摘 要：本文主要介紹了水深測(cè)量中聲速改正的常用方法，討論了幾種聲速改正方法的優(yōu)缺點(diǎn)。同時(shí)結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)長(zhǎng)江口深水航道水深測(cè)量聲速改正方法進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：長(zhǎng)江口； 深水航道；水深測(cè)量；聲速改正

0 前 言

長(zhǎng)江口深水航道作為我國的一條重要航道，充分發(fā)揮了在長(zhǎng)江航運(yùn)主通道中的咽喉要塞作用、通江達(dá)海作用，長(zhǎng)三角航運(yùn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的基礎(chǔ)支撐作用，綠色循環(huán)發(fā)展中的探索創(chuàng)新作用，已成為世界級(jí)的黃金水道。如何確保長(zhǎng)江口深水航道的通航水深達(dá)到12.5米的安全水深，除了日常的疏浚維護(hù)，也離不開水深測(cè)量工作。如何保障所測(cè)量水深準(zhǔn)確，減少水深測(cè)量誤差？下面就影響水深測(cè)量誤差之一的聲速改正誤差進(jìn)行探討，找出最適合長(zhǎng)江口深水航道水深測(cè)量的聲速改正方法。

1 水深測(cè)量必須進(jìn)行聲速改正

目前，在長(zhǎng)江口深水航道水深測(cè)量中使用最廣泛的測(cè)深儀器是單波束回聲測(cè)試儀，它可以在船只航行時(shí)快速而準(zhǔn)確地測(cè)得水深的連續(xù)數(shù)據(jù)。

1.1 回聲測(cè)深儀原理

回聲測(cè)深儀是利用聲波反射的信息測(cè)量水深的儀器。它的工作原理是利用換能器在水中發(fā)出聲波，當(dāng)聲波遇到障礙物后反射回?fù)Q能器，根據(jù)聲波往返的時(shí)間和所測(cè)水域中聲波傳播的速度，就可以求得障礙物與換能器之間的距離，如圖1所示。

假設(shè)聲波在水中的傳播速度為V，當(dāng)在換能器探頭加窄脈沖聲波信號(hào)，聲波經(jīng)探頭發(fā)射到水底，并由水底反射回到探頭被接收。測(cè)得聲波信號(hào)往返行程所經(jīng)歷的時(shí)間為t，則Z = Vt/2，那么最終的水深：H = Z + h。傳播時(shí)間t由測(cè)深儀測(cè)量并計(jì)算，聲速V由測(cè)量人員測(cè)量并在測(cè)深儀中設(shè)置。

1.2 聲波在海水中的傳播規(guī)律

聲波在海水中的傳播速度不是固定的，而是一條空間曲線。其彎曲程度隨海水的溫度、鹽度和水中壓強(qiáng)而變化。在海洋環(huán)境中，這些物理量越大，聲速也越大。所以在使用回聲測(cè)深儀之前，應(yīng)對(duì)儀器使用的聲速值加以校正。聲速改正是水深測(cè)量誤差的主要來源，聲速測(cè)量精度直接關(guān)系到測(cè)深精度。

1.3 聲速改正方法

聲速改正方法可以分為間接改正法和直接改正法。

1.3.1 間接改正法

（1）比對(duì)法：用檢查板、金屬桿、水聽器等，置于換能器下方一定深度處，實(shí)測(cè)測(cè)深點(diǎn)的準(zhǔn)確深度。根據(jù)準(zhǔn)確深度調(diào)整測(cè)深儀聲速，使測(cè)深儀深度等于準(zhǔn)確深度。這樣就可獲得較為準(zhǔn)確的聲速值。此法測(cè)出的聲速只是某測(cè)深點(diǎn)的某一時(shí)刻的某一水深的平均聲速。

（2）水文資料計(jì)算法：海水中的聲速是由海水溫度、鹽度、密度、壓力等共同決定的，它們之間具有復(fù)雜的函數(shù)關(guān)系。如果能夠依次測(cè)量處這些影響因子的值，那么根據(jù)諸多經(jīng)驗(yàn)公式就可以算出該點(diǎn)的聲速值，從而對(duì)水深測(cè)量進(jìn)行聲速改正。此法測(cè)出的聲速值誤差較大且操作比較繁瑣。

1.3.2 直接改正法

利用聲速剖面儀測(cè)量聲速，直接進(jìn)行聲速改正。聲速剖面儀是一種高精度測(cè)量聲速的設(shè)備，它可以快速測(cè)出各個(gè)深度段的海水的聲速值、溫度及深度等。目前，大多數(shù)的回聲測(cè)深系統(tǒng)所使用的聲速值均由聲速剖面儀測(cè)量。聲速剖面儀是使用最廣泛的一種聲速測(cè)量?jī)x器。

2 長(zhǎng)江口深水航道水深測(cè)量聲速改正方法

下面就以聲速剖面儀測(cè)量聲速進(jìn)行聲速改正為例，探討長(zhǎng)江口深水航道水深測(cè)量中的聲速改正方法。

2.1 平均聲速改正方法和剖面聲速改正方法

聲速剖面儀所測(cè)量的聲速值是一條曲線，應(yīng)用于聲速改正的方法有兩種：平均聲速改正方法和剖面聲速改正方法。

（1）平均聲速改正方法：在測(cè)區(qū)最深處使用聲速剖面儀測(cè)量該點(diǎn)聲速曲線，導(dǎo)出聲速數(shù)據(jù)后取平均值作為該測(cè)區(qū)的平均聲速，輸入測(cè)深儀或內(nèi)業(yè)軟件對(duì)所測(cè)水深進(jìn)行聲速改正。

（2）剖面聲速改正方法：測(cè)得聲速曲線后，在內(nèi)業(yè)軟件里根據(jù)聲速曲線對(duì)應(yīng)的水深深度進(jìn)行逐一改正。

2.2 兩種聲速改正方法優(yōu)缺點(diǎn)比較

（1）平均聲速改正方法

優(yōu)點(diǎn)：可直接將平均聲速輸入測(cè)試儀中進(jìn)行聲速改正，操作比較簡(jiǎn)單、方便。

缺點(diǎn)：平均聲速改正方法僅適用于水深較淺或聲速變化較小的區(qū)域，改正精度較低。

（2）剖面聲速改正方法

優(yōu)點(diǎn)：剖面聲速改正方法僅適用所有的水深區(qū)域，不受測(cè)區(qū)聲速變化影響，改正精度較高。

缺點(diǎn)：由于測(cè)深儀的特性，無法將剖面聲速值輸入測(cè)試儀中直接進(jìn)行聲速改正，必須在內(nèi)業(yè)后處理軟件進(jìn)行改正，操作比較復(fù)雜。

通過對(duì)兩種聲速改正方法優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較，可以看出剖面聲速改正方法精度更高，而且適用范圍也更廣，是一種更優(yōu)的聲速改正方法。但是平均聲速改正方法因其操作便捷，在水深測(cè)量中也被經(jīng)常采用。

2.3 兩種聲速改正方法在長(zhǎng)江口深水航道水深測(cè)量中的應(yīng)用比較

基于長(zhǎng)江口深水航道走向的特殊性，下面選取上游、中游、下游等3個(gè)測(cè)區(qū)，每個(gè)測(cè)區(qū)分別布設(shè)5條測(cè)線進(jìn)行水深比對(duì)。各測(cè)區(qū)分布見圖2。

為保證驗(yàn)證結(jié)果準(zhǔn)確無誤，統(tǒng)一采用海巡1666對(duì)3個(gè)測(cè)區(qū)的15條測(cè)線進(jìn)行水深測(cè)量，并使用同一套內(nèi)業(yè)聲速改正軟件對(duì)測(cè)量水深分別進(jìn)行平均聲速改正和垂線聲速改正。

3個(gè)測(cè)區(qū)聲速情況及采用兩種聲速改正方法后的水深情況比對(duì)如下：

2.4 水深比對(duì)結(jié)果分析

通過比對(duì)兩種聲速改正方法后的水深，發(fā)現(xiàn)測(cè)區(qū)1和測(cè)區(qū)3的各測(cè)線水深幾乎沒有差別，而測(cè)區(qū)2的各測(cè)線大部分水深有差別，且各水深與平均聲速位置對(duì)應(yīng)的水深差值越大，測(cè)量誤差也越大。分析原因是因?yàn)殚L(zhǎng)江口深水航道是連接長(zhǎng)江與東海的通道。2號(hào)測(cè)區(qū)屬于兩股水流交匯界的地方，水文條件比較復(fù)雜。從所測(cè)的聲速剖面可以看出該區(qū)域聲速變化比較大，不適宜采用平均聲速改正。

因此，對(duì)于單波束回聲測(cè)深儀水深測(cè)量的聲速改正，平均聲速改正法僅適用于水深較淺且聲速變化不大的區(qū)域。特別是在水深深度跨度越大的區(qū)域，采用平均聲速改正方法的誤差也會(huì)越大，而剖面聲速改正方法適用于所有的深度及聲速變化區(qū)域。

2.5 小 結(jié)

在長(zhǎng)江口深水航道水深測(cè)量過程中的聲速改正，建議采用剖面聲速改正方法，以提高測(cè)量的精度，減小聲速改正的誤差影響?；蛘呖蓪㈤L(zhǎng)江口深水航道水分成上、中、下游等3個(gè)部分。上游和下游聲速變化不大的區(qū)域可以采用平均聲速改正，中游聲速變化大的區(qū)域采用剖面聲速改正。

3 結(jié)束語

文章主要介紹了水深測(cè)量中聲速改正的常用方法及各種聲速改正方法的優(yōu)、缺點(diǎn)。通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較，對(duì)深水航道水深測(cè)量聲速改正方法進(jìn)行了分析，找出最適合的聲速改正方法，力求使因聲速改正引起的水深測(cè)量誤差降到最低，獲得最準(zhǔn)確的水深測(cè)量數(shù)據(jù)，確保長(zhǎng)江口深水航道的安全通航。

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作者簡(jiǎn)介：

郭兆峰，高級(jí)工程師，主要研究方向：海洋測(cè)繪及海圖制圖