长江口深水航道水深测量声速改正方法探讨
摘 要：本文主要介绍了水深测量中声速改正的常用方法，讨论了几种声速改正方法的优缺点。同时结合实测数据，对长江口深水航道水深测量声速改正方法进行了探讨。
关键词：长江口； 深水航道；水深测量；声速改正
0 前 言
长江口深水航道作为我国的一条重要航道，充分发挥了在长江航运主通道中的咽喉要塞作用、通江达海作用，长三角航运经济发展中的基础支撑作用，绿色循环发展中的探索创新作用，已成为世界级的黄金水道。如何确保长江口深水航道的通航水深达到12.5米的安全水深，除了日常的疏浚维护，也离不开水深测量工作。如何保障所测量水深准确，减少水深测量误差？下面就影响水深测量误差之一的声速改正误差进行探讨，找出最适合长江口深水航道水深测量的声速改正方法。
1 水深测量必须进行声速改正
目前，在长江口深水航道水深测量中使用最广泛的测深仪器是单波束回声测试仪，它可以在船只航行时快速而准确地测得水深的连续数据。
1.1 回声测深仪原理
回声测深仪是利用声波反射的信息测量水深的仪器。它的工作原理是利用换能器在水中发出声波，当声波遇到障碍物后反射回换能器，根据声波往返的时间和所测水域中声波传播的速度，就可以求得障碍物与换能器之间的距离，如图1所示。
假设声波在水中的传播速度为V，当在换能器探头加窄脉冲声波信号，声波经探头发射到水底，并由水底反射回到探头被接收。测得声波信号往返行程所经历的时间为t，则Z = Vt/2，那么最终的水深：H = Z + h。传播时间t由测深仪测量并计算，声速V由测量人员测量并在测深仪中设置。
1.2 声波在海水中的传播规律
声波在海水中的传播速度不是固定的，而是一条空间曲线。其弯曲程度随海水的温度、盐度和水中压强而变化。在海洋环境中，这些物理量越大，声速也越大。所以在使用回声测深仪之前，应对仪器使用的声速值加以校正。声速改正是水深测量误差的主要来源，声速测量精度直接关系到测深精度。
1.3 声速改正方法
声速改正方法可以分为间接改正法和直接改正法。
1.3.1 间接改正法
（1）比对法：用检查板、金属杆、水听器等，置于换能器下方一定深度处，实测测深点的准确深度。根据准确深度调整测深仪声速，使测深仪深度等于准确深度。这样就可获得较为准确的声速值。此法测出的声速只是某测深点的某一时刻的某一水深的平均声速。
（2）水文资料计算法：海水中的声速是由海水温度、盐度、密度、压力等共同决定的，它们之间具有复杂的函数关系。如果能够依次测量处这些影响因子的值，那么根据诸多经验公式就可以算出该点的声速值，从而对水深测量进行声速改正。此法测出的声速值误差较大且操作比较繁琐。
1.3.2 直接改正法
利用声速剖面仪测量声速，直接进行声速改正。声速剖面仪是一种高精度测量声速的设备，它可以快速测出各个深度段的海水的声速值、温度及深度等。目前，大多数的回声测深系统所使用的声速值均由声速剖面仪测量。声速剖面仪是使用最广泛的一种声速测量仪器。
2 长江口深水航道水深测量声速改正方法
下面就以声速剖面仪测量声速进行声速改正为例，探讨长江口深水航道水深测量中的声速改正方法。
2.1 平均声速改正方法和剖面声速改正方法
声速剖面仪所测量的声速值是一条曲线，应用于声速改正的方法有两种：平均声速改正方法和剖面声速改正方法。
（1）平均声速改正方法：在测区最深处使用声速剖面仪测量该点声速曲线，导出声速数据后取平均值作为该测区的平均声速，输入测深仪或内业软件对所测水深进行声速改正。
（2）剖面声速改正方法：测得声速曲线后，在内业软件里根据声速曲线对应的水深深度进行逐一改正。
2.2 两种声速改正方法优缺点比较
（1）平均声速改正方法
优点：可直接将平均声速输入测试仪中进行声速改正，操作比较简单、方便。
缺点：平均声速改正方法仅适用于水深较浅或声速变化较小的区域，改正精度较低。
（2）剖面声速改正方法
优点：剖面声速改正方法仅适用所有的水深区域，不受测区声速变化影响，改正精度较高。
缺点：由于测深仪的特性，无法将剖面声速值输入测试仪中直接进行声速改正，必须在内业后处理软件进行改正，操作比较复杂。
通过对两种声速改正方法优缺点进行比较，可以看出剖面声速改正方法精度更高，而且适用范围也更广，是一种更优的声速改正方法。但是平均声速改正方法因其操作便捷，在水深测量中也被经常采用。
2.3 两种声速改正方法在长江口深水航道水深测量中的应用比较
基于长江口深水航道走向的特殊性，下面选取上游、中游、下游等3个测区，每个测区分别布设5条测线进行水深比对。各测区分布见图2。
为保证验证结果准确无误，统一采用海巡1666对3个测区的15条测线进行水深测量，并使用同一套内业声速改正软件对测量水深分别进行平均声速改正和垂线声速改正。
3个测区声速情况及采用两种声速改正方法后的水深情况比对如下：
2.4 水深比对结果分析
通过比对两种声速改正方法后的水深，发现测区1和测区3的各测线水深几乎没有差别，而测区2的各测线大部分水深有差别，且各水深与平均声速位置对应的水深差值越大，测量误差也越大。分析原因是因为长江口深水航道是连接长江与东海的通道。2号测區属于两股水流交汇界的地方，水文条件比较复杂。从所测的声速剖面可以看出该区域声速变化比较大，不适宜采用平均声速改正。
因此，对于单波束回声测深仪水深测量的声速改正，平均声速改正法仅适用于水深较浅且声速变化不大的区域。特别是在水深深度跨度越大的区域，采用平均声速改正方法的误差也会越大，而剖面声速改正方法适用于所有的深度及声速变化区域。
2.5 小 结
在长江口深水航道水深测量过程中的声速改正，建议采用剖面声速改正方法，以提高测量的精度，减小声速改正的误差影响。或者可将长江口深水航道水分成上、中、下游等3个部分。上游和下游声速变化不大的区域可以采用平均声速改正，中游声速变化大的区域采用剖面声速改正。
3 结束语
文章主要介绍了水深测量中声速改正的常用方法及各种声速改正方法的优、缺点。通过实测数据比较，对深水航道水深测量声速改正方法进行了分析，找出最适合的声速改正方法，力求使因声速改正引起的水深测量误差降到最低，获得最准确的水深测量数据，确保长江口深水航道的安全通航。
参考文献
[1] 冯守珍，胡光海.水深测量误差成因分析[J].海岸工程，2004.
[2] 吴振南.浅论回声测水深的声速修正[J].科技资讯，2007.
[3] 梁达炜、张宝瑞.声速误差对水深测量影响分析[J].水运工程 ，2014.
[4] 刘伯胜.水声学原理[S].哈尔滨： 哈尔滨工程大学出版社 ，2002.
[5] 关致和、赵先龙、王莉娜、阮锐、李胜全等.HY1200声速剖面仪计算测深仪声速改正数方法[J].海洋测绘，2006.
作者简介：
郭兆峰，高级工程师，主要研究方向：海洋测绘及海图制图
关键词：长江口； 深水航道；水深测量；声速改正
0 前 言
长江口深水航道作为我国的一条重要航道，充分发挥了在长江航运主通道中的咽喉要塞作用、通江达海作用，长三角航运经济发展中的基础支撑作用，绿色循环发展中的探索创新作用，已成为世界级的黄金水道。如何确保长江口深水航道的通航水深达到12.5米的安全水深，除了日常的疏浚维护，也离不开水深测量工作。如何保障所测量水深准确，减少水深测量误差？下面就影响水深测量误差之一的声速改正误差进行探讨，找出最适合长江口深水航道水深测量的声速改正方法。
1 水深测量必须进行声速改正
目前，在长江口深水航道水深测量中使用最广泛的测深仪器是单波束回声测试仪，它可以在船只航行时快速而准确地测得水深的连续数据。
1.1 回声测深仪原理
回声测深仪是利用声波反射的信息测量水深的仪器。它的工作原理是利用换能器在水中发出声波，当声波遇到障碍物后反射回换能器，根据声波往返的时间和所测水域中声波传播的速度，就可以求得障碍物与换能器之间的距离，如图1所示。
假设声波在水中的传播速度为V，当在换能器探头加窄脉冲声波信号，声波经探头发射到水底，并由水底反射回到探头被接收。测得声波信号往返行程所经历的时间为t，则Z = Vt/2，那么最终的水深：H = Z + h。传播时间t由测深仪测量并计算，声速V由测量人员测量并在测深仪中设置。
1.2 声波在海水中的传播规律
声波在海水中的传播速度不是固定的，而是一条空间曲线。其弯曲程度随海水的温度、盐度和水中压强而变化。在海洋环境中，这些物理量越大，声速也越大。所以在使用回声测深仪之前，应对仪器使用的声速值加以校正。声速改正是水深测量误差的主要来源，声速测量精度直接关系到测深精度。
1.3 声速改正方法
声速改正方法可以分为间接改正法和直接改正法。
1.3.1 间接改正法
（1）比对法：用检查板、金属杆、水听器等，置于换能器下方一定深度处，实测测深点的准确深度。根据准确深度调整测深仪声速，使测深仪深度等于准确深度。这样就可获得较为准确的声速值。此法测出的声速只是某测深点的某一时刻的某一水深的平均声速。
（2）水文资料计算法：海水中的声速是由海水温度、盐度、密度、压力等共同决定的，它们之间具有复杂的函数关系。如果能够依次测量处这些影响因子的值，那么根据诸多经验公式就可以算出该点的声速值，从而对水深测量进行声速改正。此法测出的声速值误差较大且操作比较繁琐。
1.3.2 直接改正法
利用声速剖面仪测量声速，直接进行声速改正。声速剖面仪是一种高精度测量声速的设备，它可以快速测出各个深度段的海水的声速值、温度及深度等。目前，大多数的回声测深系统所使用的声速值均由声速剖面仪测量。声速剖面仪是使用最广泛的一种声速测量仪器。
2 长江口深水航道水深测量声速改正方法
下面就以声速剖面仪测量声速进行声速改正为例，探讨长江口深水航道水深测量中的声速改正方法。
2.1 平均声速改正方法和剖面声速改正方法
声速剖面仪所测量的声速值是一条曲线，应用于声速改正的方法有两种：平均声速改正方法和剖面声速改正方法。
（1）平均声速改正方法：在测区最深处使用声速剖面仪测量该点声速曲线，导出声速数据后取平均值作为该测区的平均声速，输入测深仪或内业软件对所测水深进行声速改正。
（2）剖面声速改正方法：测得声速曲线后，在内业软件里根据声速曲线对应的水深深度进行逐一改正。
2.2 两种声速改正方法优缺点比较
（1）平均声速改正方法
优点：可直接将平均声速输入测试仪中进行声速改正，操作比较简单、方便。
缺点：平均声速改正方法仅适用于水深较浅或声速变化较小的区域，改正精度较低。
（2）剖面声速改正方法
优点：剖面声速改正方法仅适用所有的水深区域，不受测区声速变化影响，改正精度较高。
缺点：由于测深仪的特性，无法将剖面声速值输入测试仪中直接进行声速改正，必须在内业后处理软件进行改正，操作比较复杂。
通过对两种声速改正方法优缺点进行比较，可以看出剖面声速改正方法精度更高，而且适用范围也更广，是一种更优的声速改正方法。但是平均声速改正方法因其操作便捷，在水深测量中也被经常采用。
2.3 两种声速改正方法在长江口深水航道水深测量中的应用比较
基于长江口深水航道走向的特殊性，下面选取上游、中游、下游等3个测区，每个测区分别布设5条测线进行水深比对。各测区分布见图2。
为保证验证结果准确无误，统一采用海巡1666对3个测区的15条测线进行水深测量，并使用同一套内业声速改正软件对测量水深分别进行平均声速改正和垂线声速改正。
3个测区声速情况及采用两种声速改正方法后的水深情况比对如下：
2.4 水深比对结果分析
通过比对两种声速改正方法后的水深，发现测区1和测区3的各测线水深几乎没有差别，而测区2的各测线大部分水深有差别，且各水深与平均声速位置对应的水深差值越大，测量误差也越大。分析原因是因为长江口深水航道是连接长江与东海的通道。2号测區属于两股水流交汇界的地方，水文条件比较复杂。从所测的声速剖面可以看出该区域声速变化比较大，不适宜采用平均声速改正。
因此，对于单波束回声测深仪水深测量的声速改正，平均声速改正法仅适用于水深较浅且声速变化不大的区域。特别是在水深深度跨度越大的区域，采用平均声速改正方法的误差也会越大，而剖面声速改正方法适用于所有的深度及声速变化区域。
2.5 小 结
在长江口深水航道水深测量过程中的声速改正，建议采用剖面声速改正方法，以提高测量的精度，减小声速改正的误差影响。或者可将长江口深水航道水分成上、中、下游等3个部分。上游和下游声速变化不大的区域可以采用平均声速改正，中游声速变化大的区域采用剖面声速改正。
3 结束语
文章主要介绍了水深测量中声速改正的常用方法及各种声速改正方法的优、缺点。通过实测数据比较，对深水航道水深测量声速改正方法进行了分析，找出最适合的声速改正方法，力求使因声速改正引起的水深测量误差降到最低，获得最准确的水深测量数据，确保长江口深水航道的安全通航。
参考文献
[1] 冯守珍，胡光海.水深测量误差成因分析[J].海岸工程，2004.
[2] 吴振南.浅论回声测水深的声速修正[J].科技资讯，2007.
[3] 梁达炜、张宝瑞.声速误差对水深测量影响分析[J].水运工程 ，2014.
[4] 刘伯胜.水声学原理[S].哈尔滨： 哈尔滨工程大学出版社 ，2002.
[5] 关致和、赵先龙、王莉娜、阮锐、李胜全等.HY1200声速剖面仪计算测深仪声速改正数方法[J].海洋测绘，2006.
作者简介：
郭兆峰，高级工程师，主要研究方向：海洋测绘及海图制图
