聲速剖面對(duì)多波束測(cè)深影響的新認(rèn)識(shí).docx

1、第28卷第3期2（X）8年5月Vol.28,No.3May,2008海洋測(cè)繪HYDROGRAPHICSURVEYINGANDCHARTING聲速剖面對(duì)多波束測(cè)深影響的新認(rèn)識(shí)劉勝旋，屈小娟，高佩蘭（廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局資料處理研究所，廣東廣州510760）摘要：介紹了聲速剖面對(duì)多波束測(cè)深的影響，并得出了當(dāng)聲速剖面的某一節(jié)點(diǎn)偏大時(shí)，對(duì)邊緣多波束的影響使水深偏淺,而對(duì)中央部分的波束使水深偏深;當(dāng)聲速剖面的某一節(jié)點(diǎn)偏小時(shí)，結(jié)果反之。該結(jié)果對(duì)野外資料采集及聲速剖面編輯具有特別實(shí)際的指導(dǎo)意義。最后指出：當(dāng)聲速剖面出現(xiàn)誤差時(shí)，中央波束的測(cè)深精度并不一定比其他波束的測(cè)深精度高。關(guān)鍵詞：多波束測(cè)深;聲速剖面;聲線

2、彎曲中圖分類號(hào)：P733.2PI文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào)：1671-3044（2008）03-0031-04收稿日期：2007-07-23；修回日期：2007-11-02作者簡(jiǎn)介：劉勝旋（1972-）,男，廣西柳州人，高級(jí)工程師，主要從事海洋物探資料處理及方法研究。1引言影響多波束測(cè)深精度的原因可以分為兩類：靜態(tài)誤差源與動(dòng)態(tài)誤差源。靜態(tài)誤差源包括循搖偏移、橫搖偏移、縱搖偏移、兒何誤差與潛在因索（時(shí)移產(chǎn)生的誤差）；動(dòng)態(tài)誤差包括聲速誤差、測(cè)量船升沉起伏誤差、潮汐誤差（水深小于200m區(qū)域）與船舶吃水誤差等。靜態(tài)誤差可以通過精確的參數(shù)試驗(yàn)而得到，而動(dòng)態(tài)誤差中的聲速誤差對(duì)整個(gè)測(cè)量航次的影響是多變的，也是

3、顯著的。其中聲速結(jié)構(gòu)的真實(shí)性與聲速剖面的精度是影響多波束測(cè)深精度的重要因索。這對(duì)所有多波束工作者來說，已經(jīng)成為一個(gè)常識(shí)。因此，在野外工作時(shí)，大家都十分注意多波束條幅的彎曲情況，并據(jù)此來判斷聲速剖面（SVP）的好壞，然后適時(shí)地進(jìn)行SVP測(cè)量，除此之外，并無其他特別經(jīng)濟(jì)、有效的辦法。有時(shí)，在野外測(cè)量:過程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯示的多波束條幅質(zhì)量沒有問題，但是后處理成圖時(shí)，卻發(fā)現(xiàn)測(cè)線與測(cè)線之間呈明顯的弧狀溝壟或孤狀背脊?fàn)?，這些非地形地貌特征很明顯是由SVP誤差而引起的，在后處理時(shí)應(yīng)盡量消除掉。這就涉及到SVP的編輯技術(shù)問題：即SVP的誤差與條幅的彎曲關(guān)系。2SVP誤差與條幅彎曲的關(guān)系在海和大洋中，由于溫

4、度、鹽度及深度的不均勻性，所以會(huì)引起聲速隨深度而產(chǎn)生變化。聲波穿過這些具有不同聲速的水層,產(chǎn)生折射和反射現(xiàn)象，與光學(xué)中相類似,它們服從遵循Snell法則，即折射后的聲線是向具有較小聲速的水層方向彎曲°這樣,當(dāng)聲波非垂直入射海水時(shí)，由于穿過一系列不同的水層，其傳播軌跡實(shí)際I：是一條曲線,這就是聲線彎曲現(xiàn)象。由于聲線的彎曲，直接影響多波束系統(tǒng)各個(gè)波束（尤其是外側(cè)波束）在海底的觸底位骨及其測(cè)量的水深值（圖1）。圖1聲線彎曲示意圖對(duì)于任意一個(gè)波束，其測(cè)深、測(cè)距公式為:/=Jv（cos0）dz（1）X-Jv（sin）dz（2）式中，為波束點(diǎn)至換能器的垂直距離;X為波束點(diǎn)至換能器的水平距離;山為

5、波束點(diǎn)單程旅行時(shí)的微分;卜為不同水層的聲速值;。為波束點(diǎn)聲線切線與垂線之間的夾角。其中。為聲速剖面與波束到達(dá)角的函數(shù)，因此在確定各波束的波束到達(dá)角和該波束的單程旅行時(shí),可根據(jù)實(shí)際的聲速剖面完成公式的積分。由于實(shí)際的聲速剖面均為離散形式，因此在已知波束射線的到達(dá)角、旅行時(shí)和聲速剖面進(jìn)行波束測(cè)點(diǎn)的空間位置反演時(shí)，采用的方法也為離散形式。公式(1)變?yōu)椋篐=£o(cos。)*(3)X-£0(sin。)At(4)在研究SVP變化對(duì)波束點(diǎn)的影響時(shí)，可假設(shè)某一水層內(nèi)的SVP值由V變?yōu)閂,對(duì)應(yīng)的折射角由6變?yōu)橐習(xí)r,轉(zhuǎn)而研究"和AX的變化規(guī)律。由公式(4)及圖1很容易得出在保持也

6、不變的悄況下V變大，則。變大，導(dǎo)致變大，反之變小。假設(shè)該層對(duì)應(yīng)的聲速變化前后的兩個(gè)厚度，由公式(3)得：H=vcosOtH'-t/cosm_H，t/cosOW_擴(kuò)cosO,(5)HvcosAivcosO已知：0二,二擴(kuò)sin。sin。sin。'*(5).(6)得：腿_sinO'cos。'_sin20'(7)sinOcosOsin20由公式(7)可得：當(dāng)卜'>丫且0<20<2。<90。時(shí)，即0<0<0'<45°,AH>1,水深偏深；當(dāng)V'>y且90。<2。<

7、2儼<180。時(shí)，即45。<0<<9O°,A/<1,水深偏淺；結(jié)果導(dǎo)致整個(gè)條幅呈笑臉狀的對(duì)稱彎曲。當(dāng)V<V且0<2。'<2。<90。時(shí)，即0<o,<e<45。她<1,水深偏淺；當(dāng)V<V且90。<2/<2。<180。時(shí)，即45°“'<0<9O°,AH>1,水深偏深。結(jié)果導(dǎo)致整個(gè)條幅呈眉毛狀的對(duì)稱彎曲。由以上分析可知，當(dāng)局部SVP出現(xiàn)誤差時(shí)，不同的波束受影響的結(jié)果是不同的,有的波束變深，有的波束變淺,而有的波束可能保持不變。SVP誤差

8、與條幅彎曲的關(guān)系見表1。表1SVP誤差與條幅彎曲的關(guān)系3驗(yàn)證3.1驗(yàn)證1AV對(duì)折射角亦45。部分波束的影響(也就是對(duì)內(nèi)側(cè)波束的影響)對(duì)折射角。>45°部分波束的影響(也就是對(duì)外側(cè)波束的影響)>o(r>V)水深偏深水深偏淺<o(r<v)水深偏淺水深偏深為了驗(yàn)證上述結(jié)論，我們?cè)谄骄顬?330m的平坦區(qū)域選擇了一條測(cè)線，以SeaBeam多波束系統(tǒng)后處理軟件MB-System中的聲速剖面編輯模塊MbVelocityTool為工具，進(jìn)行驗(yàn)證。該聲速剖面編輯模塊的工作原理為:從多波束數(shù)據(jù)文件中讀入數(shù)據(jù),并根據(jù)當(dāng)前正在編輯的聲速剖面，利用聲線追蹤方法,重新計(jì)算出水

9、深值。對(duì)于每一個(gè)回聲脈沖信號(hào)(Ping),系統(tǒng)假設(shè)其為一個(gè)垂直航向的絕對(duì)水平水深值，然后利用重新計(jì)算的水深值與該絕對(duì)水平水深值之差得到水深殘差值，所有聲脈沖的殘差值平均后以圖形的方式顯示在屏幕上(圖2下圖)。平均殘差的大小及形態(tài)反映了測(cè)深數(shù)據(jù)的偏差方向及偏差程度。00818.81637.62456.4 水深綁4094.0(m)4912.85731.66550.47369.2WaterSoundVelocityProfiles8188.01240.01315.01390.01465.01540.01615.01690.0聲速值(n/s)殘是(m)圖2聲速層突變對(duì)多波束條幅的影響由圖2看出，當(dāng)聲速

10、剖面正確時(shí),該測(cè)線各個(gè)波束的殘差值應(yīng)為。左右的水平曲線。當(dāng)我們把正確聲速剖面的某一個(gè)節(jié)點(diǎn)調(diào)小時(shí)，可以看到，對(duì)應(yīng)的殘差曲線是向下彎曲的。同樣，當(dāng)我們把正確聲速剖面的某一個(gè)節(jié)點(diǎn)調(diào)大時(shí)，對(duì)應(yīng)的殘差曲線是向上彎曲的。進(jìn)一步仔細(xì)研究，三條殘差曲線的交點(diǎn)為43號(hào)波束與112號(hào)波束，也就是說，三條殘差曲線是以43號(hào)波束與112號(hào)波束為固定點(diǎn)而上下彎曲變化。當(dāng)邊緣波束向上彎曲時(shí)，中央波束必然向下彎曲;反之亦然。一般地,SVP誤差主要表現(xiàn)為這種繞固定點(diǎn)上下彎曲的情況,只是不同的誤差程度，可能會(huì)得到不同的波束固定點(diǎn)。當(dāng)SVP出現(xiàn)重大誤差時(shí)（例如整體偏大或偏?。赡懿粫?huì)出現(xiàn)這種固定點(diǎn)，也就是殘差曲線恒為正值向下彎

11、曲或恒為負(fù)值向上彎曲。從圖2還可以得出：當(dāng)SVP出現(xiàn)誤差時(shí)，中央波束的精度并不是最高的，精度最高的波束出現(xiàn)在中央波束與邊緣波束之間。對(duì)于本例來說，精度最高的波束為43號(hào)與112號(hào)波束。3.2驗(yàn)證2根據(jù)聲線迫蹤原理，本人乂在Excel中編程模擬計(jì)算聲速剖面的變化對(duì)多波束條幅的影響，并繪圖進(jìn)行r直觀的顯示。模型中假設(shè)水層分為兩層，第一層的水層厚度為20m,聲速值為1530m/s;第二層的水層厚度為40m,聲速值為1515m/s。當(dāng)?shù)诙拥穆曀僦底兓癁?512m/s,而其它參數(shù)不變時(shí)，從圖3可見（只模擬顯示了右半條幅的情況），以約45。處的波束為界，中央部分的波束全部變淺，邊緣部分的波束全部變深。當(dāng)

12、第二層的聲速變大時(shí)，條幅彎曲反之變化。表2列出了部分波束的測(cè)深與相對(duì)誤差的情況，該表的數(shù)據(jù)與表1的描述相符。表2聲速誤差對(duì)測(cè)深精度的影響波束角（。）深度（m）相對(duì)誤差（%）059.92-0.132559.92-0.1311059.92-0.1281559.93-0.1232059.93-0.1152559.94-0.1043059.95-0.0893559.96-0.0694059.97-0.0424560.00-0.0065060.030.0465560.070.1216060.140.2336560.250.4107060.430.7124應(yīng)用實(shí)例該研究成果對(duì)野外資料采集及后處理工作具有非

13、常重要的指導(dǎo)意義。例如，在資料采集時(shí)，如果svp出現(xiàn)r較明顯的誤差，試圖使用較窄的扇區(qū)開角來工作，雖然在-定程度上能夠降低邊緣波束的影響,但是對(duì)中央部分波束的影響絲毫沒有降低，因此必須更換實(shí)地的聲速剖血°再如，在資料后處理時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)地形受SVP的影響較明顯，在保證全覆蓋的情況下通過刪除邊緣波束，也不能完全消除SVP的影響，唯一的辦法就是進(jìn)行SVP編輯，然后進(jìn)行SVP校正。2005年，我局在南海某海區(qū)進(jìn)行r多波束測(cè)量，當(dāng)時(shí)在野外測(cè)量過程中，技術(shù)人員均嚴(yán)格執(zhí)行多波束海底地形探測(cè)技術(shù)規(guī)范及海道測(cè)量規(guī)范等標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)真進(jìn)行參數(shù)校正并及時(shí)進(jìn)行聲速剖面測(cè)量。整個(gè)航次的聲速剖面都較均勻地分布在l&#

14、176;xl°范圍內(nèi)。但是，在進(jìn)行圖件繪制時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)整個(gè)調(diào)查區(qū)域的地形特征受SVP的影響較為明顯，測(cè)線與測(cè)線之間呈明顯的弧狀溝壟或弧狀背脊?fàn)睿▓D4a），這種現(xiàn)象說明用于計(jì)算聲線路徑的SVP存在不合理的地方（具體原因有待進(jìn)一步的研究），需要進(jìn)行修正,經(jīng)垂新編輯并對(duì)波束甫新進(jìn)行校正后，效果較為理想（圖4b），基本消除fSVP誤差的影響,數(shù)據(jù)質(zhì)鼠得到r很大的提高。（a）校正前(b)校正后圖4聲速校正前后三維地形圖5結(jié)束語參閱了近期公開出版的有關(guān)聲速剖面對(duì)多波束測(cè)深影響的論文后本文進(jìn)一步探討了聲速剖面誤差對(duì)多波束測(cè)深的影響，定性地分析了它們之間的關(guān)系，并進(jìn)行了實(shí)例驗(yàn)證與模擬分析。在實(shí)例驗(yàn)證

15、與模擬過程中，為了簡(jiǎn)單化,只研究了單個(gè)SVP節(jié)點(diǎn)的改變對(duì)多波束條幅的影響。實(shí)際匕當(dāng)單個(gè)SVP節(jié)點(diǎn)改變時(shí)，由于折射角的改變而導(dǎo)致該節(jié)點(diǎn)以下所有的入射角與折射角的改變，從而逐層產(chǎn)生測(cè)深誤差?？偨Y(jié)全文,本文得出的新認(rèn)識(shí)為：(1) 當(dāng)某一聲速節(jié)點(diǎn)增大時(shí)，導(dǎo)致下層所有的入射角與折射角均增大。當(dāng)某一層的折射角滿足0。伊45。時(shí)，該層的水深測(cè)量值偏深；當(dāng)滿足45。伊90。,則偏淺。同理可以推廣到多個(gè)聲速節(jié)點(diǎn)的改變，然后應(yīng)用到實(shí)際聲速剖面編輯技術(shù)中。(2) 當(dāng)聲速剖面出現(xiàn)局部誤差時(shí)，條幅曲線經(jīng)常以45。波束角處的海底足印為彎曲繞點(diǎn),該處的波束測(cè)深精度誤差最小。(3) 中央波束的測(cè)深精度并不是最高的。由于條幅圍

16、繞繞點(diǎn)向上或向下彎曲，導(dǎo)致中央波束的精度較其周圍波束的精度低(通常都認(rèn)為中央波束的精度最高)。(4) 當(dāng)聲速偏小時(shí)，通常都認(rèn)為邊緣波束往上翹，而實(shí)際情況恰恰相反。這些新認(rèn)識(shí)對(duì)野外多波束資料采集、聲速剖面編輯以及資料后處理都有重要的指導(dǎo)意義。參考文獻(xiàn)：1肖付民，暴景陽(yáng)，呂仁臣.多波束坐標(biāo)系統(tǒng)及誤差源分析J.海洋測(cè)繪,2001,(2)；41-44.2李家彪，鄭玉龍，王小波，等.多波束測(cè)深及影響精度的主要因素J.海洋測(cè)繪,2001,(4)：2632.3何高文，劉方蘭，余平，等.多波束測(cè)深系統(tǒng)聲速校正J.海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì).2000,(11)；109-114.4附波,鄭彥鵬，劉保華，等.SeaBem

17、a2100多波束系統(tǒng)的聲速誤差分析.海洋科學(xué)進(jìn)展,2004,(1)；77-84.5丁繼勝，周興華,唐秋華，等.基于等效聲速剖面法的多波束測(cè)深系統(tǒng)聲線折射改正技術(shù).海洋測(cè)繪,2004,(11)：27-29.NewIdeafortheAccuracyofMultibeamAffectedbySVPLIUSheng-xuan,QUXiao-juan,GAOPei-Ian(TheInstituteofDataProcessingofGuangzhouMarineGeologicalSurvey,Guangzhou,Guangdong1510760)Abstract:ThisarticleintroducestheresultofmultibeamechosoundingaffectedbySVP.ThepaperpointsoutwhenthevalueofacertainnodeofSVPbecomelarger,thedepthofouterbeamisshallower,andthedepthofcentralbeamisdeeper；whenthevalueofSVP'snodebecomessma