声速是水深测量中的一个非常重要的物理参数，它的精确求得是获取准确水深值的关键。关于声速对水深测量中测深值的影响，相关文献做了研究和探讨，并得出了有益的结论^[1-4]。传统的间接声速测量方法通过测定水体温度、盐度及水深(即压力)等参数间接计算出水体声速^[5-7]。采用声速测量仪可以直接测定海水中声速值，其基本原理是测量声速在某一固定距离上传播的时间或相位，从而直接获得海水声速。具体方法有脉冲时间法、干涉法、相位法和脉冲循环法等^[8]。

miniSVP声速剖面仪是英国Valeport公司生产的mini系列产品之一，是一款以自容和直读方式工作的便携式高精度声速剖面仪，采样率为1~8 Hz，分辨率为0.001 m/s，精度为±0.02 m/s。本文基于miniSVP声速剖面仪，直接测量出水体的剖面声速，并探讨声速改正对水深测量精度的影响。

1 瞬时测深基本原理

水体深度的获取原理是利用船上的回声测深仪向水底发射声波，声波到达水底后，又被反射到船上，被回声测深仪接收。如果已知声波传播路径上每一点的速度为C(t)，并且测定了发射声波和接收回波的瞬时时间，则可按式(1)确定深度^[9]：

$ H=\frac{1}{2} \int_{t_{t}}^{t^{r}} C(t) \mathrm{d} t $

(1)

式中，t_t，t_r分别为发射声波和接收回波的瞬时时间。

实践中不可能知道沿声波传播路径上每一点的声速C(t)，通常用一个平均传播速度C_m来代替。因此，实际深度表达为：

$ H_{m}=\frac{1}{2} C_{m}\left(t_{r}-t_{t}\right) $

(2)

在设计制造仪器时，取声速为定值C₀(1 500 m/s)。因此，仪器上记录的深度值为：

$ H_{0}=\frac{1}{2} C_{0}\left(t_{r}-t_{t}\right) $

(3)

2 测深值声速改正及误差分析

若实际声速不等于设计声速C₀(1 500 m/s)，则产生误差，应进行改正，称为测深值声速改正。测深仪的声速改正值为ΔS:

$ \begin{array}{c} \Delta S=\frac{1}{2} C_{m}\left(t_{r}-t_{t}\right)-\frac{1}{2} C_{0}\left(t_{r}-t_{t}\right)= \\ H_{0}\left(\frac{C_{m}-C_{0}}{C_{0}}\right) \end{array} $

(4)

从式(4)可知，测深值声速改正值与观测深度成正比，水深越大，声速改正值越大; 同时测深值声速改正值还与声速差成正比。

从误差分析的角度来看，测深值声速改正值的准确性取决于平均声速C_m的正确性。由于难以得到声波传播路径上每一处的声速，故在实际计算时，平均声速C_m采用抽样离散格式计算：

$ C_{m}=\frac{1}{D} \sum\limits_{i=1}^{n} C_{i} d_{i} $

(5)

式中，n为在声波路径上的抽样数，即为分层数，n值越大，即抽样越多，结果越准确; d_i为各水层的厚度; C_i为各水层的声速值; D为从换能器到海底的深度。

3 实例声速改正分析

为探求声速变化对测深的影响，以珠江流域水道为基础，考虑地理位置的代表性、时间选取的合理性，自黄埔大桥至珠江出海口，选取4个地点：莲花山、南沙港、内伶仃、桂山岛附近水域。莲花山-南沙港、南沙港-内伶仃、内伶仃-桂山岛，每两处水域间隔约25 km，分别于2016-12-09、12-17、12-19、12-23气温适中时段，采用miniSVP声速剖面仪进行剖面测量，获取的声速剖面图如图 1所示。

从图 1可以看出，莲花山、内伶仃、桂山岛三地深度范围内无明显的温跃层，声速变化的幅值不大，这与有关学者在近岸范围内得出的声速剖面数据结论一致^[10]。南沙港声速剖面数据有一定变化，可能是由于该地处于江河入海口，并有虎门水道、蕉门水道东侧的凫洲水道交汇^[11]，潮流、海水与淡水交替换流，导致了该地声速时空变化。

在精密单波束水深测量中，声速的计算主要集中在波束在垂直方向上的影响。本实例采用无锡HY1600测深仪进行深度测量，换能器吃水(0.8 m)，采用miniSVP声速剖面仪直接测量水体的垂直剖面声速。根据声速剖面的离散程度、计算分层水深改正，累计得到水体总的改正数。水深改正深度从吃水深度起算，各水层及水深值改正结果如表 1~表 4所示。

根据以上4处观测点得出的各水层声速改正数及水深值改正数，得出以下结论：直接使用设计声速(1 500 m/s)输入测深仪测量时，若实际剖面声速大于设计声速，则测深仪显示的水深值会比实际水深浅。反之，若实际剖面声速小于设计声速时，则测深仪显示的水深值会比实际水深深。

根据《海道测量规范》^[12]规定，深度测量极限误差(置信度95%)如表 5所示。

从表 5可以看出，声速误差是测深精度的重要影响因素。简单采用设计声速进行水体深度测量误差较大，甚至会超出深度测量极限误差，不满足规范要求。因此，在进行水深测量时进行声速剖面测量或计算时，进行声速误差改正是必要的。

4 结束语

声速误差对水深数据的测量结果影响较大，声速剖面的精确程度直接关系到测量数据的准确性。在水深计算处理时，计算声速值尽量采用剖面声速或平均剖面声速，同时应运用综合检校板法对测深误差进行检查。对于0~20 m的浅水区域，一般可以利用标准工具如金属水砣、检查板或水听器等，直接求测深仪总改正数进行校准^[12]。但是对超过20 m的区域，利用水文资料进行声速改正困难，使用类似miniSVP性能的声速剖面仪可以有效地进行声速改正。水温的季节性变化对声速的影响不尽相同^{[13, 14]}，增加声速剖面的时间跨度和测量密度是未来的研究方向。