走航ADCP觀測資料質(zhì)量控制方法及應(yīng)用

唐華亮聶紅濤肖勁根

(天津大學(xué) 海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,天津300072)

聲學(xué)多普勒流速剖面儀(Acoustic Doppler Current Profiler,ADCP)是一種基于多普勒效應(yīng)的超聲波測流設(shè)備。ADCP換能器向水體發(fā)射聲脈沖,聲脈沖經(jīng)水中的顆粒物而發(fā)生散射。當(dāng)散射回波被換能器接收時,通過比較發(fā)射波與散射回波之間的頻率差(即多普勒頻移),可推算出沿聲束方向的水流速。水流相對于ADCP的速度在除去走航船速后,即可得到水流絕對速度。由于走航ADCP具有便捷、高效、測量范圍大等優(yōu)勢,所以,國內(nèi)外已普遍使用走航ADCP進行河流和海洋的流速觀測[1-2]。

走航ADCP觀測結(jié)果受很多因素的影響,未經(jīng)處理的觀測資料可能存在顯著的誤差,這些誤差將影響觀測資料還原真實的流場,從而導(dǎo)致觀測資料價值下降,所以,若要得到真實合理的流速,需要對最原始的觀測資料進行質(zhì)量控制[3-5]。近30 a來,國內(nèi)外學(xué)者對走航ADCP觀測資料質(zhì)量控制技術(shù)展開了研究:參考層法和基準(zhǔn)流速法可有效地處理走航ADCP觀測資料的船速數(shù)據(jù)[6-7]；海水中聲速變化對走航ADCP觀測的流速結(jié)果產(chǎn)生的影響與聲速修正的方法被討論[8]；走航觀測中由于參考坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換所引起的各類偏角誤差以及校正方法被廣泛研究[9-10]；經(jīng)過高頻的回波信號平滑處理前后流速結(jié)果的對比,發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)平均可有效地優(yōu)化流速結(jié)果[11]；“雪龍”號極地考察的走航ADCP觀測數(shù)據(jù)處理問題也已被探討[12-14]。

盡管在走航ADCP觀測資料質(zhì)量控制技術(shù)方面,國內(nèi)外學(xué)者開展了許多研究[3-14],但是,目前仍尚未有研究針對走航ADCP觀測資料質(zhì)量控制提出規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)與完整的流程。這是由于以往研究[6-11]較多關(guān)注于單個或部分影響因素對觀測資料的影響,而未從全面、完整的角度考慮觀測資料質(zhì)量控制,再者,又因走航ADCP觀測本身受多種因素影響,例如,天氣、海況等環(huán)境因素,觀測船船體材質(zhì),觀測儀器型號,觀測海域海底質(zhì)等,不同的觀測資料可能需要考慮的影響因素也有所不同,所以,形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)處理規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)存在一定的困難?；诖?綜合前人的研究成果,本文將從全面、完整的角度考慮所有影響因素,歸納針對不同影響因素的處理方法,提出一套針對走航ADCP觀測資料的質(zhì)量控制完整流程,以完善目前研究中尚未提出完整質(zhì)量控制流程的不足,并以2017年夏季遼東灣紅沿河核電站周邊海域走航ADCP觀測資料為例,進行應(yīng)用與討論。

1 走航ADCP資料質(zhì)量控制流程

以往研究中,走航ADCP觀測資料質(zhì)量控制主要包括系統(tǒng)誤差訂正、GPS船速誤差校正和常規(guī)檢驗[3],本文在此基礎(chǔ)上,經(jīng)過對各影響因素的整理、分類,將質(zhì)量控制分為4個主要步驟,分別是船速處理、聲速校正、偏角校正和剖面數(shù)據(jù)處理,從而將質(zhì)量控制由相對抽象的概念具體化為一套結(jié)構(gòu)清晰、簡單易行的處理流程(圖1)。此流程歸納了走航ADCP觀測資料質(zhì)量控制基本上所有需要考慮的因素,并且可以適用于不同的走航ADCP觀測資料,例如觀測資料的船速獲取方式是底跟蹤或者GPS,觀測船為木船或金屬船等,按照此流程基本上能夠選擇對應(yīng)的處理方法,完成觀測資料質(zhì)量控制。

圖1 走航ADCP資料數(shù)據(jù)處理流程Fig.1 Flowchart for data processing off shipboard ADCP

1.1 船速處理

基于多普勒效應(yīng),ADCP通過發(fā)射波與散射回波之間的頻率差估算水體相對于船體的流速,即相對流速,再將相對流速與船速合成進而得到水體的絕對流速,可見船速獲取是計算水體絕對流速的重要環(huán)節(jié)。通常采用底跟蹤方法或GPS定位法來獲取船速。底跟蹤方法是通過發(fā)射聲波遇到海底后反射回來的多普勒頻移來計算船速的方法,由于底跟蹤方法的隨機誤差與相對流速觀測的隨機誤差匹配,二者合成得到的絕對流速能夠消除它們的共模誤差,因此底跟蹤方法具有較高的精度[15]。但當(dāng)觀測點水深超出底跟蹤信號范圍或者觀測點的底質(zhì)為動底(砂質(zhì)、泥質(zhì)等)時,底跟蹤方法將失效,此時就需使用GPS定位儀測量的經(jīng)緯度位置反演船速。GPS定位法能夠在底跟蹤方法失效時代替其獲取船速,但GPS定位儀易受測船的轉(zhuǎn)向、儀器精度等影響,由此法獲取的船速數(shù)據(jù)往往存在較大的誤差。

在走航ADCP觀測資料質(zhì)量控制的第一個主要步驟即船速處理中,處理人員需要判斷船速數(shù)據(jù)的獲取方式。若利用底跟蹤方法獲取船速,可直接將船速與相對流速合成,得到實際流速；若利用GPS定位法獲取船速,需要先處理船速數(shù)據(jù),以降低船速數(shù)據(jù)的誤差。處理船速數(shù)據(jù)的方法主要有參考層法和基準(zhǔn)流速法,這2種方法均可有效地降低船速數(shù)據(jù)的誤差,提高船速數(shù)據(jù)的精度[6-7]。

1.2 聲速校正

使用ADCP走航觀測時,操作人員需要在觀測前設(shè)置儀器換能器位置處的海水聲速值,在實際觀測中往往設(shè)置一個固定的聲速值,但由于海水是非均勻介質(zhì),海水聲速會隨著觀測位置的改變而改變。海水聲速的變化將會影響走航ADCP的觀測結(jié)果。周翠翠[15]研究表明,當(dāng)聲速的變化量達到60 m/s時,流速的誤差為0.01 m/s,且流速誤差隨聲速的變化呈線性趨勢。海水聲速可以通過現(xiàn)場觀測的溫度、鹽度和深度信息并結(jié)合經(jīng)驗公式推算,經(jīng)驗公式可采用Medwin提出的簡化Wilson聲速公式[16]:

式中,c為聲速(單位為m/s),T為溫度(單位為℃),S為鹽度,z為深度(單位為m)。

走航觀測前,先確定儀器的入水深度,結(jié)合對應(yīng)深度處的溫度和鹽度,可采用式(1)計算儀器換能器位置處的聲速。觀測溫鹽變化較大的海域時,聲速變化產(chǎn)生的影響較為顯著,故需要多次結(jié)合溫鹽信息修正聲速；觀測溫鹽較為穩(wěn)定的海域時,聲速變化對觀測結(jié)果的影響較小,此時聲速不需要多次校準(zhǔn),取近似值便可。

1.3 偏角校正

走航ADCP觀測的原始流速與真實的流速在方向上存在一定的偏差,即偏角誤差,此誤差主要是由觀測數(shù)據(jù)從儀器坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換至地球坐標(biāo)系而產(chǎn)生[9-10]。目前,觀測數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換主要有2種情況,分別對應(yīng)于使用內(nèi)置羅經(jīng)或使用外接羅經(jīng)來記錄行船航向信息的2種方式。

當(dāng)采用ADCP儀器內(nèi)置羅經(jīng)記錄觀測船的航向信息時,ADCP儀器的內(nèi)置羅經(jīng)將以地球磁場為參考坐標(biāo)系,記錄行船的航向信息。ADCP儀器自身再結(jié)合行船的航向信息將儀器坐標(biāo)系下的觀測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至磁北坐標(biāo)系下儲存并輸出,從而形成走航ADCP原始觀測資料。當(dāng)處理人員針對使用內(nèi)置羅經(jīng)獲得的原始觀測資料進行偏角校正時,需要考慮2種偏角,分別是羅經(jīng)儀器自身的誤差偏角即羅經(jīng)偏角以及觀測海域的地磁偏角。羅經(jīng)偏角的測量方式:在走航觀測時,采用GPS定位儀記錄經(jīng)緯度信息,根據(jù)經(jīng)緯度反演觀測船的航向,將其與內(nèi)置羅經(jīng)的航向進行比較,兩者之差即是羅經(jīng)偏角的大小。地磁偏角可以根據(jù)觀測海域的經(jīng)緯度推算得到。

在一些大型觀測船上進行走航ADCP觀測時,受金屬船體影響,ADCP內(nèi)置羅經(jīng)不可使用,此時外接羅經(jīng)可用來代替儀器的內(nèi)置羅經(jīng)記錄觀測船的航向。針對使用外接羅經(jīng)獲得的原始觀測資料進行偏角校正時,除羅經(jīng)偏角和地磁偏角外,處理人員還需要考慮儀器在安裝的過程中波束1與波束3中心的連線與艏向之間的夾角,即安裝偏角。安裝偏角的測量方式:正式觀測前,觀測船先沿直線行駛并記錄底跟蹤的方向以及GPS的經(jīng)緯度信息,比較底跟蹤的方向和經(jīng)緯度反演的航向,二者的夾角即為安裝偏角。

處理人員在進行走航ADCP觀測資料質(zhì)量控制中的偏角校正時,通過觀測船記錄航向的方式可判斷需校正的偏角誤差的類型,當(dāng)采用內(nèi)置羅經(jīng)時需要校正羅經(jīng)偏角和地磁偏角誤差,當(dāng)采用外接羅經(jīng)時需要校正羅經(jīng)偏角、地磁偏角和安裝偏角誤差。在分別確定各類偏角的大小之后,無論采用內(nèi)置羅經(jīng)還是外接羅經(jīng),均可應(yīng)用下式校正偏角,公式為

式中,u與v分別表示偏角校正后流速的東分量與北分量；u′與v′分別表示原始觀測流速的東分量與北分量；當(dāng)走航觀測使用內(nèi)置羅經(jīng)時,α表示地磁偏角和羅經(jīng)偏角的合成角；當(dāng)走航觀測使用外接羅經(jīng)時,α表示地磁偏角、羅經(jīng)偏角和安裝偏角的合成角。

1.4 剖面數(shù)據(jù)處理

ADCP觀測具有一定的隨機性,同時,在觀測的時候容易受測量環(huán)境的影響,如水體濁度、水中生物等。處理剖面數(shù)據(jù)時,需要針對不同的因素利用合適的方法剔除錯誤失效的數(shù)據(jù),盡可能保留真實流場信息。

1)水深。ADCP在參數(shù)設(shè)置時,由深度分層和單元層厚度決定觀測的深度范圍,為了覆蓋全部觀測斷面及滿足底跟蹤的使用,儀器的設(shè)置深度往往大于實際水深,導(dǎo)致ADCP記錄了超過實際水深的數(shù)據(jù),需要結(jié)合觀測區(qū)域的水深信息進行剔除。

2)回波振幅。ADCP觀測時各層水體對應(yīng)的聲信號散射強度,一定程度上反映了對應(yīng)各層水體的濁度。若回波振幅過小,表明此部分觀測水體中顆粒物較少,接收到的散射信號不夠強,數(shù)據(jù)可信性略低。若回波振幅過大,則有可能是聲信號接觸到較大的固體介質(zhì),如水底、水中生物等,此部分為錯誤信號。在處理過程中要對回波振幅設(shè)置上、下兩個合理的閾值,剔除此值過小和過大的部分?jǐn)?shù)據(jù)。

3)相關(guān)性。它表示在ADCP觀測時儀器自身記錄的一個參考值。對應(yīng)于每一個換能器,相關(guān)性越高,則表明這部分水體的觀測數(shù)據(jù)可信度越高。

4)良好百分比數(shù)。它是儀器自身記錄的一個參考值。對應(yīng)于每一個換能器,通常為100或0。100表示這部分?jǐn)?shù)據(jù)良好,0表示這部分?jǐn)?shù)據(jù)失效。

5)流速導(dǎo)數(shù)。通常認(rèn)為水體流速變化是連續(xù)的,在短時間內(nèi),ADCP高頻觀測中水體流動不存在極快速的變化。對流速觀測結(jié)果求取導(dǎo)數(shù),導(dǎo)數(shù)值較大的部分表明此處數(shù)據(jù)短時間內(nèi)存在極快的變化,不符合水體流動規(guī)律,可設(shè)置合適的閾值,剔除部分流速導(dǎo)數(shù)過大的錯誤數(shù)據(jù)。

6)數(shù)據(jù)平均。未經(jīng)平均處理的流速隨機性較大,數(shù)據(jù)平均可以有效地平滑觀測隨機性,提高數(shù)據(jù)整體的合理性。目前,針對走航ADCP資料數(shù)據(jù)平均沒有統(tǒng)一的規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn),可以在滿足研究需求精度的情況下靈活處理。

2 走航ADCP資料質(zhì)量控制應(yīng)用

2.1 現(xiàn)場觀測

觀測區(qū)域與站位設(shè)置如圖2所示。觀測位置在遼東灣紅沿河核電站周邊海域,設(shè)置A(121°15'40″E,39°35'27″N)和B(121°10'40″E,39°36'46″N)兩個站位。觀測時間為2017-07-10T23:20—11T00:20。測船由 A站位駛向B站位,航速約為2.5 m/s。觀測儀器為RTI公司(ROWE Technologies Inc.)300 k Hz ADCP,儀器精度為±0.70%。儀器通過一個不銹鋼支架固定于右側(cè)船舷,入水深度為1.5 m,盲區(qū)為0.5 m,觀測資料的首層深度為2 m。儀器的采樣間隔設(shè)置為1 s,共設(shè)置30個單元層,每層的深度為1 m。觀測期間同時使用GPS(分米精度,10 cm)記錄地理位置與航向信息。

圖2 觀測區(qū)域與站位設(shè)置Fig.2 Observation area and station location

2.2 質(zhì)量控制

本航次觀測區(qū)域水深為24～30 m,處在底跟蹤可使用的深度范圍內(nèi),同時此海域底質(zhì)屬于不動底質(zhì),滿足了可以使用底跟蹤方式的全部要求。在處理數(shù)據(jù)時,先將底跟蹤記錄的船速數(shù)據(jù)與水體剖面觀測數(shù)據(jù)進行矢量合成,獲得實際流速。

本航次開始走航觀測之前,分別在A和B兩個觀測站位使用CTD觀測當(dāng)?shù)丨h(huán)境,獲取2個站位的溫度與鹽度信息。儀器的入水深度為1.5 m,在該深度上,A站位的溫度為22.97℃,鹽度為31.87；B站位的溫度為25.94℃,鹽度為31.77；參照式(1)可計算出A站位換能器陣位置處的聲速為1 525.98 m/s,B站位換能器陣位置處的聲速為1 533.20 m/s。在參數(shù)設(shè)置時聲速設(shè)置采取二者平均值1 529.59 m/s,經(jīng)分析,由A和B兩個站位之間海水聲速的不同,對結(jié)果產(chǎn)生的誤差為±0.24%,該誤差實際上顯著小于儀器自身的觀測精密度(±0.70%)。故聲速校正時,僅采取固定值,不須再做過多的處理。

本觀測量船為木船,采用ADCP內(nèi)置羅經(jīng),使用底跟蹤模式,觀測不受安裝偏角影響。通過仔細(xì)對比底跟蹤與GPS記錄的航向信息,發(fā)現(xiàn)底跟蹤和GPS的航向較為一致,羅經(jīng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。數(shù)據(jù)經(jīng)過底跟蹤船速與水體剖面數(shù)據(jù)矢量合成后,得到了在磁北坐標(biāo)系下的水體流速。結(jié)合經(jīng)緯度計算出當(dāng)?shù)睾Ｓ虻牡乩泶牌羌s為-7°。參照式(2)和(3)對合成流速進行旋轉(zhuǎn)校正,得到相對于大地經(jīng)緯度的真北坐標(biāo)系下數(shù)據(jù)。

剖面數(shù)據(jù)處理過程:

1)提取由底跟蹤獲得的水深信息,以水深為標(biāo)準(zhǔn)剔除超過水深的錯誤數(shù)據(jù)。

2)回波振幅的記錄范圍為43～128,經(jīng)過多次試驗,確定閾值上限100和下限60,剔除超過閾值限制的數(shù)據(jù)。

3)對于相關(guān)性、良好百分比數(shù),本次觀測海況較好,觀測工作順利,數(shù)據(jù)獲取全面,整體質(zhì)量也較高。相關(guān)性的記錄范圍為0.071 5～0.900 0,設(shè)置相關(guān)性閾值下限為0.7。良好百分比數(shù)為0或100,剔除所有該項為0的部分?jǐn)?shù)據(jù)。

4)對于流速導(dǎo)數(shù),本次觀測僅考慮水平流速,分別對每一層的u和v分量流速數(shù)據(jù)求取導(dǎo)數(shù),為比較大小對其取絕對值,生成絕對值序列?；诒居^測數(shù)據(jù),計算得到流速導(dǎo)數(shù)絕對值的變化范圍為0～1.5,經(jīng)多次試驗,設(shè)置閾值上限為0.4,剔除超出閾值的不合理數(shù)據(jù)。

5)數(shù)據(jù)平均處理完成步驟1)～4)后,為了滿足計算斷面通量的研究需求,對走航數(shù)據(jù)進行30 s時間平均,得到最終質(zhì)量控制后的流速。

2.3 處理結(jié)果

觀測期間內(nèi)走航ADCP垂向分層為30層,共觀測3 337個剖面,u和v分量均獲得92 859個原始數(shù)據(jù)。由與底跟蹤船速進行矢量合成之后的絕對流速東、北分量(圖3a和圖3b)可以看出,未經(jīng)后續(xù)處理的原始觀測資料存在較多的噪聲信息甚至錯誤值,例如,超過水深的錯誤數(shù)據(jù)、近水底附近2～3層觀測數(shù)據(jù)、大量的隨機信號誤差等,可見原始數(shù)據(jù)并不能夠完全真實地還原流場流速。經(jīng)過偏角校正、剖面數(shù)據(jù)處理等,u分量共剔除21 882個無效或低可信度數(shù)據(jù),保留70 977個可信數(shù)據(jù),剔除數(shù)據(jù)占總數(shù)據(jù)23.56%；v分量共剔除24 105個無效或低可信度數(shù)據(jù),保留68 754個可信數(shù)據(jù),剔除數(shù)據(jù)占總數(shù)據(jù)的25.96%。通過對比經(jīng)處理之后的流速東、北分量(圖3c和圖3d),能夠清楚看到質(zhì)量控制流程有效地排除了錯誤信息,同時也很好地保留了流場的真實特征。

選取10 m與15 m水深處的質(zhì)量控制前后數(shù)據(jù)進行對比(圖4),也可看出質(zhì)量控制有效地剔除掉了部分遠(yuǎn)離真實流速值的錯誤數(shù)據(jù)。將流速信號平滑過濾,通過合成流速大小的頻數(shù)分布直方圖可進一步考查數(shù)據(jù)的離散程度,如圖5所示。不難看出,質(zhì)量控制前后的流速-頻數(shù)分布均大致符合正態(tài)分布,這是由于ADCP觀測過程中,每個剖面的觀測都包含一定的偏差,這種偏差近似符合正態(tài)分布。盡管質(zhì)量控制前后的結(jié)果都大致符合正態(tài)分布,即質(zhì)量控制后的結(jié)果也存在一定的隨機誤差,但是,通過對比可以發(fā)現(xiàn),質(zhì)量控制后的數(shù)據(jù),其流速變化的范圍已經(jīng)縮小,并且質(zhì)量控制后的數(shù)據(jù)相比原始數(shù)據(jù)有逐漸向均值靠攏的趨勢?？傮w來說,質(zhì)量控制流程能夠有效地消除遠(yuǎn)離真實值的錯誤數(shù)據(jù),降低觀測流速隨機性的影響。

圖4 10 m和15 m水深處原始數(shù)據(jù)和質(zhì)量控制后數(shù)據(jù)對比Fig.4 Comparison of the current velocities at 10 m and 15 m before and after the quality control procedure

圖5 10 m和15 m水深處原始數(shù)據(jù)和質(zhì)量控制后數(shù)據(jù)的流速-頻數(shù)分布Fig.5 Histograms of frequency vs.current velocity before and after the quality control procedure

3 結(jié) 語

本文在前人工作的基礎(chǔ)上,提出了一套較為系統(tǒng)的走航ADCP觀測資料質(zhì)量控制方法流程。該流程包括船速處理、聲速校正、偏角校正、剖面數(shù)據(jù)處理四個主要步驟。船速處理包括使用底跟蹤和GPS兩種方式下船速的處理方式；聲速取決于觀測當(dāng)?shù)丨h(huán)境如溫度、鹽度等,結(jié)合經(jīng)驗公式進行校正；偏角校正需要結(jié)合羅經(jīng)信息的獲得方式,當(dāng)使用ADCP內(nèi)置羅經(jīng)時不受安裝偏角影響,而使用外接羅經(jīng)時要考慮安裝偏角。地理磁偏角的校正取決于航向是相對于磁北坐標(biāo)系還是真北坐標(biāo)系,當(dāng)航向相對于磁北坐標(biāo)系時,需要推算觀測當(dāng)?shù)氐牡乩泶牌?對磁北坐標(biāo)系下的觀測結(jié)果進行參考坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換,得到相對經(jīng)緯度的真北坐標(biāo)系下的結(jié)果。剖面數(shù)據(jù)處理較為靈活,需要人為設(shè)置某些參數(shù)的閾值,一方面要確保剔除掉所有不合理、不真實的觀測數(shù)據(jù),另一方面要盡量保留更多的流場信息,為后續(xù)的研究工作做好鋪墊與準(zhǔn)備。

應(yīng)用本文提出的流程對2017-07遼東灣紅沿河取水口附近海域走航觀測數(shù)據(jù)進行了質(zhì)量控制,對u分量剔除了23.56%的低可信度數(shù)據(jù),對v分量剔除了25.96%的低可信度數(shù)據(jù)。結(jié)果表明,質(zhì)量控制流程有效地剔除了不真實的流速數(shù)據(jù),如超過水深的數(shù)據(jù)、近水底若干層數(shù)據(jù)等,同時也降低了隨機誤差,得到更加符合真實情況的流速結(jié)果。通過實際應(yīng)用,本文提出的走航ADCP觀測資料質(zhì)量控制流程具有良好有效性。