深海ADCP 數(shù)據(jù)處理及產(chǎn)品生產(chǎn)流程研究

譚俊峰，宋曉陽，張 飛*，楊 杰，常永國，史曉龍

（1. 中國科學(xué)院聲學(xué)研究所 聲場聲信息國家重點實驗室，北京 100190；2. 中科長城海洋信息系統(tǒng)有限公司，北京 100085）

隨著海洋經(jīng)濟的發(fā)展，關(guān)心海洋、認識海洋、經(jīng)略海洋、建設(shè)海洋強國、走向深海大洋已成為新時期國家發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分[1]。深海觀測是認識和開發(fā)海洋的重要手段，正逐步成為國際研究熱點。南海作為典型的深水盆地，受季風、環(huán)流及復(fù)雜海底地形影響，為海洋科學(xué)研究提供了得天獨厚的條件[2]。2016 年，我國第一個深海海底觀測網(wǎng)試驗系統(tǒng)建成[3]，解決了深海觀測受能源供給與信息傳輸限制的問題，其中在1 800 m 水深布放的海底動力平臺搭載了聲學(xué)多普勒流速剖面儀（Acoustic Doppler Current Profiler，ADCP）和溫鹽深儀（CTD）等傳感器，為深海海洋科學(xué)研究提供了可靠的海底動力基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料[4]。

ADCP 是目前國際上測量多層海流剖面最有效的方法，也是應(yīng)用最為廣泛的海洋觀測儀器之一[5]。國內(nèi)外海洋工作者在ADCP 的制造、觀測、數(shù)據(jù)預(yù)處理等方面做了大量研究，但對ADCP 的數(shù)據(jù)后處理和質(zhì)量控制尚未形成統(tǒng)一的通用標準和規(guī)范[6]。隨著ADCP 大量投入使用，制定數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制及產(chǎn)品生產(chǎn)的標準流程，對于最大限度地發(fā)掘科學(xué)數(shù)據(jù)價值，以及推動開發(fā)趨于業(yè)務(wù)化運行的質(zhì)量控制軟件進程具有重要意義。本文基于深海海底觀測網(wǎng)試驗系統(tǒng)——2018 年度海底動力平臺采集的ADCP 數(shù)據(jù)，重點研究ADCP 數(shù)據(jù)處理及產(chǎn)品生產(chǎn)流程，其中介紹了ADCP 數(shù)據(jù)處理流程、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法，對原始數(shù)據(jù)和經(jīng)過質(zhì)量控制后的數(shù)據(jù)分別處理，分析了深海海流狀況，同時也驗證了ADCP 傳感器在深海的工作性能。

1 數(shù)據(jù)獲取

本文采用的數(shù)據(jù)來源于深海海底觀測網(wǎng)試驗系統(tǒng)，由布放在海深1 800 m 處海底動力平臺搭載的ADCP 采集，如圖1 所示。ADCP 為RDI Workhorse Sentinel 系列，工作頻率150 kHz，采樣間隔10 min，垂向觀測層數(shù)30 層，每層4 m。本文主要分析了2018 年的ADCP 數(shù)據(jù)，共有樣本數(shù)34 140 條，針對數(shù)據(jù)處理及產(chǎn)品生產(chǎn)流程等開展相關(guān)研究。

圖1 ADCP 及其工作模式

2 數(shù)據(jù)處理流程及方法

ADCP 數(shù)據(jù)處理流程，如圖2 所示。不同工作頻率的ADCP搭載在不同平臺上采集原始數(shù)據(jù)，獲取的原始數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行格式轉(zhuǎn)換等操作，再經(jīng)過一系列的初步質(zhì)量控制、程序化質(zhì)量控制和人工質(zhì)控，輸出最終的流速剖面產(chǎn)品（Velocity Profile，VELPROF）。

圖2 ADCP 數(shù)據(jù)處理流程

VELPROF 由3 個分量組成，如表1 所示。

表1 流速剖面產(chǎn)品

2.1 ADCP 原始數(shù)據(jù)

ADCP 采集的原始數(shù)據(jù)為二進制數(shù)據(jù)流，數(shù)據(jù)處理需要將數(shù)據(jù)進行解碼、坐標轉(zhuǎn)換及流速分量計算，從而得到觀測點的海流狀況[7]。

2.2 數(shù)據(jù)處理流程

2.2.1 數(shù)據(jù)解析 讀取分析原始二進制數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)解析，轉(zhuǎn)換成十進制的數(shù)據(jù)。主要分為以下步驟：

（1）讀取數(shù)據(jù)頭部信息（Header Data）的Header ID 與Data Source ID，判斷數(shù)據(jù)是否為ADCP 數(shù)據(jù)。

（2）計算數(shù)據(jù)流的Checksum 值，其中不包括ADCP 數(shù)據(jù)本身的“Checksum”的2 字節(jié)。比較Checksum 與計算的值，如果匹配，說明數(shù)據(jù)是有效的。反之，讀取下一個數(shù)據(jù)流，執(zhí)行步驟1。

（3）根據(jù)數(shù)據(jù)頭部信息（Header Data），獲取該數(shù)據(jù)所包含的數(shù)據(jù)類型。數(shù)據(jù)類型包括：Fixed Leader, Variable Leader, Velocity, Echo Intensity, Correlation, Percent Good 等。

（4）根據(jù)不同的數(shù)據(jù)類型，解碼相關(guān)數(shù)據(jù)，如流速剖面層數(shù)、深度、流速等。

（5）查找每個字節(jié)在特定數(shù)據(jù)類型中表示的內(nèi)容。將目標字節(jié)轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)據(jù)，得到以mm/s 為單位的波束數(shù)據(jù)以及相關(guān)的元數(shù)據(jù)。

（6）將解碼后的數(shù)據(jù)導(dǎo)出為 MAT 文件，后續(xù)進一步的格式轉(zhuǎn)換。

2.2.2 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 ADCP 每個換能器測量的流速是水流沿其聲束坐標方向的速度，任意3 個換能器軸線即組成一組空間波束坐標系。同時，ADCP 還定義有自身的設(shè)備坐標系X-Y-Z。解析后的十進制數(shù)據(jù)為波束坐標系下的海流速度，需要應(yīng)用變換矩陣A轉(zhuǎn)換到設(shè)備坐標系，再根據(jù)羅盤提供的方向和傾斜計的傾斜數(shù)據(jù)，利用旋轉(zhuǎn)矩陣M將X-Y-Z坐標下的流速轉(zhuǎn)換為地球坐標系下的流速數(shù)據(jù)[8]。

（1）轉(zhuǎn)換矩陣A將波束坐標轉(zhuǎn)換到設(shè)備坐標系：

其中：a=1/[2*sin(θ)]，θ為波束角度；

c=凸頭傳感器為+1，凹頭傳感器為-1；

每個深度單元的速度數(shù)據(jù)由4 個分量組成，在波束坐標中分別表示波束1 (b1)、波束2 (b2)、波束3 (b3)和波束4 (b4)的速度：

（2）旋轉(zhuǎn)矩陣M將設(shè)備坐標轉(zhuǎn)換到地球坐標系：

H、R和P分別為航向角（Heading）、橫搖角（Roll）和俯仰角（Pitch）。如果ADCP 的方向是朝上的，則在應(yīng)用矩陣M之前，需要將內(nèi)部傾斜傳感器測得的橫搖角加上180°，并修正俯仰角。

式中：Tilt1 為測量的俯仰角；Tilt2 為測量的橫搖角。得到地球坐標系下的速度值：

（3）對地球坐標系下的速度剖面還可根據(jù)需要進行磁差校正，校正矩陣B如下：

β為磁偏角估計值，旋轉(zhuǎn)矩陣B將向量順時針旋轉(zhuǎn)β度。正磁差表示正北偏東，負磁差表示正北偏西。輸入是地球坐標系下的水平速度剖面(VLE,VLN)：

2.3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

數(shù)據(jù)質(zhì)量控制是通過一系列的技術(shù)操作及測量、標注等過程，檢測數(shù)據(jù)質(zhì)量，剔除無效、錯誤的數(shù)據(jù)，用來確保數(shù)據(jù)的準確性和可靠性，為用戶提供一個通用的方法來篩選出有效可用的數(shù)據(jù)。針對ADCP 數(shù)據(jù)，主要采用初步質(zhì)量控制、全局檢測[9]、尖峰檢測[10]、卡值檢測[11]、梯度檢測[12]、良好數(shù)據(jù)百分比和人工質(zhì)控等方法進行質(zhì)量控制。

2.3.1 初步質(zhì)量控制 主要對數(shù)據(jù)進行缺測值檢驗、非法碼檢驗。如果經(jīng)緯度缺測（數(shù)值為30 000），流速流向缺測或錯誤（數(shù)值為-32 768），缺測值需要剔除處理。非法碼檢測用于處理文件中編碼與屬性不符者，通常標準數(shù)據(jù)格式中每一位編碼均定義了特定的屬性，出現(xiàn)非法碼則表明數(shù)據(jù)不可用。

2.3.2 全局檢測 該方法旨在測試數(shù)據(jù)是否落在指定的閾值范圍內(nèi)，如經(jīng)度0°～180°，緯度0°～90°，流向0 ～360°等。超過傳感器的有限輸出范圍，表明數(shù)據(jù)可疑或錯誤，在實際操作中還可以根據(jù)經(jīng)驗值選擇更小的閾值范圍。

2.3.3 尖峰檢測 海洋觀測要素在某空間或時間范圍內(nèi)變化是有限的，若出現(xiàn)觀測值突變且與周圍觀測值明顯不同，則判定為異常值，如相鄰兩層流速突變大于50 cm/s。

2.3.4 卡值檢測 比較一個時間序列范圍內(nèi)若干相鄰觀測數(shù)據(jù)誤差是否全部小于預(yù)定精度，如果小于預(yù)定精度，并且相鄰觀測數(shù)據(jù)大于預(yù)定的個數(shù)，則說明數(shù)據(jù)可疑或錯誤。對于深海觀測，由于海流本身變化可能不明顯，因此精度值不宜過大。

2.3.5 梯度檢測 海洋觀測要素在一定時間和空間范圍內(nèi)具有連續(xù)性，時間接近或者位置鄰近的觀測要素變化值應(yīng)該在一定范圍內(nèi)，否則認為數(shù)據(jù)異常，如垂直流速梯度超過了15 cm/s。

2.3.6 良好百分比檢測 良好百分比為ADCP 標準數(shù)據(jù)格式內(nèi)容，用于描述數(shù)據(jù)良好情況。良好百分比小于50%，此深度單元數(shù)據(jù)可疑。

2.3.7 人工質(zhì)控 人工質(zhì)控要求操作員必須在適當?shù)臅r間范圍內(nèi)，對程序化檢測的異常數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)采集狀態(tài)等進行人工檢查，以確保系統(tǒng)的完整性。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 原始數(shù)據(jù)分析

深海海流受風浪和深層洋流的綜合作用，表現(xiàn)較為復(fù)雜。為了從不同角度和層面分析數(shù)據(jù)，首先對原始數(shù)據(jù)進行處理，有針對性的繪制了各類圖件，以便對數(shù)據(jù)質(zhì)量、數(shù)據(jù)有效性、設(shè)備狀況等進行評估。

3.1.1 偽彩圖 原始數(shù)據(jù)分析以2018 年1 月至2018 年5 月時間段為例，共17 491 條樣本數(shù)據(jù)。圖3 為樣本數(shù)據(jù)的分布偽彩圖。

圖3 2018 年1 月—5 月數(shù)據(jù)偽彩圖

從圖3 中可以看出，在觀測點以上約30 m 范圍內(nèi)，色塊均勻，數(shù)據(jù)表現(xiàn)良好；超過30 m 范圍后，出現(xiàn)了黑色條帶。經(jīng)初步質(zhì)量控制檢測，發(fā)現(xiàn)該條帶為大量缺測數(shù)據(jù)，值為-32 768。圖4 對30 m范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)進行局部放大，可以清楚地看到，在1 ～8 層數(shù)據(jù)是良好可用的。這說明ADCP 在深海工作時，由于深海水體清澈、水質(zhì)透明，導(dǎo)致回波信號減弱，同時ADCP 頻率高衰減大，因而工作距離會極大縮短，導(dǎo)致觀測上層出現(xiàn)缺測無效值。

圖4 第4 055 到第4 311 條數(shù)據(jù)偽彩圖

3.1.2 時間序列圖序列圖顯示了選定變量（流向、幅值、速度）的各水層數(shù)據(jù)，反應(yīng)深海海流的長期變化趨勢和季節(jié)周期性規(guī)律等。方框小矩形表示標準差，連接的長線表示最小值和最大值，中間短實線是平均值?？梢钥吹?，在長時間序列范圍內(nèi)，深海觀測點的海流保持相對穩(wěn)定，速度整體比較平穩(wěn)；不同時段流向變化較大；同時段不同流層，變化趨勢基本一致，流速大小存在差異。說明深海海流并不是單純的均勻流或者表層流，而是二者的結(jié)合。

3.1.3 剖面圖 給出了1 ～10 層不同樣本數(shù)據(jù)的速度、幅值及流向剖面圖，為典型的深海流速剖面?？梢钥吹皆谏蠈由疃炔糠謹?shù)據(jù)缺失，說明此深度超出ADCP 工作范圍；淺層各分量變化比深層略大，即隨著深度增加，海流速度有減小的趨勢。

圖6 不同時刻下的樣本剖面圖

3.1.4 數(shù)據(jù)序列趨向和殘差圖 分別提取各層幅度數(shù)據(jù)，得到數(shù)據(jù)序列趨向和殘差圖，如圖7 所示。從趨向圖得到1 ～8 層各數(shù)據(jù)點具有很好的擬合性、一致性，整體殘差值均勻分布，各層曲線擬合基本一致；第9 層數(shù)據(jù)開始出現(xiàn)明顯差異，數(shù)據(jù)量小，擬合失效，證明9 層及以上數(shù)據(jù)無效。驗證了該ADCP 在大約30 m 工作范圍內(nèi)的有效性和可靠性。

圖7 不同觀測層數(shù)幅度數(shù)據(jù)序列趨向和殘差圖

3.2 數(shù)據(jù)處理結(jié)果

3.2.1 原始四波束速度 對原始數(shù)據(jù)經(jīng)過質(zhì)量控制后分析，以2018 年ADCP 采集的34 140條樣本數(shù)據(jù)為例，原始波束速度分4 個波束（Beam1 ～Beam4）繪制，所示。原始四波束速度圖反映了各分量的波動情況以及波束的一致性。各層波束速度范圍為[-0.2, 0.2]（單位：m/s，負號表示反方向），不同深度海流速度存在明顯差異，隨著深度減小，海流速度呈現(xiàn)增大趨勢。

圖 8 不同層數(shù)原始四波束速度圖

3.2.2 不同流層波束速度對比 將觀測站點1 ～9層的波束速度（Beam1）繪制在同一圖上，如圖 9所示。通過不同流層測量數(shù)據(jù)的對比分析發(fā)現(xiàn)，在長時間序列范圍內(nèi)，各層海流速度變化均勻，整體海流速度小于0.2 m/s，說明了深海海流的相對穩(wěn)定性，長期變化趨勢和季節(jié)性規(guī)律不明顯。

3.2.3 地球坐標系下的三維流速 根據(jù)2.2.2 節(jié)，利用轉(zhuǎn)換矩陣A和旋轉(zhuǎn)矩陣M對波束坐標系下的速度剖面進行轉(zhuǎn)換，得到地球坐標系下的流速剖面產(chǎn)品VELPROF，共有3 個分量——VLE,VLN,VLU。結(jié)果如圖10 和圖11 所示，分別為地球坐標系下水平層和垂向?qū)尤S速度分量。

圖11 不同時刻下三維海流速度（垂向?qū)樱?/p>

由上得到深海海流更為精確的數(shù)據(jù)：水平方向一般為均勻定常流動；垂向上隨著深度增加流速減??；深層海流速度小于0.1 m/s，大部分流速值在0.05 m/s 左右。根據(jù)深海垂向流速剖面數(shù)值模擬[13]可知，在典型的垂向流速剖面中，表層流速可達0.4 m/s，隨著水深增加，均勻流速層下降到0.1 m/s，更深處的流速接近于0，與實際數(shù)據(jù)分析結(jié)果相符合。

4 結(jié) 論

本文基于2018 年深海觀測網(wǎng)試驗系統(tǒng)的ADCP 數(shù)據(jù)集，重點介紹了ADCP 數(shù)據(jù)處理原理、質(zhì)量控制方法、產(chǎn)品生產(chǎn)流程，分析了在長時間序列范圍內(nèi)深海海流狀況，驗證了ADCP 的深海工作性能，為后續(xù)利用ADCP 開展深海海洋觀測提供參考意見。研究結(jié)論如下：

（1）完整的ADCP 處理流程需要經(jīng)過解碼、計算、格式轉(zhuǎn)換、質(zhì)量控制和數(shù)據(jù)分析等，分別輸出L0 級數(shù)據(jù)、L1 級數(shù)據(jù)產(chǎn)品。該流程適用于搭載在不同平臺上不同頻率的ADCP 觀測設(shè)備，并可根據(jù)操作員經(jīng)驗做出個性化改進，對后續(xù)推動ADCP 數(shù)據(jù)的流程化處理具有指導(dǎo)意義。

（2）數(shù)據(jù)質(zhì)量控制用來確保數(shù)據(jù)的準確性和精確性，并給出質(zhì)量控制標志QC。對于ADCP 采集的數(shù)據(jù)，主要通過初步質(zhì)量控制、程序化質(zhì)量控制和人工質(zhì)控3 個環(huán)節(jié)，其中程序化質(zhì)量控制包括了全局檢測、尖峰檢測、卡值檢測、梯度檢測和良好數(shù)據(jù)百分比檢測。完善的質(zhì)量控制流程能有效去除無效、錯誤的數(shù)據(jù)，提高海底觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量，為海洋管理和科學(xué)研究提供可靠的、準確的海底觀測數(shù)據(jù)，保證分析結(jié)果的真實可靠性。

（3）本次數(shù)據(jù)采集的ADCP 設(shè)備布放于海深1 800 m 處，垂向觀測層數(shù)30 層，每層4 m。數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，在1 ～8 層數(shù)據(jù)表現(xiàn)良好，9 層以上為大量無效數(shù)據(jù)，因此該設(shè)備的有效工作范圍在30 m 左右。在海洋流速測量和考察中，ADCP工作性能與海區(qū)、深度、水體環(huán)境等都有很大關(guān)系。該深海觀測點由于懸浮物少、水質(zhì)清澈，水體散射度較弱，導(dǎo)致ADCP 接收的回波信號減弱，同時頻率高衰減大，因此有效工作距離會極大縮短，為后續(xù)ADCP 深海觀測提供參考意見。

（4）深海海流受風浪和深海洋流的綜合作用，流速并不是單純的均勻流或表層流，而是二者的結(jié)合，在不同深度形成了典型的深海流速剖面。在1 800 m 海深觀測點，全年海流速度小于0.1 m/s，大部分流速值在0.05 m/s 左右，垂向上隨著水深的增加流速逐漸減小，水平方向為均勻的定常流動，長期變化趨勢和季節(jié)性規(guī)律不明顯。數(shù)據(jù)分析結(jié)果與理論計算、數(shù)值模擬相符，為深海海流分析提供了有力數(shù)據(jù)支撐。