收稿日期:2004203231;修回日期:2004207216作者简介:吴中鼎(19612),男,浙江嘉兴人,高级工程师,主要从事物理海洋学研究。
ADCP 资料处理中的船速计算吴中鼎1,梁广建2,李占桥1,陈 淼1(11海军海洋测绘研究所,天津 300061;2192488部队,广东湛江 524064) 摘要:船载ADCP 具有走航测流的特点,弥补了传统测流仪器只有停船才能观测的不足。
它可以同时观测多层海流数据,获取连续性资料。
ADCP 测得流速是海水相对于船体的速度,在正常观测条件下,船速远大于海水流速,因而船速计算是ADCP 资料处理的关键。
本文对不同的船速计算方法进行了比较,对使用参考层法计算船速的原理、特点和效果进行了论述。
关键词:测流;声学多普勒海流剖面仪;资料处理;船速中图分类号:P714 文献标识码:B 文章编号:167123044(2004)05200132031 引 言111 ADCP 的工作原理ADCP (acoustic doppler current profilers )全称声学多普勒海流剖面仪,它的工作原理是,安装在船底的换能器以一定的频率发射声波,海水中微粒会将部分声波反射回来,由于水体的运动,反射的声波会发生频率上的变化,由此可以计算出海水流速。
为准确定位,船载式ADCP 必须配有罗经和G PS 定位仪,罗经可接船上的电罗经信号,仪器内部也可带有罗经。
112 问题的提出测流仪器的观测精度除与仪器精度有关外,还与测量平台的状态密切相关,由于ADCP 观测到的是海水相对于船体的速度,如果测量平台的移动速度不能精确算出,仪器的测流精度再高,资料也是不可信的。
一般的船速计算方法有以下三种:(1)根据底跟踪来测船速,它与ADCP 测流原理一样,也是通过声波遇到海底后反射回来的多普勒频移来计算海底与仪器间的速度即为船速;(2)由G PS 定位仪测量的经纬度位置经滤波后计算船速;(3)由G PS 定位仪测得的船速。
用底跟踪测量船速是ADCP 仪器的一个显著特点,也是这种仪器比其他测流仪器优越的技术措施之一,它测的船速精度达到1cm/s 。
在实际运用中,经过比较发现用底跟踪观测的船速数据最好,与之相比第(2)种与第(3)种方法的观测效果明显较差。
但是,用底跟踪测船速要有一定的条件,如发射频率150kH z 的ADCP 最大测量底跟踪深度为350m ,38kH z 为2km (这是理论值,实际只达到1km 左右),而我们实际海洋调查中,海域深度可能达到2km 以上,无法利用底跟踪。
同时由于远离大陆,也不能利用差分G PS 来提高计算船速的精度,这样大大降低了实际海流调查中的数据精度。
本文根据几年来的海洋调查经验,对大量资料进行计算并通过现场试验总结出了解决方案。
2 解决方案211 船状态的控制从资料的图形来看,在船转向与船速改变时往往会出现流速的异常值,这是因为ADCP 的真实流速值是将5min 内所测的流速值平均后再减此时用G PS 滤波计算的船速值得到的。
如果5min 内船速或船向变化太大,则G PS 计算的船速误差就大,影响了真实流速的计算精度。
因此在操船时应尽量保持船的匀速运动,由于海流与风的影响,船比较难维持直线运动,但要尽量保持船向不变,在修正航向时转向要缓慢。
另外,ADCP 的测流精度还与船速有关,为船速的±012%±5cm/s ,船速越大,背景噪音越大,流速精度越差;但船速太小,船向又难把握,且影响调查进度,不能在短时间内测量更大的范围。
因此,船速保持在8～12kn ,测流的效果最好。
212 船速的修正计算—参考层法船在运动过程中,由于风、浪等环境因素和操纵船只的人为因素的影响,会造成调查船速度随机性第24卷第5期2004年9月海 洋 测 绘HY DROGRAPHIC SURVEYING AND CHARTINGVol 124,No 15Sep 1,2004的突然变化,虽然这些变化值很小,只有10～100cm/s的量级,但对于流速来说是相当大的,这些噪音在测量时被仪器认为是流速,而在G PS滤波计算船速时被保留在流速数据里。
因此,对G PS数据滤波处理只能滤掉G PS测量时的噪音,提高船速平均值的计算精度,但海流的计算不但要精度高的船速平均值,还必须明确船速的微小变化,进而将其剔除,以得到真实的海流数据。
但如何才能保留船速的微小变化呢?利用参考层滤波法就能实现。
它的依据是:海流的变化是平缓且连续的,对海流数据进行滤波能反映它的趋势同时剔除其中的随机噪音。
用滤波后的流速值与实测流速值来回算船速,即可得到保留了环境因素和人为因素噪音的船速,进而利用其与实测流速即可算出真实流速。
(1)第一次计算流速:用ADCP测得的流速值与G PS计算的船速值相减得到各层流速值,此时的流速值包含着船态不稳造成的异常值;(2)参考层选取:从计算的真实流速中选取流速比较稳定、完好率高的层次作为参考层,可以是一层,也可以是多层,选取多层作为参考层效果更好一些,但一定要确保流速数据平稳;(3)参考层滤波:对选取的参考层在空间上平均,然后以时间系列滤波。
这里我们建议用三阶平滑滤波器,这种滤波方法类似潮流滤波器,是一种常用的流速滤波器。
滤波公式:若1h内有m个观测值,若m为奇数,可用3m个数据x1,x2,111,x3m作三次平滑。
设第一次平滑的结果为Z K,则有:Z K=1m+1∑mn=0X n+K(K=1,2,…,2m) 设Y L为对m+1个Z K值进行平滑的结果,可将它写成:Y L=1m+1∑mK=0Z K+L(L=1,2,…,m) 最后对Y L作类似平滑,可得三级平滑低通滤波的结果X0:X0=1m∑mL=1Y L 同理,若1h内取样的个数m为偶数时,完成这样一个滤波要3m-1个数据,计算方法与奇数时的过程相似。
先算Z K:Z k=1m∑m-1n=0X n+K(K=1,2,…,2m) 然后计算Y L:Y L=1m∑m-1K=0Z K+L(L=1,2,…,m+1) 最后再对Y L作平滑,可得m为偶数时的三级平滑低通滤波值X0:X0=1m+1∑m+1L=1Y L (4)计算船速:用滤波后的流速值与用ADCP测的流速值通过矢量算法算出船速;(5)再次计算流速:用ADCP测得的流速值与上步方法算出的船速值矢量合成真实流速。
3 几种处理方法的比较图1、图2是用底跟踪计算船速、G PS计算船速、参考层滤波法船速来计算真实流速值的比较。
图中曲线为流速的东西分量(正为东分量)与南北分量(正为北分量),横坐标为时间,纵坐标为流速值,范围分别为±150cm/s和±100cm/s。
在实际测量中,用底跟踪计算的船速是最为精确的,因而我们选用一段有底跟踪的数据来比较,并以用底跟踪计算的船速值为标准来衡量其它方法的计算结果。
从图中可以看出用G PS计算的船速值来计算流速值尖锋值较多,这多是船体由于随机因素引起的小摆动造成的,而用参考层方法来处理的船速计算出来的流速值与用底跟踪处理出来的结果较一致,曲线较光滑,可见船速噪音已基本被处理掉。
4 结 论用参考层方法处理的结果与用底跟踪值处理的结果基本接近,用这种方法能弥补深海无法进行底跟踪值时的不足,基本上能够达到与用底跟踪计算船速一样的效果,大大提高了ADCP资料的处理中海流计算的精度。
同时,使用这种方法同样要进行以下的质量控制。
(1)时间系统校正:使ADCP系统时间与G PS系统时间一致;(2)速度的质量控制:根据流场的变化规律及误差速度值,判别流速在水平方向变化梯度正确与否;(3)良好率的质量控制:根据资料采集质量情况,删除良好率低的资料(一般是良好率小于50%的资料);(4)回波强度质量控制:根据回波强度信号,删除二次回波信号(软件中当异常值来处理);(5)视情处理船在非正常航行时所测的资料,如船急转弯、急加速、船速大于临界速度等情况;41海 洋 测 绘第24卷图1 用三种方法计算流速值的比较(一)图2 用三种方法计算流速值的比较(二) (6)对规律性差、有疑问的资料,查看值班日志及调查海区的有关资料,视情处理。
目前流速仪器的精度已不断提高,有的已达到了毫米级,但是在测量中如果船速的测量精度不提高,同样得不到高精度的流速资料,仪器的高精度性能得不到应用。
对此,在使用ADCP 测流时尽可能配备高精度的G PS 定位仪器,还应对观测资料的处理工作给予充分的重视。
参考文献:[1] 陈上及,马继瑞1海洋数据处理分析方法及其应用[M ]1北京:海洋出版社,19911[2] 方欣华,吴 巍1海洋随机资料分析[M ]1青岛:青岛海洋大学出版社,20021(下转第19页)51第5期吴中鼎,等 ADCP 资料处理中的船速计算表1转台标定前后数据对比表方位零位俯仰零位横滚零位转台与阵列中心距(mm)设计值0°00′00″100°00′00″100°00′00″10280001000修正前标定值3°20′58″18-0°30′47″124°04′31″17280121646修正后标定值0°00′05″14-0°00′18″110°00′05″14差 值5″14-18″115″14121646注:①方位右偏为正、左偏为负;俯仰上偏为正、下偏为负;横滚左低右高为正、左高右低为负。
②精度完全满足标称值(≤20″)参考文献:[1] 李广云,倪 涵1工业测量系统[M]1北京:解放军出版社,19941[2] 李广云1工业测量系统进展[M]1北京:解放军出版社,20001The Discusses About the Benchmark Test Method of Radar Emulator Turning Platform and the Layout of Antenna Array In Microwave DarkroomGUO Fu2sheng,ZHANG Sheng2feng,MA Guo2yuan(63883Troops,Luoyang,Henan,471000) Abstract:This paper discusses the method of establishment of theodolite and total station three2dimensional aptitude measure system in darkroom aiming at the particularity of radar emulator turning platform and the layout of antenna array in microwave darkroom.Adopting non2contact measure mode and the geometry fitting data processing system to settle zero marks of turning platform and the mensuration and recension of various error,this method has been tried out by the graduate school and obtain a good effect,which has good direction effect in analogous industry measure engineering.K ey words:engineering measure;microwave darkroom;emulator turning platform;benchmark test(上接第15页)Vessel Velocity Computing in ADCP Data ProcessingWU Zhong2ding1,LIANG Guang2jian2,LI Zhan2qiao1,CHEN Miao1(11Naval Institute of Hydrographic Surveying and Charting,Tianjin,300061;2192488Troops,Zhanjiang,Guangdong,524064) Abstract:The vessel2mounted ADCP can measure speed and direction of water currents form a moving vessel instead of the measure method of the traditional instruments that must do form the stopping vessel1ADCP can scale multi2layer water at the same time and obtain current data continuously1The current velocity that ADCP measured relatives to the vessel velocity,and the vessel velocity is much faster than current velocity in normal measure condition, so computing the vessel velocity is the most important key in ADCP data processing1In this paper we compare the different methods of velocity computing in ADCP data processing and discuss the principle,characteristic and result of method using reference layer to comput vessel velocity1K ey words:current measurement;ADCP;data processing;vessel velocity 91第5期郭福生,等 微波暗室雷达仿真转台与阵列基准测试方法探讨。