle

5 結論與建議

甌江口由于海水與淡水交替換流，導致聲速復雜多變，聲速剖面具有分布不均勻、時空變化大等特點，由此產生的聲速誤差對測深影響主要體現(xiàn)在本文分析的四個方面，對于其它類似河口區(qū)域，該分析與結論同樣適用。

根據(jù)分析理論與實際經驗，對河口區(qū)域水深測量給出相關建議如下：

（1）聲速剖面不均勻將引起水深計算產生差值，水深計算處理時，應避免采用單一聲速值改正，盡量采用剖面聲速改正，或準確計算平均剖面聲速，同時運用綜合檢校板對測深比例誤差進行檢查。

（2）聲線彎曲對測深影響極大，具體數(shù)值主要取決于剖面聲速變化與聲波初始入射角。測深誤差與入射角呈指數(shù)增長，在甌江口區(qū)域極易達到數(shù)十厘米誤差。剖面聲速變化為水域固有環(huán)境特征不能改變，作業(yè)時應盡可能縮小聲波初始入射角，以不超過10°為宜，減少測深差的不斷累積。

（3）回波位置偏移引起的平面定位誤差基本與聲速剖面變化無關，與聲波初始入射角呈線性關系，作業(yè)時根據(jù)應測圖比例尺容許定位限差進行綜合判斷，減少聲波入射角以避免平面定位誤差的超限。

（4）在平坦區(qū)域回波位置偏移引起的測深差值較小，在岸波、礁石、島嶼附近等海底微地貌變化較大區(qū)域，回波位置偏移引起的測深差值也不忽視，測量時盡量選擇合適海況條件、有效控制測深姿態(tài)。

（5）河口區(qū)域聲速時空變化較大，應加密聲速剖面數(shù)據(jù)采集點，同時縮小采集時間間隔［9］，確保測量所采用聲速剖面合理有效，防止因聲速時空變化引起測深誤差超限。

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Study on sounding accuracy impacted by sound velocity in the estuary

LU Wei1,2
（1.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Tianjin 300456,China;2.Tianjin Key Laboratory of Surveying and Mapping for Waterway Transport Engineering,Tianjin Survey and Design Institute for Water Transport Engineering,Tianjin 300456,China）

Echo sounding is the main principle of the current sounding，and sound velocity is one of the impor?tant factors impacting the accuracy of echo sounding.In this paper,the basic theory of sounding accuracy impacted by sound velocity was analyzed,which including the vertical error,errors caused by the bending of the sound,the er?ror caused by echo location deviation and the error caused by the temporal and spatial variation of sound velocity. The detailed computation based on the Oujiang Estuary sounding project was also carried out in this paper,and some suggestions were given to reduce the sounding error in the estuary projects.

sounding;sound velocity;sounding accuracy;Oujiang Estuary

P 715

A

1005-8443（2016）03-0316-04

2015-10-10；

2015-12-30

陸偉（1985-），男，湖南省衡陽市人，工程師，主要從事海洋測繪及地理信息工程相關研究工作。

Biography：LU Wei（1985-），male，engineer.