基于QINSy软件的声速剖面改正模型研究

肇 斌，敖庄哲

（中交天津港航勘察设计研究院有限公司，天津300450）

基于QINSy软件的声速剖面改正模型研究

肇 斌，敖庄哲

（中交天津港航勘察设计研究院有限公司，天津300450）

由声速误差所引起的测深误差是多波束测深误差的主要因素之一，声速剖面的不稳定会引起多波束测深条带发生畸变的现象，导致多波束测深数据精度差甚至无法使用。通过对QINSy软件中声速剖面改正模型的研究，提出了一种多波束测量声速几何修正模型和方法，从几何意义上着手，分析了表层声速及声速剖面误差对测深条带的影响，总结了多波束测深条带随着声速剖面变化而发生对称弯曲的情况。通过模型建立，给出了表层声速及分层声速误差对波束测深值影响的量化值，从而在多波束数据后处理过程中可更好的进行定量分析。

多波束；声速剖面；SVP；表层声速；测深残余值

目前，多波束测深系统已经广泛应用于海底地形的精细探测，它具有全覆盖、高精度、高效率等特点。影响多波束测深精度的因素很多，其中声速误差影响是多波束测深误差的主要因素之一。在我国各大港口航道建设中，多波束的应用日渐增多，在野外作业时，大家都十分关注多波束条带的弯曲情况，并以此判断声速剖面（SVP）的可靠性；同时在对多波束数据进行后处理时，经常发现海底地形发生畸变的现象，测线与测线之间呈现明显的山脊或沟壑状（或称“笑脸”、“哭脸”状），经研究发现这种现象多是由SVP误差所引起，尤其是表层声速发生错误，直接影响多波束测深精度［1-2］。

在我们使用QINSy软件采集处理多波束数据时，同样遇到类似测深条带畸变的问题，为了获取高精度的测深数据，需对QINSy软件中声速改正计算方法进行研究，以便在后处理中进行数据修正等。

1 海水声速结构

海水中的声速与海水温度、盐度、压力等因素关系最大，它不是一个固定不变的量，随着温度、季节、地理位置及时间变化而变化。一般海水介质声速结构可以分为四层［3-4］，即表面层、季度跃变层、主跃变层和等温层（又称均匀层）。表面层一般水体厚度不大，由于风吹过海面时产生的混合作用，该层通常表现为等温的混合层，声速基本保持不变，该层对声波具有通道作用。季度跃变层又称为温跃层，该层厚度较表面层加大，海水温度随深度急剧变化，通常表现为负的温度梯度和声速梯度，此梯度随季节而异。主跃变层又称为渐变层，该层厚度进一步加大，声速梯度仍为负值，但变化较小，受季节变化的影响较小。等温层又称为均匀层，该层延伸至海底，声速梯度变为正值，温度几乎不变，声速主要受压力影响，随深度增加，声速也逐渐增大。

2 声线折射分析

声波在不均匀的介质中传播也是不均匀的，当声波入射角不为0时，其传播路线并非直线，而是以曲线或者折线的形式在不均匀介质中传播。由于海水介质不均匀，不同水深层具有不同的声速值，所以当多波束声波穿过不同声速值的水深层时，会发生折射现象，其在海水中的传播路径也是一条不规则的曲线［4-8］。

声波在海水中折射遵循斯涅尔（Snell）定律（公式1），折射示意图见图1。

我们假设声速剖面是一系列分层，则以上公式可写成

假设在一平坦海域（可忽略波束脚印横向位移引起的水深变化），换能器下的表层声速为1 496 m/s，表层厚度为0m，以后每隔10m为一分层，声速递增2m/s，既换能器下真实水深为40m，每层真实水深为10m。则声线影响深度模型如表1所示。

3 模型研究

（1）表层声速。表层声速变化对各波束测深值的影响最大，对上述模型中的表层声速加减10m/s（表2，表3），其他参数不变，来验证表层声速变化对于各波束测深残余值的影响（测深残余值=归算后水深-40 m）。

结果可得如下结论：

①表层声速变化对中央波束影响很小，对边缘波束影响较大；

②表层声速变大会导致边缘波束测深值变大，测深条带成“眉毛状”或称为“哭脸状”，边缘向下弯曲；

③表层声速减小会导致边缘波束测深值变小，测深条带成“笑脸状”，边缘波束向上弯曲；

④当波束入射角超过60°时，造成的测深残余值急剧增加。

（2）分层声速。除表层声速外其他层声速变化对测深值同样有影响，分别对各层声速加减10 m/s，其最后测深残余值变化如表4所示。

结果可得如下结论：

①除表层外其他任一层声速增大时，中央波束变深、边缘波束变浅，对45°入射角波束测深值影响最小，测深条带呈现“笑脸状”现象；

②除表层外其他任一层声速减小时，中央波束变浅、边缘波束变深，对45°入射角波束测深值影响最小，测深条带呈现“眉毛状”或称为“哭脸状”现象；

残余值趋势图如图3。

③当分层厚度相同时，各分层声速误差引起的测深残余值基本相同；

④各层声速变化对测深残余值影响遵循叠加规律。

4 实际验证

为了验证上述模型的正确性及研究在浅海测量时SVP误差对多波束测深值的影响，取天津港航道30+ 000处某日测量的多波束数据及其SVP进行研究，分别应用上述模型及QINSy软件后处理功能对本次多波束数据进行处理结果如下。

（1）表层声速。对模型表层声速逐渐增减，其结果如表5所示。残余值趋势图如图2。

（2）分层声速。对模型任意一层声速逐渐增减，其结果如表6所示。残余值趋势图如图3。

经比较可得所建立的模型与QINSy软件的声速剖面改正模块的计算结果一致。

（3）模型与QINSy软件后处理比较。应用QINSy软件的后处理功能分别对SVP进行修改，得出水深残余值与通过模型获取的结果比较如表7。

5 结束语

在多波束浅海测量过程中，SVP误差可引起测深条带向上或向下对称弯曲现象，尤其表层声速误差对测深值影响较大，因此在多波束测量时要获取准确的SVP，并建议配备且正确安装表面声速仪，以获取高精度的多波束水深数据。

总结全文得出如下结论：

（1）SVP变化对中央波束影响很小，对边缘波束影响较大。

（2）表层声速变大会导致边缘波束测深值变大，测深条带成“眉毛状”或称为“哭脸状”，边缘向下弯曲；表层声速减小会导致边缘波束测深值变小，测深条带成“笑脸状”，边缘波束向上弯曲。

（3）除表层外其他任意一层声速增大时，中央波束变深、边缘波束变浅，测深条带呈现“笑脸状”现象；除表层外其他任一层声速减小时，中央波束变浅、边缘波束变深，测深条带呈现“眉毛状”或称为“哭脸状”现象；45°入射角波束受其影响最小。

（4）各层声速变化对测深残余值的影响遵循叠加规律。

注：文中提到的量化值随SVP的不同及分层厚度（声速节点选取）不同有所变化，但是结论一致。

［1］刘胜旋，屈小娟，高佩兰.声速剖面对多波束测深影响的新认识［J］.海洋测绘，2008，28（3）：31-34. LIU SX，QU X J，GAO PL.New Idea for the Accuracy of Multibeam Affected by SVP［J］.Hydrographic Surveying and Charting，2008，28（3）：31-34.

［2］朱小辰，肖付民，刘雁春，等.表层声速对多波束测深影响的研究［J］.海洋测绘，2007，27（2）：23-25.ZHU X C，XIAO FM，LIU Y C，et al.The Precision Analysis and Application of GPS Velocity Determination［J］.Hydrographic Surveying and Charting，2007，27（2）：23-25.

［3］阳凡林，刘经南，赵建虎.多波束测深数据的异常检测和滤波［J］.武汉大学学报，2009，29（1）：80-83. YANG F L，LIU J N，ZHAO J H.Detecting Outliers and Filtering Noises in Multi-Beam Data［J］.Geomatics and Information Science of Wuhan University，2009，29（1）：80-83.

［4］何高文，刘方兰，余平，等.多波束测深系统声速校正［J］.海洋地质与第四纪地质，2000，20（4）：111-113. HE G W，LIU F L，YU P，et al.Acoustic Velocity correction for Multibeam Echo sounding system［J］.Marine Geology& Quaternary Geology，2000，20（4）：111-113.

［5］张彦昌，隋海琛，韩德忠.多波束声速改正模拟及其误差分析［J］.水道港口，2009，30（1）：66-69. ZHANG Y C，SUIH C，HAN D Z.Simulation of SVP correction for multi-beam survey and its error analysis［J］.Journal of marine sciences，2009，30（1）：66-69.

［6］胡佳，孙强，李明叁.基于多波束数据的声速误差自动改正方法［J］.海洋技术，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.

［7］李家彪，郑玉龙，王小波，等.多波束测深及影响精度的主要因素［J］.海洋测绘，2001，26（1）：26-32. LI J B，ZHENG Y L，WANG X B，et al.The main Factors Influencing the Depth Precision of the Multi-beam echo-sounding system［J］.Hydrographic Surveying and Charting，2001，26（1）：26-32.

［8］关永贤，屈小娟.多波束测深中声速剖面的横向加密方法［J］.海洋测绘，2009，29（5）：54-57. GUAN Y X，QU X J.The Interpolation of Sound Velocity Profile in Horizontal Plane in Multibeam Echosounding［J］. Hydrographic Surveying and Charting，2009，29（5）：54-57.

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

44亿元整治荆江航道

2013-01-07；

2013-03-22

肇斌（1983-），男，辽宁省法库县人，工程师，主要从事海洋测绘及工程测量的研究工作。

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

2013年9月14 日，总投资44亿元的长江中游荆江航道整治工程开工，国家将用3年多时间对荆江航道进行系统整治。整治工程范围起于宜昌昌门溪，止于岳阳熊家洲，全长280.5 km，工程总投资约43.3亿元，建设标准为内河一级航道，通航保证率为98%。工程将重点对枝江至江口河段、太平口水道、斗湖堤水道、周天河段、藕池口水道等9个滩段的13处浅滩或不稳定航槽实施整治。通过护滩、加固护岸、护底、填槽等工程措施，守护有利的洲滩形态，遏制河道的不利变化，使航道全面达到水深3.5 m、航宽150m的航道尺度。（殷缶，梅深）