浅海测量中声速对多波束测深系统的影响原理浅析

蔡长魁

摘要：本文简单介绍了海水介质中声波传播的特点和多波束测深系统的工作原理，以此为基础浅析了浅海测量中声速误差对多波束测深系统测量结果产生影响的原理。

关键词：多波束测深系统;声速

1 引言

多波束测深系统改变了传统测深方法，在波束形成理论、勘测技术、校正与处理方法上形成了自身复杂的特点。多波束测深系统在测量过程中受仪器自噪声、海况因素、声呐参数设置不合理或者使用了较大误差的声速剖面等因素影响，致使测量资料不可避免地存在假信号，造成虚假地形，从而使绘制的海底地形图与真实海底存在差异。在多波束测深系统的使用过程中，声速对测量精度（特别是边缘波束）影响较大，本文主要简单分析声速对多波束测深系统在浅海中使用产生的影响和原理。

2 浅海声速结构

海水介质是一种流动的介质，其温度、盐度特征不仅受到径流淡水和洋流高盐水入侵的影响，而且还受到气温、季节、流场等因素的作用。海水介质显著变化的温、盐特征必然导致声速结构的时空变化，从而对多波束海底测量产生重大影响。在沿岸浅海及大陆架上，声速剖面受较多的因素影响，有较强的地区变异性和短时间不稳定性。很多外部动力机制影响着声速结构，图1介绍了关于影响海岸声速结构的解释。

海水中的声速不是一个固定不变的量，是取决于海水介质中许多特性的一个变量。它随着温度、季节、地理位置及时间而变化。实际测量表明，声速是温度、盐度和压力（深度）的函数，随温度、盐度和深度的增加而增大。但平均而言，在沿岸浅海及大陆架上声速有比较明显的季节特征。在冬季的典型声速剖面是等温层，在夏季往往是负跃层或负梯度。由声波的传播特性可知，声波穿过不同的声速介质时，其传播路径要发生改变，由高速介质向低速介质传播时，向法线方向折射。這样，当声波非垂直入射海水时，由于穿过一系列不同的声速层，其传播轨迹实际上是一条由很多折线构成的曲线，这就是声线折射现象。

3 声速对多波束测深系统影响

多波束系统工作时换能器同时发射多个声波束，在垂直于航向方向上形成一个发射波束扇形声传播区，从而实现对海底的条带式侧量。多波束系统采用“广角度发射，边缘波束处在倾斜收发状态，斜入射的声波在不均匀的介质中会产生折射现象。声波对折射现象是非常敏感的。折射现象随着入射角的加大而加剧，继而对测量精度产生较大的影响。表现为对传播距离的影响和对波束指向角的影响，对波束测点的最终位置的归算带来较大的误差。

在一个简单的模型中，海洋可以看成是分层介质。这就是说垂直的波束是与这些分层是正交的。其它的波束都是倾斜入射到这些层面上的。从图2可以看出折射在两个地方影响了深度的测量，一个在波束形成和波束定向时换能器表面处，还有声波在海水中播过程中。

声纳发射声波产生声线由于不同深度声速的变化，时刻地改变着方向。换能器表面的声线图应是直的，如果表面声速错误，声线会发生弯曲。由于不同深度声速的变化，使得声线偏离了本来的方向。如图3所示，当声速剖面改正值小于实际的值时，将会出现两边向上翘的凹形地形，其中心部分的水深也相应变浅，当声速剖面改正值大实际的值时，将会出现两边向下塌的凸形地形，其中心部分的水深也相应变深。

声波在传播过程中发生折射，使各波束的传播方向发生改变，对测量点的深度和侧向中心距具有重大影响。在码头或浅水区域勘测，必须考虑声速不准确导致的勘测误差。尤其在浅海海洋声速变化比较大的区域进行多波束测量时，必须十分精确地测定声速剖面，否则线处理过程中会明显看到我们常说的哭脸或者笑脸现象，给测量结果带来较大的误差。

4 结语

本文综合海水介质中声波传播的规律和多波束测深系统的原理简单分析了声波折射对多波束测量结果的重大影响，想要完全消除这些影响是不可能的，在实际作业中，我们可以通过加密声速剖面采集、合理布设声速剖面、使用稳定性较好的测量船舶、及时进行声速仪检查比对尽量消除其对测量结果的影响。

参考文献：

[1] 张宝华，赵梅.海水声速测量方法及应用 [J].声学技术，2013，32（01）：24-28.

[2] 李家彪，等.多波束勘测原理技术与方法 [M].北京：海洋出版社，1999

[3] 董庆亮，韩红旗，方兆宝等声速剖面改正对多波束测深的影响 海洋测绘.2007（2）：56-58

（作者单位：东海航海保障中心上海海事测绘中心）