声速改正声线跟踪

5.3.1　声速改正/声线跟踪

水深数据处理首先需要进行的是声速改正，即获得正确的声线传播轨迹以及波束在海底投射点的位置。因此，声线跟踪不但是一个声速改正过程，也是波束海底投射点在船体坐标系下坐标的归位计算过程。

1.单波束声速改正

对于单波束而言，波束垂直入射，声线不存在弯曲折射，但声速的不准确会给深度计算带来偏差。

式中，输入声速为C_m，测量水深为H_S，实际声速为C₀。

2.多波束声线跟踪

对于多波束而言，一次测量(ping)的扇面内波束除中央波束是垂直入射(入射角θ为0)外，其他波束的入射角均不等于0。根据Snell法则，波束在传播过程中存在折射现象，需要借助声速剖面，采用层追加思想，通过声线跟踪，获得每个波束在载体坐标系下的坐标。

声线跟踪采用基于层内常声速下(声速梯度g= 0)的声线跟踪方法和基于层内常梯度下(g=常数)的声线跟踪方法，这两种方法的原理在第4章中已经介绍，下面介绍这种基于层追加思想的声线跟踪方法的实现过程。

式中，z为深度，C为声速。

声线跟踪法在每层计算中需要知道层厚度，而层厚度之和即深度正是声线跟踪需要确定的参量，为了解决这一矛盾，下面根据层内声线跟踪的特点，给出其计算过程。

声速在层内以常速或常梯度变化两种假设情况下(简称常声速-声线跟踪法和常梯度-声线跟踪法)的声线跟踪思想基本一致，即只要知道各层的深度，便可获得层内波束传播的水平位移和时间。声线跟踪建立在声速剖面的基础上，这样，声速剖面测量时的深度采样间隔便成了声线跟踪中的层厚度参数。严格意义上讲，若声速剖面采样站分布均匀且被准确测量，采用常梯度-声线跟踪法确定的波束投射点位置应该十分准确，但由于声速剖面采样站的布设密度不可能非常大，加之海底地形变化的多样性和复杂性，实际测量深度同声速剖面的最大采样深度或多或少存在着差异，考虑声速剖面采样站的作用范围和海底地形变化的平缓性，用声速剖面最大深度采样点处的声速变化规律或根据声速经验公式，计算差异深度范围内的波束水平位移和深度，其计算误差非常小。

根据如上分析，下面给出声线跟踪过程:

(1)根据声速剖面(或声速经验公式)获得声速函数C(z)。

(2)从换能器表面开始追加水层，计算波束在各层中的传播时间t_i和在船体坐标系下的水平位移量y_i。

(3)累加各层传播时间t_i，同实测时间T比较，并判断是否完成追踪。

若为波束在海底投射点的深度和水平位移。

若，则需追加水层Δz'和水平位移Δy'，重复判断，直至= T。

若，不再追加水层，而需根据计算多追加部分的水层厚度Δz'和水平位移Δy'，重复判断，直至= T。

下面给出多追加水层和少追加水层情况下的深度计算方法。

(1)多追加水层的情况

在借助声速剖面实现声线追踪过程中，若追踪时间大于实际观测时间T，即，表明声线跟踪存在冗余，多追加了水层。需将多追加的水层扣除掉，直至满足条件= T。

多追加水层的厚度Δz'和声线在该层的水平位移Δy'可通过下式确定。

式中，C_N、θ_N为声速剖面最后一层的声速和入射角。

上式适用于深水测量的情况，因为当测量深度很深时，多追加部分基本位于深海等温层，利用最后一层的声线参数计算多追加部分，其计算精度完全可以满足要求。多追加部分的严密计算模型应该考虑声速在该部分的变化特征，因此，引入声速函数，采用分层计算思想，可获得高精度的计算结果。

多追加部分的厚度Δz'和水平位移Δy'获得后，实际深度z和水平位移y为:

(2)少追加水层的情况

若追踪时间小于实际观测时间T，即，表明声线跟踪不彻底，需要继续追加水层，直至满足条件= T。

需追加部分的厚度Δz'和水平位移Δy'可通过下式获得。

式中，C_N、θ_N为声速剖面最后一层的声速和入射角。

则波束海底投射点的实际深度z和水平位移y为: