基于多波束聲線傳播的聲速剖面反演法

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1、第24卷第3期海洋科學(xué)進(jìn)展Vol.24No.32006年7月ADVANCESINMARINESCIENCEJuly,2006基于多波束聲線傳播的聲速剖面反演法31,2,32,32,31闞光明,劉保華,王揆洋,張維岡(1.中國(guó)海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院,山東青島266003;2.海洋沉積與環(huán)境地質(zhì)國(guó)家海洋局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島266061;3.國(guó)家海洋局第一海洋研究所,山東青島266061)摘要:以測(cè)得的誤差聲速剖面作為初始猜測(cè)值,利用多波束記錄到的波束傳播時(shí)間和波束角等信息,通過廣義線性反演得到一個(gè)與實(shí)際聲速剖面比較接近的聲速剖

2、面,這有助于減少聲速剖面的誤差。通過理論模型計(jì)算,驗(yàn)證了該方法的可行性和正確性。關(guān)鍵詞:多波束測(cè)深系統(tǒng);聲速剖面;廣義線性反演;阻尼最小二乘法中圖分類號(hào):P318文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):167126647(2006)0320379205海水聲速是多波束測(cè)深系統(tǒng)進(jìn)行水深測(cè)量的基本參數(shù)之一,測(cè)得的聲速剖面的誤差大小直接影響測(cè)深結(jié)果的精度和可靠性。海水聲速本身是一個(gè)重要的海水物理參數(shù),它可表示為溫度、鹽度和深度(或壓力)的[1]函數(shù)。從20世紀(jì)50年代起,一些學(xué)者先后提出了適用不同海況的聲速經(jīng)驗(yàn)公式。周豐年等通過對(duì)由不同聲速公式計(jì)算

3、出的聲速和聲速變化率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,得出了適合不同水層和海區(qū)的最優(yōu)聲速公式。在多波束測(cè)深過程中,如果使用具有較大誤差的聲速剖面,就會(huì)使實(shí)測(cè)海底發(fā)生水平偏移和深度偏差,使所獲得的水深數(shù)據(jù)精度下降,嚴(yán)重時(shí)資料甚至完全作廢。因此要獲得高精度的水深測(cè)量資料,除了進(jìn)行諸如潮位、[2]船只吃水、換能器安裝角度等方面的校正和改正之外,還必須對(duì)多波束測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行聲速校正。何高文等對(duì)不同方法(CTD剖面、SVP216剖面和全球大洋聲速數(shù)據(jù)庫(kù))獲得的同一海區(qū)聲速剖面進(jìn)行了對(duì)比分析,并[3]對(duì)聲速校正的技術(shù)方法進(jìn)行了討論。目前進(jìn)行聲速校正的方法主要有

4、2種:一種是重新擬合最佳聲速剖面,使選擇的聲速特征點(diǎn)能夠最佳擬合聲速剖面;另一種是采用面插值的方法增加測(cè)區(qū)內(nèi)聲速剖面測(cè)點(diǎn)的密度。這2種方法都是在某一點(diǎn)所測(cè)得的聲速剖面準(zhǔn)確無誤的條件下方可成立,但實(shí)際上由于各種因素的影響,某一點(diǎn)所獲得的聲速剖面包含各種誤差,有時(shí)這種誤差還非常大。作為一種方法,可以考慮以測(cè)得的誤差聲速剖面作為初始猜測(cè)值,通過反演得到一個(gè)比較接近實(shí)際聲速剖面的反演聲速剖面。海洋聲學(xué)反演是通過觀測(cè)數(shù)據(jù)推測(cè)出海洋聲傳播介質(zhì)特征及其參數(shù)的研究手段之一。目前許多研究工[426]作者利用匹配場(chǎng)反演(MFI)方法逆推淺海海底的

5、地聲參數(shù)。Skarsoulis等引入峰值到達(dá)的概念,采用峰[7]值到達(dá)匹配反演方法逆推出深海聲速剖面。張忠兵等采用單個(gè)接受水聽器上的不同聲線到達(dá)時(shí)間差來反[8]演淺海聲速剖面。作為一種嘗試,在假設(shè)海底水平的條件下,本文以測(cè)得的誤差聲速剖面作為初始猜測(cè)值,充分利用多波束記錄的多個(gè)波束的波束傳播時(shí)間和波束角等信息,通過廣義線性反演得到一個(gè)與實(shí)際聲速剖面比較接近的聲速剖面,使用此聲速剖面進(jìn)行聲速校正,有助于減少因誤差聲速剖面而引起的誤差地形。1模型建立假設(shè)海底是水平的,聲速在海水中是縱向成層分布的,每層內(nèi)聲速保持不變,這種聲場(chǎng)假設(shè)能

6、夠滿足多3收稿日期:2005207204基金項(xiàng)目:國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展規(guī)劃計(jì)劃———智能控制變能量組合電火花震源技術(shù)(2004AA616070)作者簡(jiǎn)介:闞光明(19812),男,山東菏澤人,博士研究生,主要從事海洋地球物理數(shù)據(jù)處理方面研究。E2mail:kgming135@163.com(高峻編輯)380海洋科學(xué)進(jìn)展24卷波束勘探的要求,實(shí)際的海洋聲場(chǎng)在多數(shù)情況下也是如此。在上述假定下,波束在海水中傳播路徑如圖1所示。Hj為第j層的厚度,Vj為第j層的聲速,θij為第i個(gè)波束在第j層的入射角,tij為第i個(gè)波束在第j層的走時(shí)。

7、由斯奈爾(Snell)[9]定律可得:sinθi1sinθi2sinθijsinθi,n-1sinθin=====P(1)V1V2VjVn-1Vn其中,P為射線參數(shù)。因此:V2sinθi2=sinθi1(2)V1VjVjsinθij=sinθi,j-1=sinθi1(3)Vj-1V1圖1海水中聲線傳播路徑示意圖VnVnFig.1Schematicdiagramofsoniclinesinθin=sinθi,n-1=sinθi1(4)Vn-1V1travellingpathinthesea則第i個(gè)波束在各層的單程走時(shí):H1V1H

8、1ti1==(第1層)(5)V1cosθi1222θV1V1-V1sini1H2V1H2ti2==(第2層)(6)V2cosθi2222θV2V1-V2sini1HjV1Hjtij==(第j層)(7)Vjcosθij222θVjV1-Vjsini1第i個(gè)波束總的雙程走時(shí):nn