聲學多普勒ADCP海上測試及誤差來源分析

汪連賀

摘要：本文主要介紹流速流向數(shù)據(jù)采集方式以及聲學多普勒流速剖面儀ADCP工作原理，介紹了對新購置的ADCP性能以及海上驗收情況，對采集數(shù)據(jù)的誤差和異常情況進行了分析，在此基礎上對ADCP的應用提出了指導性意見。

關鍵字：聲學多普勒ADCP 羅經(jīng)校準 走航測量 潮流觀測

0引言

從養(yǎng)殖捕撈、防災減災到能源開發(fā)，凡與海洋有關的事務均需海洋環(huán)境要素的觀測和相關的數(shù)據(jù)。海洋潮流流向、流速尤其是航道演變、維護改造、船舶航行安全的重要參考依據(jù)。潮流流速、流向傳統(tǒng)測量一般采用浮標觀測法，該方法就是在浮標漂浮在海面，海面以下2米左右連接以懸浮物，保證該物體隨海流漂移。在測量時，根據(jù)適當?shù)牧鞒堂扛粢欢螘r間測量出浮標的一個平均位置，測量完成后，在圖紙上標出測量點并按順序連接，根據(jù)測量點的時間和之間的距離計算出兩點間的平均速度，標注到圖上，即可得到流速流向圖。該測量方法測量精度低、勞動強度大，而且受到通視、天氣的影響，對于長距離的測量需要大量的人力和設備投入。ADCP（AcousticDoppler Current Profiler，聲學多普勒流速剖面儀），利用聲學多普勒原理，測量分層水介質散射信號的頻移信息，并利用矢量合成方法獲取海流垂直剖面水流速度，即水流的垂直剖面分布。對被測驗流場不產(chǎn)生任何擾動，也不存在機械慣性和機械磨損，能一次測得一個剖面上若干層流速的三維分量和絕對方向，是一種新型水聲測流儀器。

1聲學多普勒ADCP的工作原理

聲學多普勒流量計的測量原理是以物理學中的多普勒效應為基礎的。根據(jù)聲學多普勒效應，當聲源和觀察者之間有相對運動時，觀察者所感受到的聲頻率將不同于聲源所發(fā)出的頻率。這個因相對運動而產(chǎn)生的頻率變化與兩物體的相對速度成正比。

在超聲波多普勒流量測量方法中，超聲波發(fā)射器為一固定聲源，隨流體一起運動的固體顆粒起了與聲源有相對運動的“觀察者”的作用，當然它僅僅是把入射到固體顆粒上的超聲波反射回接收據(jù)。發(fā)射聲波與接收聲波之間的頻率差，就是由于流體中固體顆粒運動而產(chǎn)生的聲波多普勒頻移。由于這個頻率差正比于流體流速，所以測量頻差可以求得流速，進而可以得到流體的流量。因此，超聲波多普勒流量測量的一個必要的條件是：被測流體介質應是含有一定數(shù)量能反射聲波的固體粒子或氣泡等的兩相介質。這個工作條件實際上也是它的一大優(yōu)點，即這種流量測量方法適宜于對兩相流的測量，這是其它流量計難以解決的問題。因此，作為一種極有前途的兩相流測量方法和流量計，超聲波多普勒流量測量方法目前正日益得到應用。

流體中懸浮粒子運動速度與流體流速相同，均為u?，F(xiàn)以超聲波束在一顆固體粒子上的反射為例，導出聲波多普勒頻差與流速的關系式。當超聲波束在管軸線上遇到一粒固體顆粒，該粒子以速度u沿營軸線運動。對超聲波發(fā)射器而言，該粒子以u·cosa的速度離去，所以粒子收到的超聲波頻率f2應低于發(fā)射的超聲波頻率f1，降低的數(shù)值為（設A= ）

f2-f1=-A·f1

即粒子收到的超聲波頻率為

f2=f1-A·f1

式中f1為發(fā)射超聲波的頻率；

ɑ為超聲波束與管軸線夾角；

c為流體中聲速。

固體粒子又將超聲波束散射給接收器，由于它以u·cosa的速度離開接收器，所以接收器收到的超聲波頻率f3又一次降低，類似于f2的計算，f3可表示為

f3=f2-A·f2

將f2的表達式代入上式，可得：

f3=f1·2（1-A）

=f1·（1-2A2）

由于聲速c遠大于流體速度u，故上式中平方項可以略去，由此可得：

f3=f1（1-2A）

接收器收到的超聲波頻率與發(fā)射超聲波頻率之差，即多普勒頻移 f1，可由下式計算：

△f=f1-f3=f1-f1·（1-2）·A

=2f1·A

由上式可得流體速度為

u= ·△ f

2 聲學多普勒ADCP海上測試

2.1 設備簡介

為提高單位在潮流方面數(shù)據(jù)采集能力，更好的為港航部門提供相應的服務，在原有設備基礎上本單位再次購置了兩臺聲學多普勒ADCP數(shù)據(jù)采集設備（WHS—300和WHS—600），技術參數(shù)如表2-1。

2.2測試概述

為充分驗證設備的可用性，單位組織人員進行海上現(xiàn)場實際測試，根據(jù)質量管理部門的要求進行不少于12小時的數(shù)據(jù)采集。本次測試沒有使用海底靜態(tài)采集方式，全部采用走航式進行工作。走航式不需要進行設備投放和打撈，降低工作強度并保證設備安全，能夠及時發(fā)現(xiàn)采集中出現(xiàn)的問題。

（1）穩(wěn)定性試驗

在測試區(qū)域內選擇一個流速基本穩(wěn)定的水域，將兩套驗流儀相對固定在一起，連續(xù)開機2小時，采集流速數(shù)據(jù)，解算后，比對兩套驗流儀采集數(shù)據(jù)，求出相同時間、相同水層測量數(shù)據(jù)互差值。

（2）數(shù)據(jù)采集

2016年3月27日—28日在大沽燈塔附近進行數(shù)據(jù)采集（118-01-07.7，38-55-31.1），該處2016年磁偏角西偏6.1°，年變率3.8°。

WHS—300剖面儀安裝在海巡1505，采用外接光纖羅經(jīng)的方式進行采集；WHS—600剖面儀采用船舷安裝使用自身磁羅經(jīng)進行采集，在租用的木質漁船上測試，安裝支架采用不銹鋼2024多波束支架進行安裝。

2016年5月8日再次對ADCP進行了測試，數(shù)采方式與上次采集方式相同。因為船舶調動原因，本次測試只使用租用的木質漁船。WHS—300頻率ADCP需要外接光纖羅經(jīng)，為保證船舶坐標系的穩(wěn)定，該ADCP安裝在不銹鋼2024多波束支架，而WHS—600頻率ADCP直接使用單波束鐵質桿進行固定。endprint

對于使用內置磁羅經(jīng)的數(shù)據(jù)均進行了磁偏差改正，對于使用外接光纖羅經(jīng)的數(shù)據(jù)均進行數(shù)據(jù)校準。光纖羅經(jīng)校準就是在同一條測線往返采集20分鐘，使用WinADCP導出底跟蹤和光纖羅經(jīng)的數(shù)據(jù)分別求平均值，底跟蹤的值與光纖羅經(jīng)的差值就是校準值。

（3）處理結果

為更直觀的表示采集數(shù)據(jù)，以圖形方式顯示流速流向曲線，如圖2-2、2-3、2-4、2-5所示：

根據(jù)校準數(shù)據(jù)計算的到第一次光纖羅經(jīng)與ADCP之間的偏差值為8.7度（光纖羅經(jīng)角度—ADCP角度），第二次偏差值為3.8度，數(shù)據(jù)處理結果如表2-2所示。

3數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析：因為本次測試目的主要檢查設備是否正常工作，沒有按照規(guī)范進行連續(xù)三天的數(shù)據(jù)采集。

（1）第一次WHS—300外接光纖羅經(jīng)進行數(shù)據(jù)采集的結果數(shù)據(jù)變化比較大，根據(jù)流向曲線剔除異常后曲線能夠表現(xiàn)往復流的趨勢，但無法明顯判斷不同流向時的最大流速。

（2）第一次WHS—600頻率ADCP采集數(shù)據(jù)時使用內置光纖羅經(jīng)，能夠根據(jù)曲線和采集的數(shù)據(jù)計算流向和最大流速。

（3）第二次WHS—300頻率ADCP采用外接光纖羅經(jīng)進行數(shù)據(jù)采集，能夠根據(jù)曲線和采集的數(shù)據(jù)計算流向和最大流速。

（4）第二次WHS—600頻率ADCP采集數(shù)據(jù)時使用內置光纖羅經(jīng)，能夠根據(jù)曲線和采集的數(shù)據(jù)計算流向和最大流速

（5）對于結果1，經(jīng)咨詢廠家對于WHS—300頻率的ADCP采集數(shù)據(jù)分層時層厚最小為1米，但實際采集數(shù)據(jù)時層厚設置成了0.5米，導致數(shù)據(jù)變化異常，不能正確跟蹤流速流向變化。

（6）對于結果4，流向數(shù)據(jù)明顯與其它數(shù)據(jù)不同，經(jīng)分析后認為是此設備安裝方式存在問題，安裝使用了鐵制的單波束桿子，影響了內置磁羅經(jīng)數(shù)據(jù)精度。為驗證分析是否正確，在辦公室內首先驗證ADCP標定是否正確，經(jīng)檢查后綜合誤差為2.6度，滿足設備要求，把ADCP磁羅經(jīng)方向指向正北，并與手機指北針進行比對，表明設備沒有問題，數(shù)據(jù)顯示為-1度和1度之間變化，隨后把一鐵制垃圾桶靠近ADCP（如圖3-1），ADCP輸出之馬上發(fā)生變化，最大變化達到近20度，把垃圾桶拿開距離1米左右，數(shù)據(jù)輸出正常，可以證明此次數(shù)據(jù)錯誤是鐵磁影響（如圖3-2）。

4建議

（1）ADCP可以采用直讀式和自容式兩種方式進行工作，采用不同的軟件和不同的配置、采集；可以外接光纖羅經(jīng)和內置磁羅經(jīng)進行采集，如果存在鐵磁影響必需使用外接光纖羅經(jīng)避免船磁干擾。

（2）使用磁羅經(jīng)必須進行磁偏差校準；使用外置羅經(jīng)必須進行校準，校準值為（光纖羅經(jīng)航向—底跟蹤的航向），可以在數(shù)據(jù)采集之前進行校準，在沿著測線校準時調整光纖羅經(jīng)的角度使光纖羅經(jīng)和底跟蹤的角度一致。

（3）如果采用走航式測量必須開啟ADCP底跟蹤功能。

（4）根據(jù)具體設備技術指標對ADCP進行合理的參數(shù)設置。

（5）如果使用內置磁羅經(jīng)采集航向，不要使用鐵制安裝支架，可以使用不銹鋼、木質、橡膠等，ADCP需要固定安裝。

（6）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(jīng)無法滿足姿態(tài)補償?shù)男枰?，需外接高精度陀螺系統(tǒng)來進行觀測誤差修正。

5結束語

隨著對海洋探索需求的不斷增加，ADCP的應用也會越來越廣泛，本文只是針對本次設備測試發(fā)現(xiàn)的問題進行了總結。在實際工作中對ADCP數(shù)據(jù)采集效果的影響因素會很多，有時會帶有不確定性，這就要求使用設備技術人員不斷總結積累不斷提高。

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