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多波束测深声速剖面数据使用中的若干问题
邓志军;黄辰虎;陆秀平;秦清亮;刘敏;黄贤源
【期刊名称】《海洋测绘》
【年(卷),期】2015(35)5
【摘要】在对多波束测深声速剖面资料检查时发现,部分单位将海水压强简单地近似为海水深度,导致海水表层及浅水处的声速实际值受影响较大.分析了多波束测深声速剖面资料存在的若干问题,引入国际上由海水压强向深度转换的新实用模型,对存在的问题进行了纠正,基于实测声速剖面资料进行了试验性验证,提出了使用多波束测深声速剖面时需要注意的几个问题.
【总页数】4页(P43-46)
【作者】邓志军;黄辰虎;陆秀平;秦清亮;刘敏;黄贤源
【作者单位】92292部队,山东青岛266405;海军海洋测绘研究所,天津300061;海军海洋测绘研究所,天津300061;海军司令部航海保证部,北京100841;海军司令部航海保证部,北京100841;海军海洋测绘研究所,天津300061
【正文语种】中文
【中图分类】P229.1
【相关文献】
1.声速剖面插值方法在多波束测深中的应用 [J], 闫循鹏;卜宪海;刘洪霞;辛明真;阳凡林
2.多波束测深中声速剖面的横向加密方法 [J], 关永贤;屈小娟
3.声速剖面对多波束测深影响的新认识 [J], 刘胜旋;屈小娟;高佩兰
4.多波束测深数据确定声速剖面方法研究 [J], 熊传梁;王琪;李明叁
5.多波束测深中声速剖面的分层EOF自适应重构 [J], 刘杨范;王振杰;赵爽
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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)【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。
2 SVP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。
声速剖面插值方法在多波束测深中的应用闫循鹏;卜宪海;刘洪霞;辛明真;阳凡林【摘要】声速剖面通常采用站位式测量得到.分布较为稀疏,即使是走航式测量也难以得到足够密集的声速剖面.为此应在现有的声速剖面基础上进行插值以满足各方面的需要.反距离加权插值法、线性插值三角网法和基于经验正交函数的声速剖面反演法是声速剖面插值常用的三种方法,文章讨论了其在多波束测深声速剖面加密中的适用性和插值精度.结果表明,三种声速剖面插值方法均可提高声速改正精度,其中基于经验正交函数的声速剖面反演法插值精度高,适用性好;线性插值三角网法内插精度较高,但外推能力较差;反距离加权插值法算法简单,便于实现.【期刊名称】《山东科技大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2017(036)002【总页数】7页(P27-33)【关键词】声速剖面插值;反距离加权插值法;线性插值三角网法;经验正交函数【作者】闫循鹏;卜宪海;刘洪霞;辛明真;阳凡林【作者单位】山东科技大学测绘科学与工程学院,山东青岛266590;山东科技大学测绘科学与工程学院,山东青岛266590;山东科技大学测绘科学与工程学院,山东青岛266590;山东科技大学测绘科学与工程学院,山东青岛266590;山东科技大学测绘科学与工程学院,山东青岛266590;海岛(礁)测绘技术国家测绘地理信息局重点实验室,山东青岛266590【正文语种】中文【中图分类】P229声速改正是多波束测深数据后处理的关键步骤之一，其所采用的声速剖面的准确性直接影响着波束点归位计算的精度[1-3]。
目前国内有关多波束测量的规范对于声速剖面的测量、区域分布和站位密度没有特殊要求[4-5]，通常情况下进行声速改正时采用“最近原则”法，即采用距离测深位置最近的声速剖面。
若声速剖面采集站位布设不合理，或在声速变化复杂地区，如大陆架浅水区、河口冲淡区，声速剖面采集具有滞后性，将会引入较大的声速剖面代表性误差，从而影响多波束测深最终成果质量，造成假地形[6]。
第11卷第2期中国水运V ol.11N o.22011年2月Chi na W at er Trans port Februar y 2011收稿日期：作者简介：张清华（），男，湖南邵阳市人，中华人民共和国广东海事局海测大队工程师。
海水声速对多波束测深的影响张清华（广东海事局海测大队，广东广州510320）摘要：海水声速是多波束测深系统进行水深测量的基本参数之一，文中列出现有的7种声速经验公式，根据其各自不同的适用范围和特点，得出适合不同水层的最佳声速公式；同时，声速剖面正确与否直接影响测量结果的精度和可靠性。
声速校正为多波束测深系统提供了正确的声速剖面，根据声速剖面垂直向上的变化规律，对原始声速数据进行科学采集，最终取得合理可靠的水深值；并对声速校正进行了探讨。
关键词：声速经验公式；声速剖面；声速变率；声速校正；多波束测深系统中图分类号：P733文献标识码：A文章编号：1006-7973（2011）02-0090-03现代水深测量的手段种类繁多，声纳作为一种经典的测深方法被广泛地应用于单波束、多波束声纳水深测量中。
其深度的估计为：z=c （T 、S 、P ）T P /2（1）z=c （T 、S 、P ）T P cos θ/2（2）式中，c （T 、S 、P ）为声速，Tp 为声波往返传播时间，θ为波束入射角。
式（a ）为单波束深度计算公式，式（b ）为多波束深度估计公式[1]。
多波束测深系统中，声速的确定通常由两种方法来实现。
一种是直接法，另一种为间接法，直接法测定声速比较客观的反映声速在特定水区、不同水层的传播特性。
间接法确定声速在水深测量中有广泛的应用，因此寻求一个适合各种情况、模型简单、计算方便，精度保证的最佳声速公式是十分必要的。
声速本身是一个重要的海水物理参数，它可表示为温度T 、盐度S 和深度D （或压力P ）的函数。
从20世纪50年代起，先后提出了适用不同海况的声速经验公式。
一、D el l G r os so 公式（A 式）Dell G ross o （1952、1973、1974）对间接声速测量给出了较为精确的计算图表和经验公式，也是目前被广泛接受的声速公式，该公式简洁方便。
海测技术▏浅谈声速在多波束⽔深测量中的影响及对策多波束系统是计算机技术、导航定位技术、姿态传感技术、海⽔⽔⽂参数⾃动获取技术、图像处理技术等多项技术的⾼度集成。
根据国际海道测量规范IHO S-44 的要求，等级为特等的区域（港⼝、锚地和具有最⼩富余⽔深的相关航道）要求使⽤全覆盖扫测，对于等级为⼀等的区域（港⼝、⼊港航道、推荐航道和⽔深在100m以内的沿岸⽔域）只要求特殊⽔深进⾏全覆盖测量，现在多波束主要⽤于航道、锚地、障碍物的扫测、浅点加密以及⼀些⼤⽐例尺的⽔深测量；其中，声速是影响其测量精度的⼀项重要因素。
通常，在某⼀测区内从海⾯到海底的声速值并不⼀样，⽽是存在着不同的声速层，使声波射线发⽣弯曲，这样就与理论产⽣不⼀致；如果在平坦的区域，实际声速⼤于改正声速，多波束测得的测幅内的横断⾯⽔深图曲线两侧是向上翘，成笑脸，相反，横断⾯⽔深图曲线两侧向下压，成哭脸，从⽽产⽣⼀个深度误差和位置误差。
⼀、声速的概念及影响声速的⼏点因素⒈声速的概念单位时间内波阵⾯（等相位⾯）传播的距离为声波传播的速度，简称为声速，在海⽔中，该值⼀般在1420～1550m/s范围内，⽐空⽓中的声速快4倍多。
⒉影响声速及测量的⼏点因素由于海⽔的不均匀性和多变性，海⽔的密度和体积压缩系数是海⽔温度、盐度和静压⼒（与⽔深有关）的函数且随时间变化，因此海⽔中的声速也是温度、盐度和静压⼒的函数，由此可见，获得准确的声速数值，对⽔深测量的准确度⾄关重要。
此外，由于海⽔为⾮均匀介质，在海⽔中含有各种杂质，如海⽔中的⽓泡、悬浮物、海洋⽣物等，其中特别是海⽔中所溶解的⽓泡，对声波传播有⼀定影响；对外业测量⽽⾔，当测量船经过前边船舶航迹的尾流，或者测量船倒车时，由于多波束换能器安装不当，导致换能器下⼤量⽓泡的存在，其都能对测量⼯作造成很⼤影响，甚⾄⽆法正常⼯作。
⽬前在外业测量中，⽐较常⽤的获取海⽔中声速的⽅法主要为利⽤声速剖⾯仪直接测量。
声速剖⾯仪的⼯作原理⽐较简单，其不断发射⾼频短脉冲，当接收到前⼀个短脉冲的回波后，便⽴即发射下⼀脉冲；声速测量仪记录每秒钟脉冲的发射次数（即脉冲重复频率），再乘上每隔短脉冲在海⽔介质的已知声传播路程，即可获得海⽔介质的声传播速度。
心得体会：多波束测深系统在黄河水下地形测量中的应用多波束测深系统是河道基础地形勘测中的一项高新技术产品，是一种全新的高精度、全覆盖式、高效率的测深技术。
它可以接收河底地形反射回波信号，根据各角度声波到达的时间延迟，得到水底多个点的水深值。
与单波束回声测深仪相比，多波束测深系统具有测量范围大、测量速度快、精度和效率高的优点，特别适合进行大面积的水下地形探测。
多波束测深系统主要由换能器、表面声速仪、剖面声速仪、罗经姿态仪、GPS 定位授时仪等设备组成。
其中，换能器同时测定水下多个点的回波时间，罗经姿态仪精确测定换能器的实时姿态，表面声速仪、剖面声速仪获得不同水深的声速，GPS确定换能器的实时空间坐标，GPS定位授时仪同步各个传感器数据的时间轴，确保各个数据在同一时刻产生。
由同一时刻的位置、姿态、声速、回波时间可以精确计算出各个点的空间坐标。
黄河系多泥沙河流，下游为游荡性河道，水流宽浅散乱。
因此，黄河下游床面形态的观测十分困难。
20世纪50年代末，黄河下游花园口河段曾利用测深杆进行了沙垄的观测。
但是，鉴于观测条件及观测技术的限制，获得的观测资料很少且不系统，难以完全反映花园口河段床面形态的特征。
鉴于此，在黄河花园口约5千米区域利用多波束测深系统进行不同时期的主河槽水下地形信息获取，用于研究黄河河水不同泥沙含量对黄河沙垄变迁的影响。
多波束测深系统利用回声测量水深，水越浅，泥沙含量越大，越容易在采集数据时形成噪点。
数据后处理时，必须首先对测量的原始数据进行去噪。
黄河沙垄变迁研究项目的数据后处理中，需要采用自动滤波和手动滤波相结合的方式来处理噪声。
从X年的观测结果来看，在花园口站流量为800～1200立方米每秒左右的情况下，黄河下游花园口河段的床面形态主要表现为不均匀的沙垄，沙垄尺度沿河流方向及断面方向的分布都不均匀，沙垄波长一般在10～50米，波高在0.5～1.2米之间。
从观测河段的整体纵剖面来看，黄河下游花园口河段床面形态为复式沙垄，即存在一个波长800～1200米、波高3米左右的一个大沙垄，而上述小尺度的沙垄附着在这一大沙垄上。
声速剖面对多波束测深影响的新认识2008-07-03 19:09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。
2 SVP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0<2θ<2θ＇<90°时，即0<θ<θ＇<45°，△H>1，水深偏深。
当V＇>V且90°<2θ<2θ＇<180°时，即45<θ<θ＇<90°，△H<1，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0<2θ＇<2θ<90°时，即0<θ＇<θ<45°，△H<1，水深偏浅。
当V＇<V且90°<2θ＇<2θ<180°时，即45<θ＇<θ<90°，△H>1，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。
波束角(°) 深度(m) 相对误差(%)0 59.92 -0.132 △V 对折射角θ<45°部分波束的影响(也就是对内侧波束的影响) 对折射角θ>45°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0<θ<θ＇<45°时，该层的水深测量值偏深；当满足45<θ<θ＇<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。
