论文专区▏多波束测深声速剖面数据使用中的若干问题
【编者按】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。本文发表在《海洋测绘》2015年第5期上，现编发给朋友们阅读了解。邓志军，1970出生，男，广东梅县人，高级工程师，主要从事海洋重磁、多波束水深测量技术研究。
文/邓志军 黄辰虎 陆秀平 秦清亮 刘敏 黄贤源
一、引言
多波束测深基本工作原理为由换能器发射阵向海水面以下定向激发一个声学能量，波束在海水中沿实际声线传播，当遇到海底界面后通过反射和散射又返回换能器接收阵，换能器接受阵实时接收各波束的到达角和旅行时[1-3]。在对多波束测深数据作后处理时，根据声线在海水中的实际传播路径，结合每个ping各波束点的到达角和旅行时，就可得到各波束点的深度以及相对于中央波束的水平距离，进一步顾及定位、姿态、吃水、潮汐等各项改正并通过数据融合、粗差剔除、系统性偏差削弱等过程，就可得到呈条带状分布的最终的海底地形测量成果[4-5]。由于多波束测深系统呈扇面发射和接收声波信号的特殊性，显然，准确了解声线在实地海水中的传播路径是多波束测深数据处理的核心和关键。根据斯涅尔定律，一方面声线遇到介质物理特性变化时会发生折射，将导致测深点出现位置上的偏差，另一方面声波在海水中的实际传播速度与标准速度（一般假定为1500m/s）的差异也将造成传播距离上的误差，而且这两种误差均随波束角的增大而非线性的增大。海水的温度、盐度、密度和压力等海洋环境因素是影响海水声速的重要因子，由于海水温盐密要素在时、空间上存在着多维复杂变化特性，因此海水声速在时、空间上必然也是呈多维复杂变化的。
海水的声速测量方法有直接测量法和间接测量法两种[6]。直接声速测量即是采用声速测量仪器直接在现场获得测量点的海水声速剖面，以该点的声速剖面代表一定区域或时间段内测区的声速剖面。其测量基本原理是基于回声测深原理，测量声波在某一定距离上传播的时间或相位，从而直接获得现场实地声速；具体方法包括脉冲时间法、干涉法、相位法和脉冲循环法等[7-9]。目前，海道测量中最为常用的是脉冲循环法声速测量仪，如美国的SVP-plus声速剖面仪和我国的HY1200A直读式声速剖面仪等。一般采用锚泊测量的方式，通过收放声速剖面仪可以在短时间内获得声剖点的一条声速剖面。间接声速测量即是通过XBT、CTD、XCTD、MVP300等海洋水文仪器获取海水各点（包含多个水层）的温度、盐度和水深（或海水压力）等参数，进一步利用国内外通用的声速方程计算得到海水各深度水层处的声速值。
在对本部门和地方涉海单位提交的多波束测深原始资料、过程处理数据和测深成果进行检查验收时发现，多波束测深声速剖面资料存在一些问题，有的单位错误地将海水压强近似认为海水深度，甚至将空气中测量的海水压强作简单处理，这样导致了海水表层及浅水处声速的实际值受影响较大。另外随着海水深度的增加，海水压力和深度间的关系呈复杂变化，这样导致了整个全深度的声速剖面出现了系统性偏差，并将进一步影响到多波束测深海底地形测量的精度。
二、多波束测深声速剖面资料存在的问题
以某作业单位提交的1个全深度声速剖面实测数据成果为例说明，该批次数据的采集设备为SVP-plus，作业时间为2012-04-23T14:00，共采集到885组声剖数据，最大深度至1050m左右。
声速剖面的数据格式为海水压力、温度、声速值、电压值，进一步将作业单位近似得到的深度值列于表中，部分结果见表1。
由表1知，该全深度的声速剖面测量数据存在以下两个问题，其一是错误的将SVP-plus在空气中测得的声速值（1548.19m/s）认为是海水表层声速（约1544.0m/s左右）；其二是将压力与深度作了简单转换，即压力值统一增加13.09，从而得到最右侧深度值。显然上述的处理过程给表层声速造成了近4m/s的人为错误。由于多波束测深受表层声速影响较敏感，从而可能造成多波束海底地形精度的较大损失。
当然，SVP-plus自带数据处理软件具备将压力换算成深度的功能，即只需在将原始数据导出时勾选深度选项即可，若外业测量人员未执行上述操作，则将得到类似于压力、温度、声速、电压等数据格式的声速剖面数据，这样内业处理人员应格外注意，需进一步将海水压力值换算为海水深度值。否则，类似表1得到的声速剖面将给基于声速剖面的声线追踪、归算造成较大影响。
另外对于CTD、XCTD、MVP300等声速间接测量仪器，也需对获得的数据进行认真分析，以转换为多波束测深所需要的深度、声速格式声速剖面。
三、海水压力向深度转换的新模型及应用
⒈ 海水压力向深度转换的新模型
据C.C.Leroy（1998，2007）研究，使用以往的海水压力到深度的转换模型，在使用间接测量法计算声速时，会造成±0.5～±1m/s的计算误差。鉴于此，提出了海水压力向深度转换的新模型，使用该模型后，声速计算误差低于±0.02m/s，因此具有较大的应用价值，模型具体表达如下[10-13]：
或者将（2）式改化为（4）式，二者精度较接近。
其中p表示压力，单位为MPa，φ表示纬度，δfi(p)表示与纬度、压力有关的深度修正项。
适用于全球不同海域的深度修正项见表2[11-12]。
这里必须指出的是，UNESCO（联合国教科文组织）推荐的海水压力到深度的转换模型也来自于C.C.Leroy（1998，2007）研究，但与⑴～⑶式略有不同，是笔误或是别的原因，有待于进一步仔细考证，这里采用C.C.Leroy原著。
⒉ 海水压力向深度转换的实际应用
事实上，在进行海水压力到深度转换时应将观测到的负压力值作为粗差剔除。仍以表1中的相关数据为例，应剔除第1～13项负压力值，从而海水表面附近的压力值应从第14项，即0.63dbar起算。该SVP-plus设备投放海域位于南纬40°至北纬60°之间海域，因此深度修正项如下式所示。
利用式⑴～⑸，将表1中的海水压力值转换为相应的深度值，部分结果见表3。
从表3知，海水压力与实际深度值略有差异。将该声速剖面各水层的海水压力均转换为对应的实际深度，二者数值互差共885组，结果见图1。反映出，随着深度的增加，海水压力与对应实际深度的互差逐渐变大，横轴表示序列号，纵轴表示互差值（无计量单位）。
进一步将实际深度对应的声速值与表1中原始声速值比较，结果见图2，其中横轴表示声速值，单位为m/s，纵轴表示深度值，单位为m，蓝色表示错误声速剖面，红色表示正确声速剖面。由图2知，二者在海水表层附近至浅水区域，声速值差异较大，到深水区，由于声速自身变化不大，二者声速值差异较小。
由表1、3和图2知，若简单的将海水压力近似为深度值，特别是不预先剔除掉负的压力值，将给声速剖面造成较大的系统性误差。进而必将影响到多波束测深的声线追踪、归算，导致海底地形测量成果变形。关于此影响将另文探讨。
四、结论与建议
鉴于声速剖面对多波束测深非常重要，因此要特别重视声速剖面数据的质量和真实性。简单的将海水压力近似为海水深度，特别是不预先剔除掉负压力值，可能给多波束测深成果造成质量缺陷，甚至导致成果作废。解决的办法有两个，一个是在对原始数据作预处理时，剔除掉错误值，并勾选软件相应功能，得到正确的深度、声速值；另一个是采用后处理思路，利用最新的压力到深度转换的模型，将海水压力化算为相应的深度。
可预见的是，C.C.Leroy提出的压力到深度转换的模型，其精度应比第一种方法得到的声速剖面精度高，因此对压力、温度、盐度、声速格式的数据作后处理，不失为提高声速剖面精度的方法。
参考文献
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[2]赵建虎.现代海洋测绘[M].武汉:武汉大学出版社,2007.
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[12]C C Leroy.Depth-pressure relationships in the oceans and seas[J].J.Acoust.Soc.Am., 2007，121,2447(E).
[13]C C Leroy,S P Robinson, M Goldsmith. A new equation for the accurate calculation of sound speed in all oceans[J].J.Acoust.Soc.Am.,2008,124(5):2774-2782.
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