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聲速對水深測量的影響

2021-04-16 09:05:36　來源:

聲速

相關(guān)知識

1.聲速儀類型

（1）表面聲速儀：測量聲速儀所處位置的水中聲速值。（2）聲速剖面儀：測量水域環(huán)境下，從水表面到水底不同深度環(huán)境下的水中聲速值。

2.影響聲速的三大主要因素

（1）溫度：

水溫變化1度，聲速變化3m/s；（2）鹽度：鹽度變化1ppt，聲速變化1.3m/s；（3）深度：深度變化165米相當于水溫變化1度；從上述幾個因素我們可以了解到，對于常規(guī)淺水測量來說，影響聲速最大的因素為溫度，即水溫。

3.適用范圍

（1）單波束水深測量聲速補償；

（2）多波束水深測量聲速補償；

單波束水深測量的

聲速影響

1.單波束測深原理

單波束測深儀的測量過程是采用換能器垂直向下發(fā)射聲波，當聲波遇到水底時發(fā)生發(fā)射，發(fā)射回波信號返回換能器位置并被其接收。其水深值由聲波在水中傳播的雙程時間和水中的平均聲速確定；

圖 1｜單波束測深原理圖

H=C*T/2

上述公式中，H為水深，C為平均聲速，T為聲波傳播過程中的往返時間和。

2.誤差來源

從上述公式中，我們得知，水深H的準確與否，主要取決于平均聲速C的準確度和往返時間T的準確度。

其中，T為測深儀時間系統(tǒng)探測的發(fā)射和接收聲波的時間差，為硬件所決定，非人為因素所能左右，因此，H的準確度則取決于另外一個變量C（平均聲速）。

3.常規(guī)聲速獲取方法---比對板法

所謂比對板法即為通過將比對板放置于特定某個固定深度下，通過固定距離和系統(tǒng)采集時間差反推此深度下的平均聲速，即在公式H=C*T/2中，H為固定值，在固定某個深度下，時間T也是固定值，反推平均聲速C。

圖 2｜比對板法測平均聲速

3.1比對板法測平均聲速的潛在問題

（1）對于流動的江、河等水域環(huán)境中，比對板下放的深度由于受到水流的影響，很難處于靜止垂直狀態(tài)，因為測量過程中的固定距離在測量上很難代表垂直水深，反推的平均聲速存在一定的誤差，甚至在大流速環(huán)境下，下放比對板的方法難以實施；

（2）對于海洋測量，由于涌浪的影響，比對板或者船只一直處于晃動狀態(tài)，比對板在此情況下下放的水深一直處于變化中，此種情況下反推的平均聲速同樣存在誤差；

（3）所謂平均聲速為聲音從換能器到反射面之間水域環(huán)境下的平均聲速，而采用比對板法，所獲取的平均聲速為換能器到比對板之間的平均聲速，在某些水域環(huán)境下，此平均聲速難以代表不同水深環(huán)境的平均聲速，如比對板下放10米，水域環(huán)境水聲介于5-15米之間，那么獲取的聲速值并不代表5米水深的品均聲速，也不能代表15米處的平均聲速，僅能代表10米處的平均聲速；（4）從影響聲速的主要因素可以獲知，影響最大的是水溫，在特定季節(jié)和環(huán)境中，水的溫度可能時刻在發(fā)生變化，因此通過比對板法獲取的聲速難以代表全天環(huán)境中的平均聲速；

（5）水越深，比對板法實施的難度越大，造成的誤差可能越大。

4.常規(guī)聲速獲取方法---查表法

所謂查表法即在水深測量過程中，通過測量水的溫度來對比聲速表中的聲速值，并應(yīng)用，而聲速表為純水在一系列水溫下的聲速值表格。

圖 3｜查表法-溫度與水中聲速對照表

4.1查表法測平均聲速的潛在問題

（1）從事水深測量的水域環(huán)境分為淡水還海水，即便是淡水和純水仍有一定的差異，查表法難免帶來一定的誤差；甚至在海水環(huán)境中，難以找到準確的聲速表；

（2）水域環(huán)境中的水溫可能時刻在發(fā)生變化，真實聲速值也時刻在發(fā)生變化，因此查表法的溫度不能代表全天候的聲速值，其使用中，隨著水溫的變化，必定會有相應(yīng)的誤差產(chǎn)生；

（3）查表法只能采集水表面的水溫，而實際水域環(huán)境中，尤其靜水中，不同水深環(huán)境下，水溫不同，聲速也必定不同，因為通過查表法難以獲取平均聲速值；

多波束水深測量的

聲速影響

1.多波束測深原理

多波束測深系統(tǒng)的工作原理是利用發(fā)射換能器陣列向海底發(fā)射寬扇區(qū)覆蓋的聲波，利用接收換能器陣列對聲波進行窄波束接收，通過發(fā)射、接收扇區(qū)指向的正交性形成對海底地形的照射腳印，對這些腳印進行恰當?shù)奶幚恚淮翁綔y就能給出與航向垂直的垂面內(nèi)上百個甚至更多的海底被測點的水深值，從而能夠精確、快速地測出沿航線一定寬度內(nèi)水下目標的大小、形狀和高低變化，比較可靠地描繪出海底地形的三維特征。與現(xiàn)場采集的導航定位及姿態(tài)數(shù)據(jù)相結(jié)合，繪制出高精度、高分辨率的數(shù)字成果圖。

圖 4｜多波束測深原理圖

2.誤差來源

多波束測深儀的誤差來源比較多，潮位、姿態(tài)、表面聲速和聲速剖面都會造成不同的深度影響。下面簡單介紹表面聲速和聲速剖面在多波束測量過程中的影響。

3.多波束測深中表面聲速的作用

在多波束測量過程中，表面聲速值決定了非垂直波束的波束的指向角度。聲速不同，波束的方向也不同，歸算的水深也會不同。如下圖為不同表面聲速值的情況下，各個波束的方向變化示意圖：

圖 5｜不同聲速值，各個波束的方向變化示意圖

4.聲速剖面數(shù)據(jù)的作用

在多波束測量過程中，如果存在不同深度不同聲速的情況，即存在明顯的聲速剖面數(shù)據(jù)變化時，聲波在水中傳播過程中會發(fā)生折射，即聲音在水中傳播并非沿直線傳播，因為聲速剖面不同，傳播走的路徑也不同，歸算的水深和位置自然也會不同。

圖 6｜多波束測量過程中未使用聲速剖面數(shù)據(jù)改正和使用后的斷面對比情況

不同類型聲速儀

在水深測量中的應(yīng)用

鑒于不同水域環(huán)境中，聲速值受到影響因素不同，從使用上可能存在僅需要使用表面聲速儀一種設(shè)備和表面聲速儀、聲速剖面儀同時使用兩種情況：

1、僅需表面聲速儀的水域環(huán)境：流動的淡水環(huán)境

表面聲速值能夠代表平均聲速的使用場景，即不同水深環(huán)境下聲速變化很小的水域環(huán)境。典型的水域環(huán)境為江河等流動的水域環(huán)境。

流動的水域，不同水深下的水溫基本一致，都是淡水，鹽度不變，水不太深，深度造成的聲速變化影響很小，相當于溫度、鹽度不變，深度影響很小，所以可以認為表面聲速即為平均聲速。

2.需表面聲速和聲速剖面儀兩種設(shè)備的水域環(huán)境：不流動的淡水環(huán)境

當表面聲速值不能代表平均聲速時，則建議使用表面聲速儀和聲速剖面儀兩種設(shè)備，典型的水域環(huán)境為水庫、湖泊等靜水環(huán)境。

主要原因為靜水環(huán)境中，水表和以下不同水深的水溫變化較大，表面聲速值不能代表平均聲速值。

3.海水中水深測量需要同時使用表面聲速儀和聲速剖面儀

4.表面聲速儀優(yōu)勢

（1）聲速儀位置的聲速值實時采集，任何細微的溫度變化，或者鹽度變化等造成的聲速變化都會實時獲知；

（2）精度可靠，SVS1500表面聲速儀的聲速測量精度為0.05m/s，不存在測溫查表、垂放比對板等人為因素造成的誤差情況產(chǎn)生；

（3）使用簡單，僅需將聲速儀探頭放置水中某處，通過計算機軟件即可自動獲取水中的聲速值。

圖 7｜聲速儀軟件圖片

5.聲速剖面儀的優(yōu)勢

（1）設(shè)備為自容式聲速采集設(shè)備，數(shù)據(jù)會自動存儲在設(shè)備中，以供后續(xù)使用；

（2）設(shè)備內(nèi)含高精度壓力傳感器，能夠精確獲知采集的聲速值與之對應(yīng)的深度值；

（3）靈活方便的聲剖軟件，能夠自動計算出各個深度下的平均聲速值；

圖 8｜聲速曲線

延伸閱讀

海卓SV系列聲速儀簡介

海卓SVS1500表面聲速儀

產(chǎn)品簡介

SVS1500表面聲速儀采用了目前最先進的“時間飛躍”技術(shù)進行聲速測量，并結(jié)合先進的數(shù)字信號處理技術(shù)，使聲速的測量精度達到0.05m/s的世界先進水平。基于先進的集成電路和傳感器技術(shù)實現(xiàn)了體積小、易攜帶、使用方便的聲速測量儀，讓外業(yè)測繪人員徹底解決了查表法帶來的誤差巨大風險，同時又擺脫了原始檢測板比對法的繁瑣操作的苦惱。

海卓SVS1500表面聲速儀

產(chǎn)品特點

>精度高

采用先進的“時間飛躍”技術(shù)何數(shù)字信號處理算法，結(jié)合新材料、新工藝和全新的參數(shù)校準方法，.使聲速測量精度達到0.05m/s的國際先進水平。

>響應(yīng)快

高達30Hz的數(shù)據(jù)輸出速率，能夠快速響應(yīng)異常水流、水域聲速的快速變化，為聲納系統(tǒng)提供實時的聲速修正。

>測量穩(wěn)

采用了先進的聲速測量方法、傳感器和新材料，最大程度降低環(huán)境因素對聲速測量的影響，保證聲速測量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。

>方便用

上電即可工作的即插即用模式，適合各類外業(yè)設(shè)備使用，專門的手部、筆記本電腦、各類測深儀都可直接使用，同時提供的聲速測量組件，更適于專業(yè)用戶集成應(yīng)用。

應(yīng)用場景

多波束測繪、單波束測繪、水聲試驗、教學研究、海洋調(diào)查、石油勘探、系統(tǒng)集成等。

海卓SVP1500聲速剖面儀

產(chǎn)品簡介

水中聲速剖面是諸多聲納設(shè)備工作的重要物理參量。聲速剖面儀在海洋調(diào)查、水下工程、水下測繪、水下導航定位等諸多軍事、民用領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。SVP1500聲速剖面儀采用“時間飛躍”技術(shù)進行聲速測量，聲速測量精度達到0.05m/s，集成高精度壓力傳感器，深度測量精度達到0.15m，指標達到世界先進水平。