声速对水深测量的影响

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# 单波束水深测量的声速影响

1. 单波束测深原理

单波束测深仪的测量过程是采用换能器垂直向下发射声波，当声波遇到水底时发生发射，发射回波信号返回换能器位置并被其接收。其水深值由声波在水中传播的双程时间和水中的平均声速确定：

图1 单波束测深原理图

H=C*T/2

上述公式中，H为水深，C为平均声速，T为声波传播过程中的往返时间。

2. 误差来源

从上述公式中，我们得知，H水深的准确与否，主要取决于平均声速C的准确度和往返时间T的准确度。

其中，T为测深仪时间系统探测的发射和接收声波的时间差，为硬件所决定，非人为因素所能左右，因此，H的准确度则取决于另外一个变量C（平均声速）。

3.常规声速获取方法---比对板法

所谓比对板法即为通过将比对板放置于特定某个固定深度下，通过固定距离和系统采集时间差反推此深度下的平均声速，即在公式H=C*T/2中，H问固定值，T在固定某个深度下，时间也是固定值，反推平均声速C。

图2 比对板法测平均声速

3.1 潜在问题

采用比对板法求取平均声速可能存在以下问题：

（1）对于流动的江、河等水域环境中，比对板下放的深度由于受到水流的影响，很难处于静止垂直状态，因为测量过程中的固定距离在测量上很难代表垂直水深，反推的平均声速存在一定的误差，甚至在大流速环境下，下放比对板的方法难以实施；

（2）对于海洋测量，由于涌浪的影响，比对板或者船只一直处于晃动状态，比对板在此情况下下放的水深一直处于变化中，此种情况下反推的平均声速同样存在误差；

（3）所谓平均声速为声音从换能器到反射面之间水域环境下的平均声速，而采用比对板法，所获取的平均声速为换能器到比对板之间的平均声速，在某些水域环境下，此平均声速难以代表不同水深环境的平均声速，如比对板下放10米，水域环境水声介于5-15米之间，那么获取的声速值并不代表5米水深的平均声速，也不能代表15米处的平均声速，仅能代表10米处的平均声速；

（4）从影响声速的主要因素可以获知，影响最大的是水温，在特定季节和环境中，水的温度可能时刻在发生变化，因此通过比对板法获取的声速难以代表全天环境中的平均声速；

（5）水越深，比对板法实施的难度越大，造成的误差可能越大。

4.常规声速获取方法---查表法

所谓查表法即在水深测量过程中，通过测量水的温度来对比声速表中的声速值，并应用，而声速表为纯水在一系列水温下的声速值表格。

图3 查表法-温度与水中声速对比表

4.1 潜在问题

（1）从事水深测量的水域环境分为淡水还海水，即便是淡水和纯水仍有一定的差异，查表法难免带来一定的误差；甚至在海水环境中，难以找到准确的声速表；

（2）水域环境中的水温可能时刻在发生变化，真实声速值也时刻在发生变化，因此查表法的温度不能代表全天候的声速值，其使用中，随着水温的变化，必定会有相应的误差产生；

（3）查表法只能采集水表面的水温，而实际水域环境中，尤其静水中，不同水深环境下，水温不同，声速也必定不同，因为通过查表法难以获取平均声速值；

# 多波束水深测量的声速影响

1. 多波束测深原理

多波束测深系统的工作原理是利用发射换能器阵列向海底发射宽扇区覆盖的声波，利用接收换能器阵列对声波进行窄波束接收，通过发射、接收扇区指向的正交性形成对海底地形的照射脚印，对这些脚印进行恰当的处理，一次探测就能给出与航向垂直的垂面内上百个甚至更多的海底被测点的水深值，从而能够精确、快速地测出沿航线一定宽度内水下目标的大小、形状和高低变化，比较可靠地描绘出海底地形的三维特征。与现场采集的导航定位及姿态数据相结合，绘制出高精度、高分辨率的数字成果图。

图4 多波束测深原理图

2. 误差来源

多波束测深仪的误差来源比较多，潮位、姿态、表面声速和声速剖面都会造成不同的深度影响。下面简单介绍表面声速和声速剖面在多波束测量过程中的影响。

3.多波束测深中表面声速的作用

在多波束测量过程中，表面声速值决定了非垂直波束的波束的指向角度。声速不同，波束的方向也不同，归算的水深也会不同。如下图为不同表面声速值的情况下，各个波束的方向变化示意图：

图5 不同声速，各个波束的方向变化示意图

在多波束测量过程中，如果存在不同深度不同声速的情况，即存在明显的声速剖面数据变化时，声波在水中传播过程中会发生折射，即声音在水中传播并非沿直线传播，因为声速剖面不同，传播走的路径也不同，归算的水深和位置自然也会不同。如下图为多波束测量过程中未使用声速剖面数据改正和使用后的断面对比情况：

图6 多波束测量过程中未使用声速剖面数据改正和使用后的断面对比情况

#不同类型声速仪在水深测量中的应用

鉴于不同水域环境中，声速值受到影响因素不同，从使用上可能存在仅需要使用表面声速仪一种设备和表面声速仪、声速剖面仪同时使用两种情况；

1.仅需表面声速仪的水域环境：流动的淡水环境

表面声速值能够代表平均声速的使用场景，即不同水深环境下声速变化很小的水域环境。典型的水域环境为江河等流动的水域环境。

流动的水域，不同水深下的水温基本一致，都是淡水，盐度不变，水不太深，深度造成的声速变化影响很小，相当于温度、盐度不变，深度影响很小，所以可以认为表面声速即为平均声速。

2.需表面声速和声速剖面仪两种设备的水域环境：不流动的淡水环境

当表面声速值不能代表平均声速时，则建议使用表面声速仪和声速剖面仪两种设备，典型的水域环境为水库、湖泊等静水环境。

主要原因为静水环境中，水表和以下不同水深的水温变化较大，表面声速值不能代表平均声速值。

3.海水中水深测量需要同时使用表面声速仪和声速剖面仪

4.表面声速仪优势

（1）声速仪位置的声速值实时采集，任何细微的温度变化，或者盐度变化等造成的声速变化都会实时获知；

（2）精度可靠，SVS1500表面声速仪的声速测量精度为0.05m/s，不存在测温查表、垂放比对板等人为因素造成的误差情况产生；

（3）使用简单，仅需将声速仪探头放置水中某处，通过计算机软件即可自动获取水中的声速值。

图7 声速仪软件图片

5.声速剖面仪的优势

（1）设备为自容式声速采集设备，数据会自动存储在设备中，以供后续使用；

（2）设备内含高精度压力传感器，能够精确获知采集的声速值与之对应的深度值；

（3）灵活方便的声剖软件，能够自动计算出各个深度下的平均声速值；

图8 声速曲线

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扩展阅读

海卓SVS1500表面声速仪

产品简介

SVS1500表面声速仪采用了先进的“时间飞跃”技术进行声速测量，并结合先进的数字信号处理技术，使声速的测量精度达到0.05m/s的世界先进水平。基于先进的集成电路和传感器技术实现了体积小、易携带、使用方便的声速测量仪，让外业测绘人员彻底解决了查表法带来的误差巨大风险，同时又摆脱了原始检测板比对法的繁琐操作的苦恼。

产品特点

• 精度高

采用先进的“时间飞跃”技术何数字信号处理算法，结合新材料、新工艺和全新的参数校准方法，使声速测量精度达到0.05m/s的国际先进水平。

• 响应快
  

高达30Hz的数据输出率，能够快速响应异常水流、水域声速的快速变化，为声纳系统提供实时的声速修正。

• 测量稳

采用了先进的声速测量方法、传感器和新材料，最大程度降低环境因素对声速测量的影响，保证声速测量数据的稳定性

• 方便用

上电即可工作的即插即用模式，适合各类外业设备使用，专门的手簿、笔记本电脑、各类测深仪都可直接使用，同时提供的声速测量组件，更适用于专业用户集成应用。

应用场景

多波束测绘、单波束测绘、水声试验、教学研究、海洋调查、石油勘探、系统集成等。

海卓SVP1500声速剖面仪

产品简介

水中声速剖面是诸多声纳设备工作的重要物理参量。声速剖面仪在海洋调查、水下工程、水下测绘、水下导航定位等诸多军事、民用领域得到广泛应用。 SVP1500声速剖面仪采用“时间飞跃”技术进行声速测量，声速测量精度达到0.05m/s，集成高精度压力传感器，深度测量精度达到0.15m，指标达到世界先进水平。

产品特点

• 精度高

采用先进的“时间飞跃”技术，提升声速测量精度至0.05m/s。集成高精度压力传感器，深度测量精度达到0.15m。

• 高采样

声速测量时间间隔小，提高声速剖面采集效率，极大缩小单次声速剖面测量时间。

• 长续航

内置高性能锂电池，连续工作续航超过8个小时，便于维护。

• 方便用

16G海量存储空间，可存储至少4000小时数据。

应用场景

多波束测绘、单波束测绘、水声定位、水声试验、教学研究、海洋调查、石油勘探