双频回声测深仪在航道沙波研究中的应用

　　沙波的存在和移动,使航道水深产生频繁的变化。而水深是航道的生命,特别是对长江口这样要通过万吨级以上船舶的航道而言,其水深的监测、疏竣和维护显得至关重要。应用双频回声测深仪能及时有效地观测到沙波的存在和运动,也是探测航道沙波的最直接有效的手段,从而为航道的维护保养提供依据。

1　回声测深仪的基本工作原理

利用声波能在水下传播原理来测量水深,大约是200年前的事。回声测深的主要依据是:(1)声波传播速度在水中的传播速度近似于定值(一般海水中的声速取1500m/s);(2)声波接近于直线传播并遇到物体能反射;(3)测量声波从发射到反射所经历的极短时间的技术已解决。回声测深最终利用无线电技术来完成(见图1)。由图1可看出,回声测学仪有一个发射装置和接收装置,发射装置发射一个声脉冲的同时,计时器开始工作,接收装置接收到由海底反射回来的声脉冲时,计时器停止计时,这时水深可由下式得到:

D = C·(t1+ t2)/2(1)

式中:C为声波在海水中的传播速度;D为深度;t1为发射波到达海底时间;t2为声波反射到海面时间。当t1=t2=t时,D = C·t (2)

　　实际上t1是不等于t2的,这是因为在接收装置接收到反射回来的声脉冲时,电子线路一般都有延迟的现象,称为“滞后”现象。如果延迟时间为Δt,声脉冲由海底反射到接收装置所需的实际时间为t2+Δt,这样

D= C·(t1+ t2+Δt)/2= C·t+ C·Δt/2(3)

　　由式(3)可见,回声测深仪的测量误差是由Δt引起的,因此一般回声测深仪都有一个校正值,有的测深仪在线路上设计自动扣除Δt。除了Δt引起测量误差外,不同海区的海水密度和温度都会影响声波在海水中的传播速度,因此,不同的海区,其C值也不同。

2　双频回声测深仪在底沙运动研究中的应用

对于长江口而言,悬沙特征和输移规律的研究已取得丰硕成果;相比之下,因过去测量技术落后等方面的原因对底沙运动的了解还不够深入。利用先进的、高分辨率的回声测深仪,来发现沙波群、揭示其形态特征,对底沙运动的研究取得突破性的进展成为可能。沙波的第一手资料源于双频回声测深仪记录。为了解长江口主要的分汊河道南港的底沙情况,我们于1997年7月29日,用美国进口的449型双频回声测深仪对该地区进行了走航测量,将该仪器的声纳探头安装于船的一侧,入水面1.0m,使船匀速前进(尽量控制在5kt以下)。其测量路线见图2。

为了便于室内的计算和分析,观测时每隔3分钟在转动的记录纸带上做一次标记,同时从GPS定位仪显示屏上读记经纬度。所用双频回声测深仪的分辨率为0.1m,GPS定位仪精度为千分之一“分”(即平面定位误差小于2m)。沙波的测量记录见图3。