聲速對水深測量的影響

2021-01-04 13:01 小卓

· 聲速相關知識 ·

表面聲速儀SVS1500.png


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;

測量水域環境下,從水表面到水底各個不同深度環境下的水中聲速值。

2. 影響聲速的主要因素

影響水中聲速的主要因為包含以下三個方面:

(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,對于常規淺水測量來說,影響聲速最大的因素為溫度,即水溫。

3. 使用場景

(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射聲波,當聲波遇到水底時發生發射,發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:

單波束原理圖.png

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。

2. 誤差來源

從上述公式中,我們得知,H水深的準確與否,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為測深儀時間系統探測的發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問固定值,T在固定某個深度下,時間也是固定值,反推平均聲速C。


對比板法.png

圖2 比對板法測平均聲速

3.1 潛在問題

采用比對板法求取平均聲速可能存在以下問題:

(1)對于流動的江、河等水域環境中,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,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,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,在某些水域環境下,此平均聲速難以代表不同水深環境的平均聲速,如比對板下放10米,水域環境水聲介于5-15米之間,那么獲取的聲速值并不代表5米水深的平均聲速,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,在特定季節和環境中,水的溫度可能時刻在發生變化,因此通過比對板法獲取的聲速難以代表全天環境中的平均聲速;

(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,并應用,而聲速表為純水在一系列水溫下的聲速值表格。

查表法.png

圖3 查表法-溫度與水中聲速對比表

4.1 潛在問題

(1)從事水深測量的水域環境分為淡水還海水,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;甚至在海水環境中,難以找到準確的聲速表;

(2)水域環境中的水溫可能時刻在發生變化,真實聲速值也時刻在發生變化,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,必定會有相應的誤差產生;

(3)查表法只能采集水表面的水溫,而實際水域環境中,尤其靜水中,不同水深環境下,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

多波束測深系統的工作原理是利用發射換能器陣列向海底發射寬扇區覆蓋的聲波,利用接收換能器陣列對聲波進行窄波束接收,通過發射、接收扇區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的處理,一次探測就能給出與航向垂直的垂面內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。與現場采集的導航定位及姿態數據相結合,繪制出高精度、高分辨率的數字成果圖。

多波束測深原理.png

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、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:


表面聲速的作用.png

圖5 不同聲速,各個波束的方向變化示意圖



4.聲速剖面數據的作用


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據變化時,聲波在水中傳播過程中會發生折射,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。如下圖為多波束測量過程中未使用聲速剖面數據改正和使用后的斷面對比情況:

表面聲速的作用.png

圖6 多波束測量過程中未使用聲速剖面數據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用

鑒于不同水域環境中,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境:流動的淡水環境

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

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備的水域環境:不流動的淡水環境

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備,典型的水域環境為水庫、湖泊等靜水環境。

主要原因為靜水環境中,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。

表面聲速儀軟件圖片.png

圖7 聲速儀軟件圖片

5.聲速剖面儀的優勢

(1)設備為自容式聲速采集設備,數據會自動存儲在設備中,以供后續使用;

(2)設備內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;

聲速曲線.png

圖8 聲速曲線


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擴展閱讀

海卓SVS1500表面聲速儀

表面聲速儀.png

產品簡介

SVS1500表面聲速儀采用了先進的“時間飛躍”技術進行聲速測量,并結合先進的數字信號處理技術,使聲速的測量精度達到0.05m/s的世界先進水平?;谙冗M的集成電路和傳感器技術實現了體積小、易攜帶、使用方便的聲速測量儀,讓外業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。

產品特點

  • 精度高

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

  • 響應快

高達30Hz的數據輸出率,能夠快速響應異常水流、水域聲速的快速變化,為聲納系統提供實時的聲速修正。

  • 測量穩

采用了先進的聲速測量方法、傳感器和新材料,最大程度降低環境因素對聲速測量的影響,保證聲速測量數據的穩定性

  • 方便用

上電即可工作的即插即用模式,適合各類外業設備使用,專門的手簿、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,更適用于專業用戶集成應用。

應用場景

多波束測繪、單波束測繪、水聲試驗、教學研究、海洋調查、石油勘探、系統集成等。


海卓SVP1500聲速剖面儀

產品簡介

聲速剖面儀.png

水中聲速剖面是諸多聲納設備工作的重要物理參量。聲速剖面儀在海洋調查、水下工程、水下測繪、水下導航定位等諸多軍事、民用領域得到廣泛應用。 SVP1500聲速剖面儀采用“時間飛躍”技術進行聲速測量,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。

產品特點

  • 精度高

采用先進的“時間飛躍”技術,提升聲速測量精度至0.05m/s。集成高精度壓力傳感器,深度測量精度達到0.15m。

  • 高采樣

聲速測量時間間隔小,提高聲速剖面采集效率,極大縮小單次聲速剖面測量時間。

  • 長續航

內置高性能鋰電池,連續工作續航超過8個小時,便于維護。

  • 方便用

16G海量存儲空間,可存儲至少4000小時數據。

應用場景

多波束測繪、單波束測繪、水聲定位、水聲試驗、教學研究、海洋調查、石油勘探

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