声速剖面对多波束测深影响的新认识

声速剖面对多波束测深影响的新认识2008-07-0319:09分类：默认分类字号：大中小声速剖面对多波束测深影响的新认识刘胜旋屈小娟高佩兰(广州海洋地质调查局资料处理研究所，广东广州510760)本文发表于2008年第3期《海洋测绘》【摘要】本文介绍了声速剖面对多波束测深的影响，并得出了当声速剖面的某一节点偏大时，对边缘多波束的影响是水深偏浅，而对中央部分的波束是水深偏深；当声速剖面的某一节点偏小时，结果反之。该结果对野外资料采集及声速剖面编辑具有特别实际的指导意义。最后指出：当声速剖面出现误差时，中央波束的测深精度并不一定比其它波束的测深精度高。【关键字】多波束测深；声速剖面；声线弯曲1引言随着多波束系统测深系统在我国广泛、深入的使用，我国科技工作者撰写了上百篇有关多波束测深系统的文章，这些文章从系统安装、野外资料采集、参数校正、误差分析、资料后处理及工程应用等多方面讨论了多波束测深系统的应用情况。总的来说，影响多波束测深精度的原因可以分为两类：静态误差源与动态误差源。静态误差源包括艏摇偏移、横摇偏移、纵摇偏移、几何误差与潜在因素(时移产生的误差)；动态误差包括声速误差、测量船升沉起伏误差、潮汐误差（水深小于200m区域）与船舶吃水误差等[1]。静态误差可以通过精确的参数试验而得到，而动态误差中的声速误差对整个测量航次的影响是多变的，也是显著的。其中声速结构的真实性与声速剖面的精度是影响多波束测深精度的重要因素。这对所有多波束工作者来说，已经成为一个常识。因此，在野外工作时，大家都十分注意多波束条幅的弯曲情况，并据此来判断SVP的好坏，然后适时地进行SVP测量，除此之外，并无其它特别经济、有效的办法。有时，在野外测量过程中，实时监测系统显示的多波束条幅质量没有问题，但是后处理成图时，却发现测线与测线之间呈明显的弧状沟垄或弧状背脊状，这些非地形地貌特征很明显是由SVP误差而引起的，在后处理时应尽量消除掉。这就涉及到SVP的编辑技术问题：即SVP的误差与条幅的弯曲关系。2SVP误差与条幅弯曲的关系在海和大洋中，由于温度、盐度及深度的不均匀性，所以会引起声速随深度而产生变化。声波穿过这些具有不同声速的水层，产生折射和反射现象，与光学中相类似，它们服从遵循Snell法则，即折射后的声线是向具有较小声速的水层方向弯曲。这样，当声波非垂直入射海水时，由于穿过一系列不同的水层，其传播轨迹实际上是一条曲线，这就是声线弯曲现象。由于声线的弯曲，直接影响多波束系统各个波束(尤其是外侧波束)在海底的触底位置及其测量的水深值(图1)。对于任意一个波束，其测深、测距公式为[2]：式中：H：波束点至换能器的垂直距离X：波束点至换能器的水平距离dt：波束点单程旅行时的微分V：不同水层的声速值θ：波束点声线切线与垂线之间的夹角其中θ为声速剖面与波束到达角的函数，因此在确定各波束的波束到达角和该波束的单程旅行时，可根据实际的声速剖面完成公式的积分。由于实际的声速剖面均为离散形式，因此在已知波束射线的到达角、旅行时和声速剖面进行波束测点的空间位置反演时，采用的方法也为离散形式。公式(1)变为：在研究SVP变化对波束点的影响时，可假设某一水层内的SVP值由V变为V＇，对应的折射角由θ变为θ＇时，转而研究△H和△X的变化规律。由公式(4)及图1很容易得出在保持△t不变的情况下V变大，则θ变大，导致△X变大，反之△X变小。假设该层对应的声速变化前后的两个厚度，由公式(3)得：由公式(7)可得：当V＇V且02θ2θ＇90°时，即0θθ＇45°，△H1，水深偏深。当V＇V且90°2θ2θ＇180°时，即45θθ＇90°，△H1，水深偏浅。结果导致整个条幅呈笑脸状的对称弯曲。当V＇V且02θ＇2θ90°时，即0θ＇θ45°，△H1，水深偏浅。当V＇V且90°2θ＇2θ180°时，即45θ＇θ90°，△H1，水深偏深。结果导致整个条幅呈眉毛状的对称弯曲。由以上分析可知，当局部SVP出现误差时，不同的波束受影响的结果是不同的，有的波束变深，有的波束变浅，而有的波束可能保持不变。SVP误差与条幅弯曲的关系见表1：表1：SVP误差与条幅弯曲的关系3验证验证1：为了验证上述结论，我们在平均水深为4330米的平坦区域选择了一条测线，以SeaBeam多波束系统后处理软件MB-System中的声速剖面编辑模块MbVelocityTool为工具，进行验证。该声速剖面编辑模块的工作原理为：从多波束数据文件中读入数据，并根据当前正在编辑的声速剖面，利用声线追踪方法，重新计算出水深值。对于每一个回声脉冲信号(Ping)，系统假设其为一个垂直航向的绝对水平水深值，然后利用重新计算的水深值与该绝对水平水深值之差得到水深残差值，所有声脉冲的残差值平均后以图形的方式显示在屏幕上(图2下图)。平均残差的大小及形态反映了测深数据的偏差方向及偏差程度。当声速剖面正确时（图2上SVP1），该测线各个波束的残差值应为0左右的水平曲线（图2下曲线1）。当我们把正确声速剖面的某一个节点调小时（图2上SVP2），可以看到，对应的残差曲线（图2下曲线2）是向下弯曲的。同样，当我们把正确声速剖面的某一个节点调大时（图2上SVP3），对应的残差曲线（图2下曲线3）是向上弯曲的。进一步仔细研究，三条残差曲线的交点为43号波束与112号波束，也就是说，三条残差曲线是以43号波束与112号波束为固定点而上下弯曲变化。当边缘波束向上弯曲时，中央波束必然向下弯曲；反之亦然。一般地，SVP误差主要表现为这种绕固定点上下弯曲的情况，只是不同的误差程度，可能会得到不同的波束固定点。当SVP出现重大误差时（例如整体偏大或偏小），可能不会出现这种固定点，也就是残差曲线恒为正值向下弯曲或恒为负值向上弯曲。从图2还可以得出：当SVP出现误差时，中央波束的精度并不是最高的，精度最高的波束出现在中央波束与边缘波束之间。对于本例来说，精度最高的波束为43号与112号波束。验证2：根据声线追踪原理，本人又在Excel中编程模拟计算声速剖面的变化对多波束条幅的影响，并绘图进行了直观的显示。模型中假设水层分为两层，第一层的水层厚度为20米，声速值为1530m/s；第二层的水层厚度为40米，声速值为1515m/s。当第二层的声速值变化为1512m/s，而其它参数不变时，从图3可见(只模拟显示了右半条幅的情况)，以约45°处的波束为界，中央部分的波束全部变浅，边缘部分的波束全部变深。当第二层的声速变大时，条幅弯曲反之变化。表2列出了部分波束的测深与相对误差的情况，该表的数据与表1的描述相符。表2：声速误差对测深几精度的影响波束角(°)深度(m)相对误差(%)059.92-0.132△V对折射角θ45°部分波束的影响(也就是对内侧波束的影响)对折射角θ45°部分波束的影响(也就是对外侧波束的影响)0(V＇V)水深偏深水深偏浅0(V＇V)水深偏浅水深偏深559.92-0.1311059.92-0.1281559.93-0.1232059.93-0.1152559.94-0.1043059.95-0.0893559.96-0.0694059.97-0.0424560.00-0.0065060.030.0465560.070.1216060.140.2336560.250.4107060.430.7124应用实例该研究成果对野外资料采集及后处理工作具有非常重要的指导意义。例如，在资料采集时，如果SVP出现了较明显的误差，试图使用较窄的扇区开角来工作，虽然在一定程度上能够降低边缘波束的影响，但是对中央部分波束的影响丝毫没有降低，因此必须更换实地的声速剖面。再如，在资料后处理时，如果发现地形受SVP的影响较明显，在保证全覆盖的情况下通过删除边缘波束，也不能完全消除SVP的影响，唯一的办法就是进行SVP编辑，然后进行SVP校正。2005年，我局在南海某海区进行了多波束测量，当时在野外测量过程中，技术人员均严格执行《多波束海底地形探测技术规范》及《海道测量规范》等标准，认真进行参数校正以及及时进行声速剖面测量。整个航次的声速剖面都较均匀地分布在1°×1°范围内。但是，在进行图件绘制时，我们发现整个调查区域的地形特征受SVP的影响较为明显，测线与测线之间呈明显的弧状沟垄或弧状背脊状（图4左），这种现象说明用于计算声线路径的SVP存在不合理的地方（具体原因有待进一步的研究），需要进行修正，经重新编辑并对波束重新进行校正后，效果较为理想（图4右），基本消除了SVP误差的影响，数据质量得到了很大的提高。5结束语参阅了近期公开出版的有关声速剖面对多波束测深的影响的论文后[3-5]，本文进一步探讨了声速剖面误差对多波束测深的影响，定性地分析了它们之间的关系，并进行了实例验证与模拟分析。在实例验证与模拟过程中，为了简单化，只研究了单个SVP节点的改变对多波束条幅的影响。实际上，当单个SVP节点改变时，由于折射角的改变而导致该节点以下所有的入射角与折射角的改变，从而逐层产生测深误差。总结全文，本文得出的新认识为：1、当某一声速节点增大时，导致下层所有的入射角与折射角均增大。当某一层的折射角满足0θθ＇45°时，该层的水深测量值偏深；当满足45θθ＇90°，则偏浅。同理可以推广到多个声速节点的改变，然后应用到实际声速剖面编辑技术中。2、当声速剖面出现局部误差时，条幅曲线经常以45°波束角处的海底足印为弯曲绕点，该处的波束测深精度误差最小。3、中央波束的测深精度并不是最高的。由于条幅围绕绕点向上或向下弯曲，导致中央波束的精度较其周围波束的精度低（通常都认为中央波束的精度最高）。4、当声速偏小时，通常都认为边缘波束往上翘，而实际情况恰恰相反。这些新认识对野外多波束资料采集、声速剖面编辑以及资料后处理都有重要的指导意义。参考文献[1]肖付民,暴景阳,吕仁臣.多波束坐标系统及误差源分析[J].海洋测绘,2001,(2):41-44.[2]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,(4):26-32.[3]何高文,刘方兰,余平,杨胜雄等.多波束测深系统声速校正[J].海洋地质与第四纪地质,2000,(11):109-114.[4]隋波,郑彦鹏,刘保华等.SeaBema2100多波束系统的声速误差分析[J].海洋科学进展,2004,(1):77-84.[5]丁继胜,周兴华,唐秋华等.基于等效声速剖面法的多波束测深系统声线折射改正技术[J].海洋测绘,2004,(11):27-29.作者简介：刘胜旋(1972-)，男，广西柳州人，大学本科，高级工程师，主要从事海洋物探资料处理及方法研究。收稿时间2007-06-22；修回日期：2007-10-26NewIdeafortheAccuracyofMultibeamAffectedbySVPLIUShengxuan，QUXiaojuan，GAOPeilan(TheInstituteofDataProcessingofGuangzhouMarineGeologicalSurvey510760)【Abstract】ThisarticleintroducestheresultofmultibeamechosoundingaffectedbySVP,andgottoknowwhenthevalueofacertainnodeofSVPbecomelarger,thedepthofouterbeamisshallower,andthedepthofcentralbeamisdeeper;WhenthevalueofSVP’snodebecomessmaller,theresultisonthecontrary.TheresultsturntohaveespeciallyactualguidingforfielddataacquisitionandSVPediting.Finally:Whilesoundvelocityerrorap