走航ADCP原理及誤差分析*

秦 偉,周 慶,李 靖,王力群

(中國衛(wèi)星海上測控部 江陰 214431)

走航ADCP原理及誤差分析*

秦 偉,周 慶,李 靖,王力群

(中國衛(wèi)星海上測控部 江陰 214431)

文章介紹了聲學多普勒流速剖面儀(ADCP)測流的基本原理,重點對船載ADCP測流誤差的主要來源和校正方法進行了分析。

走航ADCP;基本原理;誤差分析

1 引言

聲學多普勒流速剖面儀(Acoustic Doppler Current Profiler,即ADCP)是目前國際上測量多層海流剖面和河道流量的最有效快捷方法。20世紀70年代以來,其作為先進海洋觀測儀器,在大型海洋調查研究項目如TOGA、WOCE等中得到廣泛應用。近年來隨著技術的不斷進步,應用范圍已擴展到潮流分離、海洋資源勘探開采和海洋環(huán)境監(jiān)測等諸多領域,可以肯定其必將在海洋調查及相關科學研究中日益發(fā)揮重要作用。

走航ADCP測流具有分辨率高、多層觀測、操作簡單、相對成本低等特點,彌補了傳統(tǒng)測流儀器只有停船才能觀測的不足,縮短了測時,可采集整個垂線和斷面上的連續(xù)性數據,在國內外已得到大力普及[1],但由于歷經海域范圍大,氣象與海洋條件多樣,地理信息多變,另外受船速變化、船體傾斜與搖擺等影響,在數據誤差分析和質量控制過程中仍然存在一些問題,前人對此已做過大量研究。如夏華永等[2]利用珠江口走航ADCP觀測資料對ADCP自帶軟件VmDas流速處理結果的精度進行了分析,提出了對測流數據質量控制與誤差訂正的方法。陳守榮等[3]結合實例分析了ADCP外接設備對流量測驗精度的影響,提出對于鐵質測船可配置高精度GPS以提高精度。刁新源等[4]對船載ADCP流量測驗誤差的因素和校正方法進行了分析,并結合實際經驗對ADCP資料后處理中的難點問題提出了解決方案。黃雄飛等[5]從聲吶方程出發(fā),分析了ADCP載體的水平面等多種運動對測量精度的影響。余義德等[6]通過外接光纖陀螺,對運動平臺的姿態(tài)進行了修正,并建立了平臺晃動情況下的誤差修正模型,提高了ADCP測量精度。本研究結合實際工作經驗,在介紹了船載ADCP測流基本原理的基礎上,重點對其誤差的主要來源及校正進行了分析。

2 ADCP組成及工作原理

2.1 ADCP組成

ADCP硬件系統(tǒng)由換能器、甲板單元和數據采集與控制計算機三大部分組成 (圖1),軟件系統(tǒng)由儀器檢測軟件(BBTALK)、數據采集軟件(VMDAS)及數據處理軟件(Win ADCP)組成,其中(Uninterrupted Power Supply, UPS)為無間斷供電設備。換能器按甲板單元的指令發(fā)射、接收聲學信號,經連接電纜與甲板單元交換信息,聲學信號經甲板單元處理后傳輸給計算機。為防止海底推移質對船速測量精度的影響,外接差分GPS。羅經用以消除磁偏影響,在ADCP采用GPS跟蹤方式時進行流向校正。羅經信號由甲板采集,GPS信息由計算機采集,采集后的羅經和GPS信號與測流數據共同在計算機進行處理,并由計算機進行記錄和顯示。實際中由于自帶軟件對數據處理能力有限,常采用美國夏威夷大學開發(fā)的通用海洋數據存取系統(tǒng)(CODAS系統(tǒng))及自行編制程序或軟件進行數據的進一步處理。

圖1 設備組成及數據采集流程

2.2 ADCP工作原理

ADCP利用多普勒原理在航行中的船上遙測海流速度和方向。利用不斷發(fā)射聲脈沖以及將特定范圍內散射體的回波信號分成許多深度層 (深度單元),通過對逐層的分析計算,提供整個水柱的流速、流向剖面。其裝有4個聲換能器,都具有發(fā)射和接收功能。每個換能器的發(fā)射聲線與平臺底部夾角都為60°,與剖面儀軸線成30°投射角。換能器向水體發(fā)射聲脈沖,聲脈沖遇到水體中懸浮或隨水體運動的微粒后會產生反射聲波。

利用多普勒頻移 (發(fā)射聲波頻率與回波頻率之差)可計算出沿聲束坐標方向的水流相對于船的速度,之后再需轉化成地理坐標下的東向、北向和垂直分量三維流速[7]。船速主要通過底跟蹤或GPS跟蹤測定,對于淺水海域底跟蹤為首選,否則須采用GPS跟蹤定位測定船速,限于GPS定位精度,需要進行GPS誤差訂正和系統(tǒng)誤差的校正。最后用轉化后的流速減去船速即得水流的絕對速度。

多普勒頻移公式如下:

式中,Fd為多普勒頻移;Fo為換能器發(fā)射頻率;C為聲波在水體中的傳播速度;v為沿聲束方向水流速度。由于水流速度遠小于聲速,因此式(1)可簡化為

3 誤差分析

盡管ADCP設備性能穩(wěn)定,故障率降低,但船載ADCP在數據采集過程中,由于船處于不斷運動中,儀器本身的因素、使用環(huán)境以及參數設定等均會給所測海流數據帶來一定誤差。主要有測速誤差、盲區(qū)誤差、儀器安裝誤差、測深誤差、方位角測定誤差和時鐘誤差等,其中前4項為最主要誤差。

3.1 測速誤差

ADCP測得流速是海水相對于船體的速度,絕對流速應由測得的相對速度減去船速。正常觀測條件下,船速遠大于海水流速,因而船速如果不能精確算出,儀器的測流精度再高,資料也不可信。在淺水海域可采用底跟蹤測船速,精度可達1 cm/s,但是需滿足一定條件,如發(fā)射頻率150 k Hz的ADCP最大測量底跟蹤深度為350 m,38 k Hz實際中可達1 km。在大洋深海,海域深度常大于2 km,無法利用底跟蹤,只能利用衛(wèi)星導航系統(tǒng)確定船速,但精度較低,有時還會帶入一些噪音,如在西太平洋GPS衛(wèi)星數目少,缺少差分信號,覆蓋范圍及時間也受較大限制。

航向由羅經來確定,但由于羅經工作原理本身因素,會給實測羅經值帶來一定的隨機誤差,其誤差可由下式表示[2]:

Δ=0.123·S·cos C·sec L (3)

式中,Δ為航向誤差;S為航速;C為方位;L為緯度?？梢娋暥仍礁吆较驇淼恼`差越大。實踐中發(fā)現,船轉向和船速改變時往往會出現流速的異常值,這是因為ADCP的真實流速是將5 min內所測的流速值平均后再減此時用GPS濾波計算的船速值得到的。如果5 min內船速或船向變化太大,則GPS計算的船速誤差就大,影響真實流速的計算精度,因此船應盡量保持勻速運動,由于風流影響,船比較難維持直線運動,但要盡量保持船向不變,改變航向時轉向要緩慢。實際中,可利用3次平滑濾波器對采用參考GPS方法得到的流速進行平滑,以達到去除GPS和羅經以及船只運動引入的隨機誤差。

此外,船航行速度所引起的噪聲包括機械噪聲、水動力噪聲和螺旋槳噪聲等,速度越大噪聲越大,噪聲加大必然導致回波信號的信噪比降低,同時載體速度越大,在ADCP換能器表面處的流噪聲越大,一般認為,測流精度為船速的±0.2%±5 cm/s,船速越大,背景噪音越大,流速精度越差;但船速太小,船向又難以把握,且影響調查進度,不能在短時間內測量更大的范圍。因此船速必須加以控制,一般宜保持在8～12 kn。

3.2 測流盲區(qū)

由于ADCP換能器必須浸入水中一定深度,系統(tǒng)不能直接測出上層流速;而由于河底對聲速的干擾,在河底存在干擾區(qū),其流速數據亦不能應用,即存在上、下兩個盲區(qū)。因此,需按中層,表層和底層3部分分別計算流速。如果測流海域離岸較近,由于船不可能緊靠岸邊測流,所以對于近岸邊的流速ADCP亦不能精確測出。根據資料分析,流速垂線分布通常服從對數分布、指數分布或拋物線形分布,因此對于1～2 m的上盲區(qū)和約為15%水深的下盲區(qū)直接采用直線法誤差較大。對于靠近岸測流可利用比例內插法來計算,對于中層流速可直接取整層平均流速。

3.3 儀器安裝誤差

ADCP的安裝位置如果并非處于船的搖擺中心,且距搖擺中心距離較大,則即使搖擺角度不大,也會在ADCP表面引起較大的瞬時線速度和角速度,這種情況下,ADCP自身的姿態(tài)測量儀已經無法滿足姿態(tài)補償的需要,需外接高精度陀螺系統(tǒng)來進行觀測誤差修正[6]。船只縱橫搖傾斜角度較大時,不僅ADCP的回波信號質量差,回波信號所在的水深層面也不穩(wěn)定。田淳等[8]認為即使ADCP安裝在船的搖擺中心,在縱橫搖角度較小 (小于5°)的情況下,水平流速影響較小,對于垂直方向流速則很小的搖動對測流結果的影響都會很大。

為了減少船只搖擺對回波的影響,船載ADCP換能器在安裝時,一般要使Beam1和Beam3的中心連線與船只的龍骨重合,但是由于換能器的物理排列或者換能器安裝技術的非理想化,這兩條連線并不是完全重合的,而是存在一個安裝偏角。ADCP采集的數據轉換到地球坐標系和大地地平面坐標系時,安裝偏角相差1°就會給實際流速的計算引入2%的誤差,對于測量精度在厘米量級的流速來講影響較大。因此安裝偏角EA的計算和驗證是整個ADCP資料后處理過程中一個最關鍵的問題。實際中,常用底跟蹤方向與GPS羅經信號(NAV-Made good)的方向差值來表示EA,其值小于0.5°即換能器安裝準確[9]。

《走航多普勒流量測驗規(guī)范》對走航式ADCP外接GPS設備規(guī)定為:GPS天線宜安裝在聲學多普勒流速儀正上方平面位置1 m以內。由于ADCP測流系統(tǒng)中數據采集軟件沒有GPS天線位置改正設置,所以需要將GPS天線安裝在ADCP上方,否則在采用GPS測量船速的方式(GGA或VTG模式)時,因測船在施測時船首方向不一致時,就會導致ADCP軟件計算的船速有誤。朱進等[10]通過對測流數據分析發(fā)現直線運動和船首保持相對穩(wěn)定情況下,即使GPS天線不在探頭上方,測流數據較準確;若施測出現轉彎,在VTG模式下,船速則出現明顯錯誤,計算的流向準確,但流速大小錯誤。此外,受美國國防部所采取的人為精度退化政策(SA)的影響,給GPS船只定位也帶來一定誤差。

接入ADCP的電羅經,是利用陀螺儀的定軸性和進動性,結合地球自轉和重力知量,用控制設備和阻尼設備制成以提供真北基準的儀器,不受地球磁場和鋼質船體等鐵磁物質的影響。較理想的電羅經自身誤差通常小于1°,而船載電羅經通常有2°～3°誤差,使得船體方向與由GPS得到的船只行進方向之間存在較大的方向夾角,也會給ADCP測流數據帶來誤差。此外,接入羅經信號過程中ADCP甲板單元會自動與羅經電信號進行同步,以使ADCP的羅經值與實際羅經值一致。但在具體操作當中由于人為的原因或者羅經突然重新啟動,會造成ADCP甲板機顯示的羅經值與實際羅經值有一個偏差角度。如果這個偏差角度大于1°,則在資料的后處理過程中需根據值班記錄對其進行修正。

3.4 其他誤差

由于船載ADCP進行走航觀測時無法同時進行溫度或者聲速剖面的觀測,而只能采用不隨深度變化的固定聲速來進行計算,這就給ADCP帶來了測深誤差。深海中聲速隨深度呈現一種緩慢下降的趨勢,深層和表層的聲速差最大可以超過100 m/s。研究表明,水深在比較淺的時候聲速對深度的影響不是很大,但是當水深超過1 000 m時,由于聲速誤差造成的深度差值可能會達到60 m左右。其可以用RDI公司提供的如下計算公式來進行校正:

其中,Lcorrected為修正后深度,Luncorrected為修正前深度,Creal為真實聲速,CADCP為ADCP聲速。

實際中,儀器參數設置亦會對測流精度產生影響。ADCP使用過程中必須設置相應的測層個數、厚度和數據平均的個數等參數。如果層厚設置過小將因采樣樣本個數不夠而導致結果不正確,而層厚過大則丟失有用的數據。ADCP流速測驗標準差的計算公式為[2]

式中,Sv為測速標準差;f為ADCP頻率; d為每個測深單元厚度;p為每級信號的脈沖數。由式(4)可見,ADCP測速標準差與其頻率、單元厚度及測速歷時有關。一般的,前兩個因子影響幅度有限,而主要取決于p參數的設置。優(yōu)化p值可以根據測流海域進行多次試驗來確定最適值。

受走航ADCP安裝和拆卸條件的制約,其常年固定在船只底部,當ADCP啟動工作時,換能器不停地進行能量發(fā)射,對生物附著有一定的抑制作用。但若船舶長期處于船只停泊且走航ADCP停止工作狀態(tài),此時在ADCP換能器面上會出現嚴重的生物附著現象,會導致上層測量的盲區(qū)加大。一旦出現生物附著,其自身很難消除,可通過人為方式 (潛水員或者船只進塢消除)進行消除。

ADCP在測流過程中,還有很多因素如海況和外界磁場等也會給測流帶來誤差。惡劣海況時,船搖擺較大,目前設備只利用羅經來測定水平搖擺,而沒有測量沿船頭及船舷的上、下?lián)u擺。ADCP測流時要將波束坐標和儀器坐標轉換為地球坐標才能得到所需要的國際標準制流速成果,為此必須測量方位角,ADCP本身內置有羅經,如果存在外界磁場 (鐵船、發(fā)電機組),其羅經所測方位角就不準,從而導致流速、流向誤差,可通過外接羅經和GPS以減小誤差。另外,在航行的過程當中由于航程跨度過大還會引入地磁偏差,在數據采集過程中需注意及時填入當地磁偏差值,否則在資料后處理中很難將這個誤差削除掉。

此外,當水體中存在數量極少的氣泡時,會大大減小聲速而導致較大的聲速誤差,這同樣會引起流速測量誤差。為了現實操作方便和一致性,ADCP的海水溫度、鹽度參數值常采用儀器廠商的默認值(溫度:5℃,鹽度:35),事實上,不同海區(qū)海水溫度、鹽度變化很大,其引起的流速測量誤差亦可達1%[11]。

4 結束語

綜上所述,要提高ADCP測量精度,一要提高ADCP本身性能,科學設置儀器參數,嚴格按照操作規(guī)程管護儀器,做好各項記錄,以便在數據后處理時進行參考;二要提高定位精度,GPS和羅經得到的船位、航速、航向要盡量準確可靠。船載ADCP的使用和數據處理已比較完善,但由于誤差來源多,影響因素廣,在ADCP數據的后處理過程中對數據進行質量檢查和控制是十分必要的。

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國家自然科學基金資助項目(41275113);國家973研究項目(613202);江蘇省333高科技人才工程.