利用高斯濾波提高多普勒流速儀比測率定相關(guān)性的應(yīng)用實例

張照余,張任遠

(1.嘉興市水文站,浙江 嘉興 314000;2.嘉興市水利水電勘察設(shè)計研究院,浙江 嘉興 314000)

1 問題的提出

近年來杭嘉湖地區(qū)水文測驗引進了美國SonTek公司SL側(cè)視固定式聲學(xué)多普勒流速儀。2003年首次應(yīng)用于感潮河段的潮流量測驗,多普勒指標流速經(jīng)比測率定后,均可以直接用于資料整編,效果十分理想[2]。固定式多普勒流速儀可以連續(xù)不間斷測流,測次密,斷面流量精度明顯提高,而且減輕了流量測驗的勞動強度,設(shè)備優(yōu)勢明顯。之后,多普勒流速儀在感潮河段被廣泛應(yīng)用[3]。接著在清水河段測流斷面也安裝了多臺多普勒流速儀,但由于清水河段斷面流速較小、船行波干擾大,多普勒指標流速與流速儀法測驗的斷面平均流速比測率定,相關(guān)點子十分散亂,相關(guān)性很差。且存在流速有突跳現(xiàn)象,相鄰點流速變差大,計算的瞬時流量代表性差等問題,使整編成果難以達到理想效果。因此,清水河段多普勒流量資料一直沒能整編,阻礙了多普勒流速儀在清水河段中的應(yīng)用和推廣。

美國SonTek公司ViewArgonaut軟件中設(shè)計的高斯濾波器,解決了平原小流量受船行波干擾影響的問題,可以將受干擾較大的船行波在流速信號中通過高斯濾波器進行平滑均值濾波處理。

2 高斯濾波原理

高斯濾波是根據(jù)高斯函數(shù)的形狀來選擇權(quán)值的線性平滑濾波器。高斯平滑濾波器對去除服從正態(tài)分布的噪聲很有效,常用一維零均值離散高斯函數(shù) g(x)=e-x2/2σ2,式中:高斯濾波器參數(shù)σ決定了高斯函數(shù)的寬度,也決定著數(shù)據(jù)信號的平滑程度。濾波參數(shù)σ的大小,根據(jù)測站特性及船行波干擾影響程度而定,一般以流速平滑無突變?yōu)榧?。在流速信號?通過調(diào)節(jié)參數(shù)σ,可折衷由于船行波所引起的過多的不希望突變量 (欠平滑)。在實際應(yīng)用中,常用二維零均值離散高斯函數(shù)做平滑濾波器,函數(shù)表達式如下:

式中:i、j分別為水平方向和垂直方向的二維值。

高斯濾波實質(zhì)上是一種信號的濾波器,其用途是將多普勒的流速信號進行平滑處理。通俗地講,高斯濾波就是對整個流速數(shù)據(jù)進行加權(quán)平均的過程,每個流速信號像素點值,都由其本身和鄰域內(nèi)的其它像素值經(jīng)加權(quán)平均而得。

3 實例分析

以王江涇站為例。該站測驗斷面在蘇嘉運河上,斷面寬110 m,平均水深2.85 m,斷面平均流速在0.25 m/s以下。測驗斷面地處江浙交界,交通要道,船只過往頻繁,船行波干擾十分明顯。

安裝的多普勒流速儀型號:SonTek公司的 “Argonaut-SL”,系統(tǒng)工作頻率為1.5MHz,流速分辨率為0.1 cm/s。流速測驗設(shè)置為:脈動流速的平均值為60 s;流層起止點2～5 m;采樣間隔時間5 min,即5 min測驗1次流速數(shù)據(jù)。SL側(cè)視固定式多普勒流速儀所測流速為指標流速,將多普勒指標流速進行比測系數(shù)率定[4],即建立與斷面平均流速相關(guān)方程式。

取該站2009年6月25至7月9日多普勒測流較為完整連續(xù)的4 229組流速數(shù)據(jù)進行分析。對多普勒指標流速原始信號進行高斯濾波,根據(jù)王江涇站多普勒指標流速受干擾影響程度,取濾波器頻帶寬σ為15,基本消除干擾。

多普勒測驗的指標流速原始數(shù)據(jù)和經(jīng)過高斯濾波后的濾波數(shù)據(jù)點繪過程線見圖1。

圖1 王江涇站2009年6月25日至7月9日多普勒指標流速過程圖

6月28日多普勒指標流速過程見圖2。

圖2 王江涇站2009年6月28日多普勒指標流速過程圖

經(jīng)高斯濾波后的多普勒指標流速基本按原始指標流速數(shù)據(jù)均值處理,流速呈緩變狀態(tài)。

王江涇站斷面平均流速測驗是利用橋孔斷面,采用流速儀法5條垂線2點法[5]布置施測。每天08:00、16:00左右各施測1次。6月25日至7月9日實測斷面流量30次?，F(xiàn)將濾波后的多普勒指標流速與流速儀法測驗的斷面平均流速建立相關(guān)關(guān)系,進行指標系數(shù)率定。

多普勒指標流速是根據(jù)流速儀法測驗的起始時間的平均流速摘錄。取流速儀法實測斷面平均流速,同步時間高斯濾波后的多普勒指標流速見表1。

表1 王江涇站多普勒指標流速與流速儀法斷面平均流速同步資料表

續(xù)表1

圖3 多普勒指標流速與流速儀法斷面平均流速相關(guān)線圖

二者建立相關(guān)關(guān)系,相關(guān)線及相關(guān)方程式見圖3。

流速儀法實測的30個流速點,相關(guān)系數(shù) R2達0.88,相關(guān)性顯著。現(xiàn)將流速儀法實測斷面流量與多普勒測流計算的斷面流量進行分析比較,并按SL 247—1999《水文資料整編規(guī)范》[6]要求進行相關(guān)線3種檢驗和系統(tǒng)誤差評定,即符號檢驗、適線檢驗和偏離數(shù)值檢驗,分析成果見表2。

表2 相關(guān)線3種檢驗及系統(tǒng)誤差評定表

結(jié)果表明,相關(guān)線通過3種檢驗,無系統(tǒng)誤差。采用多普勒流速進行資料整編符合規(guī)范要求。

4 結(jié) 語

利用高斯濾波器進行流速信號濾波后,多普勒指標流速基本消除了受船行波的干擾,斷面流速呈緩變的、有較小脈動影響的過程,基本反映了斷面水流的實際情況。多普勒指標流速經(jīng)過比測率定,流速資料能滿足SL 247—1999《水文資料整編規(guī)范》的精度要求。多普勒流速在清水河段也能實現(xiàn)流量在線監(jiān)測,及時掌握和了解流量的動態(tài)變化,為水資源配置、水環(huán)境保護和防汛抗旱提供實時流量信息,值得推廣和應(yīng)用。

[1]王耀貴.圖像高斯平滑濾波分析 [J].計算機與信息技術(shù):經(jīng)驗與交流,1994—2009:79-81.

[2]張照余.聲學(xué)多普勒測流儀在平原感潮河段測驗中的穩(wěn)定性驗證 [J].浙江水利科技,2006(6):47-49.

[3]張照余.ADCP在嘉興市水文測驗中的應(yīng)用 [J].水利與經(jīng)濟,2006(3):20-22.

[4]中華人民共和國水利部.SL 337—2006聲學(xué)多普勒流量測驗規(guī)范 [S].北京:中國水利水電出版社,2006.

[5]中華人民共和國水利部.SL 195—97水文巡測規(guī)范 [S].北京:中國水利水電出版社,1997.

[6]中華人民共和國水利部.SL 247—1999水文資料整編規(guī)范 [S].北京:中國水利水電出版社,2000.