船载ADCP测量误差的因素分析和校正方法

第24卷第4期2006年10月

海洋科学进展

ADVANCES IN MARINE SCIENCE

Vol.24No.4

Oct.,2006

船载ADCP测量误差的因素分析和校正方法*刁新源1,2,于非1,2,葛人峰1,2,郭景松1,2,张志欣1,2

(1.国家海洋局第一海洋研究所,山东青岛266061;

2.海洋环境科学和数值模拟国家海洋局重点实验室,山东青岛266061)

摘要:系统归纳和分析了引起船载ADCP测量误差的主要因素和校正方法。结合实际经验对ADCP资料后处理中的难点问题提出了解决方案,并且取得了良好的结果。

关键词:ADCP;误差分析;数据处理

中图分类号:P716文献标识码:A文章编号:167126647(2006)0420552209

ADCP(Acoustic Doppler Curr ent Profiler)作为一种海流观测仪器,自从20世纪70年代出现以来得到了广泛的应用。许多国际性大型海洋调查研究项目如T OGA,WOCE,WEPOCS等都使用ADCP作为海流观测仪器。众所周知,ADCP是一种声学测量仪器,早期采用窄带技术的ADCP使用声学多普勒原理进行水流流速的测量。所谓声学多普勒原理是指,当被观测物体相对于声源有径向位移的时候,造成的观测到的声源特性发生改变的现象,即:

f d=f s(V/C)(1)式中,f d是多普勒漂移频率;f s是物体静止时的声波频率;V是物体相对于声源的径向速度;C是声速。通

过对f d和f s的测量就可以计算出水流的速度。近些年来采用宽带技术的ADCP则是依靠测量声波的时间延迟而不是频率的变化来计算水流的流速。

在ADCP的使用过程中,针对其测量原理和观测误差,前人已经做过了大量的研究,如Terrence(1989)提出了ADCP换能器安装偏角的计算方法[1];N ew(1992)分析了影响ADCP数据质量的几个因素[2];蒋松年(1992)进行了A DCP的观测及资料处理的讨论[3];吴中鼎(2004)阐述了关于ADCP资料处理中船速的计算[4],等等。可以看出,这些研究的目的都是为了减小ADCP的观测误差,从而得到尽量真实的流场。本文试图综合前人的研究,加上近年国内积累的一些经验,以调查数据为例分析了船载ADCP测量误差的因素,进而提出校正方法以及后期资料处理的一些关键问题的解决办法,并给出船载A DCP在使用过程中一些需要注意的问题和推荐的参数设置。

本文中使用的ADCP资料来自2005年夏季在舟山外海的一次调查。调查中采用RDI公司的宽带300 kH z的船载ADCP进行全航程海流测量,使用WM2Das软件进行数据采集,设置的层厚为1m,层数100层,盲区深度3m,发射时间间隔为2s,平均时间为300s。调查海区水深小于100m,全部数据均带有底跟踪信号。海上调查走航航迹如图1所示,共2400个记录。

1ADCP测量误差的因素和校正方法

ADCP这种新型仪器的出现给海流的测量带来了极大的便利,由于它的结构、原理以及使用环境等原

*收稿日期:2006203231

基金项目:国家重点基础研究发展规划项目)))中国东部陆架边缘海海洋物理环境演变及其环境效应(2005CB422302)

作者简介:刁新源(19792),男,山东青岛人,硕士研究生,主要从事环境海洋学研究。

(武建平编辑)

图1 2005年ADCP 测线航迹图F ig.1 Ship's tracks of ADCP survey in 2005

因,其测量结果的误差较大,因而尽可能的消除误差,是ADCP 资料后处理的关键。本文将从引起误差的因素入手,对测量误差进行分析并提出解决办法。

引起船载ADCP 测量的误差诸因素可以分为两类:固定误差和随机误差。固定误差是指在使用船载ADCP 测量中,对ADCP 测量结果产生固定影响或者可以按照固定的算法进行校正的那部分误差,这种误差主要包括以下几个部分:换能器的物理排列引入的测量振幅的误差;ADCP 换能器的安装偏角引入的误差;罗经角度的偏差引入的误差;采用固定或者换能器位置的声速计算引入的误差以及地磁偏差。相对于固定误差,

船载ADCP 在使用过程当中由于本身的结构和使用环境会带来一些随机误差。这些误差主要包括ADCP 参数设置引起的误差:如设定的层厚、发射频率、数据平均的个数等;由于定位需要引入的GPS 带有的随机误差;罗经信号本身的随机误差以及环境场的扰动等。1.1 振幅误差和安装角度误差的校正

测量振幅误差是指ADCP 的测量流速的大小与实际流速的大小存在的一个统计意义上的误差,它一般是由于换能器的物理排列的非理想化或者实际海况引起的。在实际应用当中要对测量数据进行统计分析,计算出一个修正系数(一般为0.98~ 1.02)。

通常在进行ADCP 换能器安装时,为了使船只的纵、横摇对ADCP 产生的影响达到最小,要求ADCP 的波束1和波束3中心的连线要与船只龙骨重合,但在实际安装过程当中是难于严格做到的,一般情况下存在一个无法直接测量的安装偏角(1b 之内)。根据RDI 公司的实测显示,当船速在5m/s 的情况下,如果测量的坐标系偏差1b 就会造成10cm/s 的流速测量误差,在流速较弱的地区它对测量结果的影响较大。T er 2r ence(1989)[2]针对换能器安装偏角造成的测量误差提出的校正方法在实际应用当中得到了很好的证实,也是比较常用的一种方法。

假设(x,y)为大地坐标系,u w 和v w 分别是实际水流速度的东分量和北分量;u s 和v s 是船速的东分量和北分量;(x ',y ')是ADCP 换能器坐标系;u 'd 和v 'd 是A DCP 测量的流速在换能器坐标系中的东分量和北分量。由于ADCP 的换能器存在一个安装偏角,在此假设为A ,即A 为ADCP 换能器坐标系(x ',y ')与大地坐标系(x ,y)的夹角,振幅修正参数用B 来表示。得到实际流速为:

u w =u s +(1+B )(u 'd cos A -v 'd sin A )v w =v s +(1+B )(u 'd sin A +v 'd cos A )

(2)

在没有底跟踪的情况下,假设交叉的穿过同一段流体时记录的流速为多个记录平均流速加上一个小的脉动,则实际流速可由下式给出:

u w =+E u v w =+E v

(3)

式中,表示流速的平均;E 是脉动值。代入式(2)得到:

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