关于表层声速对多波束测深影响及改正的探讨

1、关于表层声速对多波束测深影响及改正的探讨刘胜旋 (广州海洋地质调查局资料处理研究所，广东 广州 510760)【摘要】在多波束测量过程中，需要使用到两种声速值：一种是多波束换能器深度处的声速值，称之为表层声速，用于波束形成；另一种是水体各个深度处的声速值，称之为声速剖面，用于声线追踪以获得波束点的位置与水深。本文通过分析波束形成的原理与实测数据处理得出结论：表层声速误差将对多波束测量产生不可挽回的错误；而当表层声速正确、声速剖面误差时，在后处理可以通过适当的声速剖面加以改正。【关键字】表层声速；声速剖面；波束形成；波束指向角图1波前以的角度抵达接收单元阵列21 引 言在多波束测量过程中，需要使

2、用到两种声速值：一种是多波束换能器深度处的声速值，称之为表层声速，用于波束形成；另一种是水体各个深度处的声速值，称之为声速剖面，用于声线追踪以获得波束点的位置与水深。对于所有的米氏交叉类型平面多波束换能器，例如EM3000，通过测量相邻接收单元的相位差，以确定目标的方位角1。在计算相位差时，必须准确知道换能器处的水体声速值。表层声速值一般由换能器处的实时声速传感器提供，如果该声速传感器出现故障，或者多波束系统出现故障，无法获得实时表层声速值，该值将从声速剖面插值或人工指定获取。只要该声速值与实时声速值存在差异，就会对多波束测深产生无可挽回的错误。本文将从波束形成原理到实测资料处理探讨这种错误。

3、2 波束形成的原理图1为一个包含三个接收单元的平面型多波束传感器接收方向（波束角）远声场信号的模型。波前依次通过1、2、3号接收单元，波前通过1、2号接收单元的距离差为A，通过1、3号接收单元的距离差为B，则通过接收单元之间的距离d可以计算声波通过A、B距离所需的时间，也就是三个接收单元接收信号的时间延迟。T1 = (1d sin) / c (1)T2 = (2d sin) / c (2)式中： =波束角 c =换能器处的声速值则第n个接收单元的时间延迟为： (3)将（3）式两边对声速c求导，得： (4)由（4）式可知，当表层声速c发生一个微小的变化时，随着波束角的增大，时间延迟误差也随之曾大

4、。中央波束的时间延迟误差最小（为零），边缘波束的时间延迟误差最大。图3表层声速与声速剖面偏差对多波束条幅的影响将n个接收单元的信号进行相应的时间延迟后相互叠加，结果代表波束角为的波束信号2。由（3）式可知，对于已知的接收单元间距d与指定的波束角，如果实时获得正确的表层声速c，可以得到各个接收单元之间精确的时间延迟，那么n个信号的叠加操作属于同相位叠加，结果得到加强。如表层声速存在误差，那么n个信号的叠加操作属于异相位叠加，结果将会受到削弱（图2）。在图2中，细实线分别代表1、2、3号接收单元的信号，由于波束指向角不为零，它们之间必然存在一个相位差，细虚线代表以1号信号为基准的同相位叠加（表层声

5、速正确）结果，粗虚线代表以1号信号为基准的异相位叠加（表层声速偏大）结果。如果对粗虚线信号进行多波束回波信号检测，确定该波束的双程旅行T，必然存在一个波束旅行时误差（T-T）。最为关键的是，一旦该双程旅行时确定下来并记录到原始数据文件里，将无法改正。图2 波束形成中的信号叠加由于波束双程旅行时T存在误差（中央波束除外），在资料采集声线追踪阶段或后处理重新进行声速剖面改正时，即使应用正确的声速剖面，也将无法追踪到波束的正确位置与深度。在这种情况下，多波束测深条幅的表象如图3中的上图所示，主要表现为条幅与真实海底地形相切。当为零时，该波束也就是换能器坐标系的中央波束形成将不会受到表层声速的影响。因

6、为所有的波前均同时到达所有的接收单元，不管表层声速如何变化，均能够进行同相位叠加。而声速剖面误差对多波束测深条幅的影响不同与表层声速误差的影响，其主要表现为条幅与真实海底地形相割3。3 表层声速误差改正国内外研究现状针对表层声速误差对多波束测深影响的这种情况，加拿大新布伦瑞克大学Beaudoin J.D.教授提出了重新计算波束指向角的算法，并在CCGS “Amundsen号”船2003航次EM300多波束测量数据改正中得到了应用4。国内的朱小辰5等也进行了类似的研究。其算法核心为： (5)式中c1、1分别为原始表层声速与原始波束指向角，c2、2分别为新的表层声速与改正后波束指向角可知。由式（5

7、）获得新的波束指向角后，通过重新进行声线追踪、波束点归位等改正，达到表层声速误差改正的目的。在CCGS “Amundsen号”船航次结束时，操作员将一条测线的表层声速故意从1480m/s更改为1550m/s。据Beaudoin J.D.教授的文章介绍，其采用这种方法，成功地改正了该条测线的测深数据，结果与相邻测线十分吻合（图4）。图4 EM300表层声速误差改正对比4 表层声速误差实测资料处理图5表层声速与声速剖面偏差对多波束条幅的影响广州海洋地质调查局在某海区使用EM1002执行多波束测量结束后，专门测量了一条测试测线，该测线的表层声速值设置为从声速剖面插值获得。测量时所应用的声速剖面，由操

8、作员从四个不同的声速剖面中随机地选择切换（图5上），得到了图6上小图的海底地形。为了研究所使用的表层声速，再从原始数据文件提取该段海底地形所对应的表层声速值，如图5下小图所示。图6原始海底地形（上）使用SVP1重新进行声速剖面改正效果（中）以及改正前后剖面对比（下）声速改正思路1：由于测线在多个区段使用了四个不同的声速剖面，造成了各区段的条幅弯曲程度不一，形成了的断层状海底地形。如果使用某一个声速剖面对整条测线重新进行声速剖面改正，期望能够消除这种断层状的海底地形，还原海底地形的连续性。但实际的改正结果并不理想，例如，使用SVP1声速剖面改正后，条幅弯曲效果并没有明显的改善（图6中）。图6下为

9、典型剖面图，三角点为改正前的波束，十字点为声速剖面改正后的波束。经过SVP1声速剖面改正后，非SVP1采集的区段数据均发生了不同程度的改变，但各区段的数据依然无法实现连续性拼接。使用其它声速剖面改正均得到相似的结果。声速改正思路2：加拿大Caris HIPS多波束资料处理软件在声速剖面改正时，有一个专门针对EM系列多波束数据的选项：根据声速剖面插值得到换能器深度处的表层声速值，然后使用此表层声速值重新计算波束指向角，最后再进行声速剖面改正6。由于思路1无法取得理想效果，再次处理时，选用了此EM选项。但处理效果与思路1的效果区别不大，依然无法还原海底地形的连续性。思路2与思路1改正的效果差别如图

10、6下图所示，其中圆点为思路2改正后的波束，十字点为思路1改正后的波束，二者十分相似。图7原始海底地形（上）与使用SVP1重新进行声速剖面改正效果（下）另外，本人选择了一条调查区内正常使用表层声速计数据的测线，但包含三个不同的声速剖面（图7）。SVP1与SVP2差别明显，而SVP1与SVP3差别不大，在地形图上需仔细辨认。根据思路1，使用SVP1对该测线重新进行了声速剖面改正，能够很好地消除了SVP2、SVP3生成的假象地形。同样，分别使用SVP2、SVP3声速剖面，均能消除其余两个声速剖面生成的假象地形。5 讨论5.1表层声速对EM1002影响的探讨根据Kongsberg Simrad公司的E

11、M1002多波束测深系统操作手册，该型号的换能器为弧形7。从理论上来说，弧形换能器更加能够容忍表层声速变化的影响，因为在波束形成时无需表层声速参数。Doug S. Cartwright8更加清楚的指出，感应元件在换能器里呈弧形排列，在形成指向角为的波束时，只利用到角前后少数的感应元件。另外，为了提高覆盖宽度，系统利用边缘一些感应元件采用相位延迟技术形成了部分边缘波束。但是实测资料表明，EM1002多波束测深系统在资料采集时受表层声速的影响十分明显。理论与实际相互矛盾，原因是什么？有待进一步探讨。5.2 Beaudoin J.D.表层声速改正的探讨图8 重新计算波束指向角的原理前面提到，Beau

12、doin J.D.以公式（5）为基础，能够成功地改正了因表层声速错误而引起的条幅异常弯曲。但本人认为，这种改正方法有待进一步探讨。现以图4为基础，结合公式（5）进行探讨（图8）。为了便于讨论，首先假设海水为单一的均匀层。假设原始条幅的边缘波束A的波束指向角1等于60°（对应的表层声速c 1等于1550m/s），其单程旅行时OA等于T1，如果输入正确的表层声速值c2（1480m/s），根据公式(5)重新计算该波束的指向角，得到2等于55.8°。很明显，边缘波束A的位置改正到了B处，而Beaudoin J.D.得到的改正位置却为C处，其结果与理论明显不相符。5.3 思路1改正失

13、败原因的探讨由于相邻区段表层声速的差异，也就造成了相同波束角双程旅行时的不同，在没有使用其它特殊的处理方法情况下，无论使用什么样的声速剖面，均无法消除因双程旅行时误差而造成的断层状海底地形。5.4思路2改正失败原因的探讨重新计算波束指向角算法最初由加拿大新布伦兹维克大学海洋制图组提出并应用于其制图组开发的共享多波束资料处理软件SwathEd里，后来集成于商业软件HIPS 9。因此，Caris HIPS多波束资料处理软件里的EM选项与Beaudoin J.D.的重新计算波束指向角算法相同，改正效果也如前所探讨，同样无法消除因双程旅行时误差而造成的断层状海底地形。5.5调查区内测线改正成功原因探讨

14、由于该测线使用了表层声速计提供的实时表层声速值，在波束形成时，各信号均能够很好的同相位叠加，最后获得准确的波束双程旅行时。图中的假像地形是由于声速剖面误差所致，只要获得正确的声速剖面，就能够追踪到真实的海底地形。即使使用错误的声速剖面，也能够消除那种断层状的假像海底地形。6 结束语在多波束测量过程中，能够引起条幅连续向上或向下对称弯曲的因素有两个：表层声速与声速剖面。由于调查船位置相对于声速站位的时空变化，有可能造成声速剖面超出了使用时效，从而引起条幅连续向上或向下对称弯曲，这一点早已被多波束工作者所认识与重视，并在野外测量过程中采取积极措施将其影响降低到最小。但是许多多波束工作者并没有深刻认

15、识到表层声速对多波束测量的重要性，在野外资料采集时常常简单设置，这样就容易产生明显的多波束条幅残余折射影响。因此本文建议，除短时间小范围的工程多波束测量外，其余所有的多波束测量必须配备且正确安装表层声速传感器，以保证在波束形成、回波信号检测时，获得准确的海底双程旅行时，从而保证获得高精度的多波束水深数据。参 考 文 献1. Xavier Lurton. Swath Bathymetry Using Phase Difference:Theoretical Analysis of Acoustical Measurement Precision. IEEE JOURNAL OF OCEANIC

16、ENGINEERING, VOL. 25, NO. 3, JULY 20002. L-3 Communications Seabeam Instruments, (2001). Multibeam Sonar Theory of Operation. L-3 Communications Seabeam Instruments. 3.刘胜旋,屈小娟,高佩兰. 声速剖面对多波束测深影响的新认识J. 海洋测绘, 2008,(3): 31-34.4. Beaudoin J. and Hughes Clarke J.E., Retracing (and re-raytracing) Amundsen&

17、#39;s Journey through the Northwest Passage, the proceedings of the Canadian Hydrographic Conference 2004, Ottawa, CDROM.5.朱小辰,肖付民,刘雁春等. 表层声速对多波束测深影响的研究J. 海洋测绘, 2007,(2):23-25.6. CARIS HIPS & SIPS 6.1 Users Guide. Fredericton, Canada, January 2007.7. Kongsberg Simrad A/S 1998. EM1002 Multibeam S

18、onar Operators Manual. Horten, Norway.8. Doug S. Cartwright. Multibeam Bathymetric Surveys in the Fraser River Delta, Managing Severe Acoustic Refraction Issued D. The University of New Brunswick, Canada, 2003.9.http:/www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。Correction for the Effect

19、of Surface Sound Velocity on the Multibeam EchosoundingLIU Shengxuan(The Institute of Data Processing of Guangzhou Marine Geological Survey 510760)【Abstract】There are two kinds of sound velocitys will be used when acquisition the data with multibeam echosounding in the fields. one is the sound velocity of water at the transducer face, which is used to beam forming, we call it surface sound velocity; another is the sound velocit