ADCP數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法研究

郭冉 韓禮波

（第七一五研究所，杭州，310023）

ADCP是一種利用聲學(xué)多普勒原理進(jìn)行工作的聲吶設(shè)備，主要用于海水流速和流向的測(cè)量，同時(shí)也可測(cè)量載體的對(duì)地速度[1]。該儀器的工作原理是利用水聲換能器發(fā)射特定頻率的聲脈沖信號(hào)，接收海底反射或海水散射體反射的回波信號(hào)，通過分析波束回波信號(hào)的多普勒信息，得到海底和海水相對(duì)儀器的運(yùn)動(dòng)速度和方向，以及儀器距離海底的深度[2，3]。實(shí)際應(yīng)用中，復(fù)雜的水聲環(huán)境及水流特性會(huì)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的質(zhì)量帶來嚴(yán)重影響，為此，本文提出了三種對(duì)ADCP測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制的方法，即底后虛流消除技術(shù)、相關(guān)系數(shù)門限法和波束速度差異控制。

1 底后虛流消除

ADCP剖面測(cè)流模式下，用戶設(shè)置的最大觀測(cè)距離大于當(dāng)前海底深度時(shí)，設(shè)備會(huì)接收淺底多次反射回波，超過海底深度的某幾層剖面流速數(shù)據(jù)輸出有效，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生虛假的流速數(shù)據(jù)，即ADCP剖面測(cè)流模式下出現(xiàn)的底后虛流現(xiàn)象。為了消除底后虛假剖面流速給用戶帶來的困擾，可以采用以下步驟將大于海底深度的流層速度信息做無效處理。

● 發(fā)射底跟蹤ping，獲取每個(gè)波束海底深度信息；

● 發(fā)射水跟蹤ping，根據(jù)用戶設(shè)置的層數(shù)（WN）、層厚（WS）、盲區(qū)（WF）計(jì)算海底之前的有效剖面層數(shù)W，W=(floor(H-WF)/WS)，H為當(dāng)前海底深度值。

● 對(duì)W層及以后的數(shù)據(jù)，不做解算處理，直接輸出層流無效標(biāo)志。

圖1給出了采用底后虛流消除前后的剖面流速偽彩圖對(duì)比，可以看出二次及多次底回波信號(hào)解算出的虛假剖面流速信息可以被消除。

圖1 底后虛流消除前后流速剖面對(duì)比圖

2 設(shè)置相關(guān)系數(shù)門限

假定含有多普勒信息的復(fù)數(shù)觀測(cè)信號(hào)記為s(t)，其自相關(guān)函數(shù)和功率譜密度函數(shù)分別表示為Rs(τ)和Ss(f)[4，5]。根據(jù)維納-辛欽定理，信號(hào)的相關(guān)函數(shù)和功率譜互為傅里葉正逆變換：

可以用相關(guān)系數(shù)替代信噪比作為判斷波束測(cè)量數(shù)據(jù)有效性的判據(jù)。根據(jù)自相關(guān)函數(shù)的定義：

對(duì)于某一波束某一剖面單元的回波信號(hào)，可以根據(jù)式（1）求出參與復(fù)自相關(guān)運(yùn)算的兩段時(shí)延為m（采用寬帶信號(hào)時(shí)，m應(yīng)為一個(gè)完整的寬帶編碼信號(hào)單元對(duì)應(yīng)時(shí)長整數(shù)倍；采用窄帶信號(hào)時(shí)，m應(yīng)為采樣間隔的整數(shù)倍）的復(fù)信號(hào)的互相關(guān)值。

由式（1）、（2）得到相關(guān)系數(shù)r(m)的計(jì)算公式：

選取合適的相關(guān)系數(shù)門限作為判斷波束速度數(shù)據(jù)有效性的判據(jù)，即可將信噪比較低時(shí)測(cè)量得到的較為雜亂的無效數(shù)據(jù)剔除掉。

圖2給出了4個(gè)波束某一時(shí)刻速度及相關(guān)系數(shù)隨剖面作用距離變化的曲線圖?？梢钥闯?，相關(guān)系數(shù)的值可以反映速度測(cè)量的精確度。選取合適的相關(guān)系數(shù)門限就可以將雜亂無章的無效測(cè)量數(shù)據(jù)剔除掉。圖3給出了38 kHz ADCP在大深度處采用相關(guān)系數(shù)質(zhì)控前后剖面流速和GPS速度比對(duì)圖。可以看出，采用相關(guān)系數(shù)質(zhì)控后，偏離真值（GPS速度測(cè)量值）較大的無效數(shù)據(jù)可以被剔除掉。

圖2 波束速度/相關(guān)系數(shù)隨剖面距離變化曲線圖

圖3 質(zhì)控前后剖面速度和GPS速度比對(duì)圖

3 設(shè)置波束速度差異閾值

如圖4所示，采用4波束Janus冗余結(jié)構(gòu)的ADCP，四波束在同一剖面層的投影具有對(duì)稱結(jié)構(gòu)，統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上，同一平面流場(chǎng)的均勻性決定了：

圖4 四波束Janus冗余結(jié)構(gòu)

實(shí)時(shí)單次測(cè)量過程中，水體中散射體的不均勻分布會(huì)導(dǎo)致某個(gè)或某部分深度單元層的回波信號(hào)強(qiáng)度過低而被噪聲淹沒，此時(shí)，測(cè)得的對(duì)應(yīng)深度單元層的某一波束速度無效。另外，當(dāng)有一個(gè)波束的發(fā)射信號(hào)遇到河海中的魚蝦等浮游生物時(shí)，采集得到的散射信號(hào)中含有的多普勒頻移信息對(duì)應(yīng)的速度是浮游生物本身的速度，也會(huì)得到異常的波束流速數(shù)據(jù)。因此，可以采用四波束速度的差異來剔除掉某一波束信噪比過低或者受到干擾所導(dǎo)致的無效測(cè)量值。

定義波束速度差異變量為BError，由公式（6）可知，流場(chǎng)均勻，無干擾時(shí)，BError采用下面兩種計(jì)算公式時(shí)，均應(yīng)取一較小值。

圖5給出了無安裝偏角或安裝偏角較小時(shí)波束速度差異按式（7）、（8）計(jì)算得到的序列值。圖6給出了在較大安裝偏角時(shí)，波束速度差異按式（7）、（8）計(jì)算得到的序列值?？梢钥闯鲇檬剑?）計(jì)算會(huì)將V1?V3方向與V2?V4方向的不均勻性誤差抵消，從而不能正確反映真實(shí)的波束不均勻性。選擇式（8）作為計(jì)算波束速度差異的計(jì)算方法，設(shè)置合適的閾值，當(dāng)四波束速度差異大于該閾值時(shí)，認(rèn)為此次測(cè)量無效，這樣可以將因某一波束信噪比過低或者是遇到魚蝦等浮游生物導(dǎo)致的速度異常值剔除掉。

圖5 波束速度差異序列（無偏角）

圖6 波束速度差異序列（較大偏角）

4 結(jié)論

鑒于以往海流觀測(cè)時(shí)難以判斷測(cè)量數(shù)據(jù)有效性的問題，本文提出了對(duì)ADCP測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制判斷其有效性的新方法，并用海試數(shù)據(jù)驗(yàn)證了方法的實(shí)用性：通過底后虛流消除技術(shù)可以避免誤將底回波、二次底回波及多次底回波作為流層回波信號(hào)解算給出流速信息，消除虛假剖面流速信息；相關(guān)系數(shù)門限判決方法對(duì)實(shí)際流層測(cè)量數(shù)據(jù)的有效性進(jìn)行了判決（判決門限17），剔除低信噪比下測(cè)量得到的錯(cuò)誤速度信息，即偏離真值（GPS速度測(cè)量值）較大的無效數(shù)據(jù)，保證了測(cè)量數(shù)據(jù)的精度和有效性；四波束Janus冗余速度信息計(jì)算出四波束速度差異，設(shè)置閾值-1～1 m/s，剔除由于某一波束受到干擾造成的速度野值點(diǎn)。

本文提出的對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制的方法可以保證測(cè)量數(shù)據(jù)的有效性，保證海流觀測(cè)的正確性。后續(xù)將通過理論仿真與實(shí)際數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法，開展系列ADCP設(shè)備門限閾值的確定工作，在保證數(shù)據(jù)正確性基礎(chǔ)上保留盡量多的數(shù)據(jù)。