深海地形调查中声速剖面质量控制方法

一、引言

声速剖面是多波束地形测量和声学调查中用来校正水体中声传播距离的重要测量内容。在多波束地形测量中，声速改正是获得精确海底水深数据的关键环节，也是深远海测绘生产中备受关注的问题之一。但在实际应用中，因设备、人员技能等因素，较难及时发现声速应用是否满足实际要求。忽视声速剖面质量控制，多波束地形数据可能产生因声速失真导致水深条带呈现“哭脸”、“笑脸”现象，造成水深条带无法拼接，从而形成明显沟、隆状地形。若解决由外业声速剖面质量引发的数据处理问题，将会耗费大量人力和处理时间，大大降低后处理阶段的工作效率，而且对最终水深成果质量造成重大影响。目前国内应用的多款深水多波束系统，如EM系列、Seabeam系列，在测量流程中均要求外业开测前录入声速剖面，数据处理时不再进行声速改正，若声速剖面未进行质量控制，在实际使用中会进一步放大测量误差，直接影响多波束测深数据的精度。

本文通过对深海多波束地形调查中实测声速剖面数据的质量研究，探讨声速剖面仪检定及实际应用中的质量控制措施。为大洋专项调查声速剖面数据的质量控制提供一种有效参考方法。

二、声速剖面设备与外业测量方式

深水声速剖面测量方法分为直接测量法和间接测量法。

直接测量法是使用声速传感器探头直接测量水体声速，原理是测量声学脉冲在固定距离上的传播时间或者相位直接计算声速值，在具体功能实现方面又可以分为环鸣法、相位法、脉冲时间法等，目前脉冲时间法(TOF，飞行时间)由于其高精度特性逐渐成为主流技术，代表性设备如AML MinosX声速剖面仪、海鹰HY1202系列全海深声速仪等。

间接测量法则是测量海水的温度、盐度、静压力(深度)等要素，根据经验公式计算声速剖面，代表性设备包括各类型的温盐深剖面仪(CTD)、抛弃式温盐深剖面仪(XCTD)等。

直接测量型声速剖面仪一般会配置声速、温度、压力传感器，温盐深剖面仪会配置压力、电导率和温度传感器，但抛弃式温盐深仪只配置电导率、温度传感器，其水深是探头自由落体时间通过经验公式计算的。其中XCTD－4型抛弃式温盐深仪测量深度为1850m，剖面数据可涵盖大洋水体混合层、温跃层和渐变层。

据外业实践经验，在大洋专项调查中应以直接测量法为主、辅以抛弃式温盐深剖面仪间接测量法。使用钢缆绞车停船定点吊放自容式测量设备，进行声速剖面测量，在钢缆绞车最大负载能力和航次时间规划允许的情况下，尽量获取较大深度的声速剖面数据。抛弃式温盐深剖面仪(XCTD)可以低速走航投放、无需停船，有效节省航时和船舶经费，可获取1850m以浅的声速变化剖面。对于大洋调查区域来讲，以全海深声速剖面控制全局，辅以中浅水声速剖面加密，可以较为完善地控制整个测区的水体声速分布，为多波束地形测量提供良好的数据校正基础。

三、声速剖面实测数据分析

⒈数据样本

数据样本来源于2019年10月份太平洋某海区多个声速剖面仪同步测量的声速剖面数据，采集设备为两台AML MinosX型声速剖面仪和1台TSK XCTD－4型抛弃式温盐深仪。两台声速剖面仪固定在同一吊放框架内，与抛弃式温盐深仪同时刻投放入水。抛弃式温盐深仪在海水中为自由落体式。两种测量方式尽量保持同一时刻开始测量。获取的样本数据信息见表1，其中样本A使用的设备有压力、温度和声速传感器，样本B配有压力和声速传感器，样本C配有电导率和温度传感器。

                                表1声速剖面样本数据信息

3个样本数据的声速值均存在一定差异，见图1，温度数据(样本A和C)非常一致，样本C的盐度值处于正常区间。声速数据互差统计结果表明：样本A与B的剖面声速偏差均值较小为0.9m/s，标准偏差最大为1.0m/s，表明两个样本数据的吻合并不算好。样本A与样本C的剖面声速偏差均值较大，为3.5m/s。见表2。

                           表2样本声速数据互差统计  单位：m/s

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样本A和C测量的剖面温度，除温跃层附近温度变化较大外，表层水体和深水层温度基本一致，互差数据平均值为0.02℃，标准偏差0.07℃，表明两者温度传感器性能良好，温度测量值可信度较高。样本数据之间声速值彼此存在较大差别，后文将进一步分析数据的可信度，并做相应修正。

⒉数据比对

从上文样品数据中可以发现，温度测量数据有较好的一致性(样本A和C)，而深度测量数据从海水等温层和温跃层在声速剖面上的曲线拐点看，也有着较好的一致性，那么仅剩盐度这一参数了。而实测盐度(电导率)只有样本C数据，我们需要找到可以佐证样本C可靠性的证据。

从公开数据网站(www.52ocean.cn中较为通用的SEAWAter工具包计算Argo-5905862的声速剖面，其中声速的计算模块采用了Millero-chEN经验公式，该公式有较高的认可度，与抛弃式温盐深仪采集软件内部程序计算的声速结果基本一致。在渐变层和深海等温层中，样本C和Argo-5905862的声速剖面互差均值为0.03m/s，标准偏差为0.43m/s，一致性较高。所以，样本C传感器的性能和数据质量可信度较高，可作为数据比对的基础。

样本C的可信度已经证实，那么样本A和样本B的可信度如何?使用直接测量法获取水体声速，无盐度传感器，那么我们利用温度、压力和声速值使用SEAWAter工具包中sw-svel函数计算相应的盐度数据，从而获取样本A和B的盐度剖面，其中样本B按照水深匹配已验证的样本A温度剖面。盐度剖面反演结果显示，样本A和B计算的盐度值均明显偏离同海区正常盐度范围，见图2，说明样本A和B所使用的两台AMＬ声速剖面仪的确存在问题，测值不准确。

⒊数据改正

通过上述分析，证实了样本C数据的可靠性和合理性，随后以样本C为比对基础，对样本A和B数据进行修正。

样本A的修正结果为：

SvA′＝SvA－5.245×10－4×D－1.5543 ⑴

式中，SvA′为修正后的声速值；SvA为原始声速值；D为水深值。

样本B的修正结果为：

SvB′＝SvB－3.5   ⑵

式中，SvB′为修正后的声速值；SvB为原始声速值。

改正后样本A与C声速值互差标准偏差为0.25m/s，样本B与C声速值互差标准偏差为0.46m/s，一致性都较好。改正前、后的样本A与B声速剖面数据经对比，见图3，改正后两者声速差值的平均值由1.11m/s降至0.09m/s，标准偏差由0.60m/s降至0.28m/s。改正后样本A与样本B的声速剖面有较高的一致性。

四、相关讨论

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⒈测量设备计量检定校准与返厂校准

声速剖面仪在使用过程中，因传感器受环境因素和自身漂移的影响，声速剖面仪的准确性和稳定性会随时间而降低，测量精度变差，为保证其量值准确，必须定期对声速仪进行检测。按照《海洋调查规范》相关要求，声速剖面仪的测量准确度要求优于1m/s，并且在使用前应进行检定校准。对于生产厂商来说，一般会建议用户每年或每两年将测量设备返厂进行重新校准标定。专项的质量控制要求也规定需要将测量设备提前在行业计量检测机构做校准，拿到校准证书。

声速传感器的计量检定一般是采用间接测量法，根据检测过程记录的温度和盐度数据，通过声速经验公式得到标准声速，再与仪器测量声速数据进行比较，给出声速示值误差。见图4，国家海洋标准计量中心为样本A所用的声速剖面仪出具的一份校准证书，校准依据是Q/HBJ03.14202011《海水声速仪校准方法》，在提供的校准报告中，使用标准盐度35‰的水环境，测试了普通大气压下、从0℃～35℃间8个温度下的声速测量值及其示值误差。这一结果在一定程度上反映了设备测值准确度的偏离情况，但由于校准测试项数量、技术难度与校准费用有直接关系，增加不同盐度、压力下的测试数量不太现实，存在缺陷也在所难免。

在计量检测中，如温度、盐度检定容易实现，但深海型声速仪体积相对较大，且适压范围较广，压力传感器的检测涉及到加压设备，成本相对较高、实现较为困难，这就导致了声速仪传感器的检定不完全，存在要素缺项的现象。

需要指出，计量部门出具的校准证书有别于设备厂家的返厂校准，获取了校准证书不等同于设备测量结果准确。检定单位出具的校准证书仅说明设备测值与标准值之间存在差别，而差值的大小和产生差值的原因需要设备送检单位根据实际情况自行考量。检定校准为判断和改善实际获取的声速剖面数据质量提供了外部参照，但相对于外业实际应用来说还不够全面，难以衡量现场声速剖面资料的误差状况，所以外业测量中进行多源设备比测，是声速剖面设备自检和数据质量检查的有效手段。

以AML声速剖面仪为例，设备价格在8万左右，而每年的返厂校准服务大概需要1.5万元，用时约2个月。每年的计量检定校准服务以样本A为例，完成8组测试数据点需要0.5万元左右。这些检定校准成本相对较高，需要用户仔细考虑合适的检定和校准方式。

⒉声速剖面的质量控制

在远洋科考调查中一般会要求调查设备双备份，以避免设备故障导致航次无法顺利开展，其中也包括多台声速剖面仪。声速剖面仪虽然取得了检定校准证书，但在正式调查开始前应进行声速剖面仪的自检和比对，完成声速剖面的质量控制，从源头提升多波束地形测量数据的成果质量。

设备的比对即是在同一位置对不同声速仪同步获取的声速剖面数据进行比对检验。获取多源设备的比测数据后，通过检查数据质量、分析原因，明确设备测量值的数据偏差及改正系数，从而获得可信度较高的声速剖面数据，为航次中声速剖面的数据质量控制和处理打好基础。

大洋垂向水体结构根据声速剖面曲线变化基本分为4层，即混合层、温跃层、渐变层和深海等温层。海洋上层水体中混合层和温跃层，层厚自海面至水深400～500m位置，温盐要素变化明显，不同时刻声速值变化较大，不利于水体要素数据比对分析。渐变层和深海等温层中温、盐要素变化较为稳定，短期内不存在剧烈变化，获取的数据在海水基本要素方面具有可比性。

大洋声速剖面采集往往需要达到深水等温层，即超过2000m，甚至达到全海深，可以充分利用渐变层和深海等温层基本要素相对稳定的特性进行比较，实现声速比对的目的。海水温盐要素背景数据可使用国际Argo数据网站资料(https://floAts.Pmel.noAA.gov)，Argo自动剖面浮标经过相关组织数据质量控制程序，获取的水体温度、盐度、静压力、声速等要素数据较为准确，可以此作为海区温盐背景场资料，评估声速剖面样本数据的准确性。

⒊直接测量与间接测量的精度问题

根据AML等设备厂商的分析，间接测量方式，通过水体经验公式计算得到的声速值，会受到温度、盐度和压力传感器的累积误差影响，综合精度约为0.25m/s。而采用飞行时间原理的直接测量精度约为0.05m/s。理论上直接测量的精度更高，并且深水多波束测量设备一般配套的声速剖面仪也均为直接测量声速值的自容式设备。

返厂校准时厂家所进行的校准，也是用间接测量方式，不过使用的是纯水经验公式[16]计算得到的声速值，综合精度为0.02m/s。校准箱内的通过一定措施来控制热流循环，使得水温均匀，温度和声速传感头的温度也要相同，超纯水要求总溶解固体必须低于10ppm，温度测量精度在0.002℃以内。

据AML网站关于声速校准的说明，采用飞行时间原理的声速剖面仪校准时需要考虑3个因素：声速基准、时间测量和距离测量。回顾在外业中样本A和样本B所出现的数据问题，我们很难评估数据偏离的具体原因。

从某种程度上说，外业测量中声速剖面的精度0.25m/s也是我们乐意接受的程度，所以无论是温盐深仪还是直接测量的声速剖面仪，能否给出可信度高的测量数据才是关键问题。同时具有温盐深和声速探头的测量设备更具有实际意义，通过经验公式可以方便地进行比对和验证。

五、结束语

通过以上数据的对比分析、改正过程，修正不同声速剖面仪测值系统误差的方法，可以将多个声速剖面数据按照海区温盐特征进行针对性改正，从而获得较为准确的声速剖面。此次数据校验结果表明：测试使用的声速剖面仪虽已检定，但声速传感器的误差大小和影响量级，还需要在外业实测中通过比对来确定。明确不同声速仪之间互差互校关系，对声速剖面数据采集进行质量控制和修正，从数据源头把控声速剖面数据的准确性。

目前我国在开展深远海调查中使用的深水多波束系统，均要求数据采集前导入水体声速，一旦应用了误差较大的声速剖面数据，就会造成地形数据精度降低，增加多波束数据后处理的难度，所以声速剖面数据质量控制必须做到前、做到位。文中描述的声速剖面准确性控制方法使用简单方便，但在外业应用中还需要注意以下情况：

⑴声速剖面数据需要涵盖深水等温层，这源于上层水体中混合层和温跃层的温盐要素变化较大，不利于数据比较；

⑵深水声速剖面建议采用加载有温度、盐度(电导率)传感器的设备，采集的水体要素数据相对丰富，有利于分析对比；

⑶通过质量控制方法确认校正数值较大时，说明传感器内部某些参数存在漂移或者变化，需要设备返厂重新修订传感器。若声速剖面数据存在难以校正的情况，则很可能是传感器故障，需要及时更换，然后重新进行数据准确性评估。

【作者简介】文/刘强 汤民强 杨卫东 吴坤富，分别来自国家海洋局南海调查技术中心和自然资源部海洋环境探测技术与应用重点实验室。第一作者刘强，男，1980年出生，河北沧州人，工程师，硕士，主要从事海洋地形地貌与地球物理研究。
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