聲學(xué)多普勒流速剖面儀海上比測試驗研究

周 凱，孫云鵬，趙士偉，魏 磊

（32217 部隊，山東 煙臺 264100）

海流是海洋水文環(huán)境的主要參數(shù)之一，海流的測量是海洋調(diào)查和環(huán)境監(jiān)測的重要內(nèi)容。隨著海洋科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，ADCP 已成為主流的海洋環(huán)境測流儀器[1-2]。ADCP 是一種基于聲學(xué)多普勒原理測量水流的儀器，通過控制換能器發(fā)射聲波和接收散射體返還的回波信號，利用回波頻率的多普勒頻移和羅盤計算得到不同水層水體的流速流向[3-4]。ADCP從用途上分為定點（自容）式、走航（直讀）式和下放式，而定點安裝方法主要分為浮標(biāo)安裝和坐底安裝[5]。

目前，美國TRDI（Teledyne RD Instruments）、Sontek 和挪威Nortek 等公司的ADCP 占據(jù)市場銷量主流，其測量性能也得到國際認(rèn)可，其中TRDI 公司的ADCP 在國內(nèi)海洋調(diào)查領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛[6-7]。國內(nèi)從20 世紀(jì)70 年代開始聲學(xué)多普勒測流技術(shù)研究，相關(guān)的研發(fā)機構(gòu)有中國科學(xué)院聲學(xué)研究所、哈爾濱工程大學(xué)、中國船舶集團第七一五研究所等，在國家海洋開發(fā)戰(zhàn)略支持下，我國自主研制的多型ADCP 產(chǎn)品量化生產(chǎn)[8]。

海上試驗是海洋儀器設(shè)備研發(fā)向工廠量化生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是研發(fā)的海洋儀器性能是否達(dá)到技術(shù)指標(biāo)的重要檢驗方法，儀器測量性能比測是海上試驗的主要內(nèi)容[9]。21 世紀(jì)以來，國內(nèi)相關(guān)機構(gòu)相繼開展了多次ADCP 海上比測試驗。劉軻等[10]設(shè)計了基于潛標(biāo)的ADCP 同步比測試驗方法，開展了多次長時間序列的比測試驗；江帆等[11]在南海海域開展ADCP 海上比對試驗，完成對ADCP 關(guān)鍵測量性能試驗分析；夏嵐等[12]基于錨泊式試驗平臺探索聲學(xué)多普勒流速剖面儀的海上測試方法。前人針對ADCP 海上比測開展的研究未具體分析影響試驗結(jié)果的因子，本文基于浮平臺和坐底平臺的ADCP 海上比測試驗是在借鑒國內(nèi)同行經(jīng)驗基礎(chǔ)上開展的，旨在通過實踐驗證基于浮平臺和坐底平臺開展ADCP 海上比測試驗效果和找到影響海上比測試驗結(jié)果的因子，為進一步完善國內(nèi)ADCP 測試檢驗機構(gòu)檢測能力提供依據(jù)，促進國產(chǎn)ADCP 產(chǎn)品測量性能的進一步提升。

1 平臺及參試設(shè)備

本文試驗在國家海洋綜合試驗場（威海） 試驗海域進行，選用海上浮平臺（圖1）和坐底平臺（圖2）。浮平臺為鋼質(zhì)漂浮式結(jié)構(gòu)體，重量約200 t、總排水量為432 t，采用雙浮體船型，長30 m，寬21 m，型深4.5 m，設(shè)計吃水2.2 m。平臺無自航能力，采用雙錨泊系統(tǒng)定位，是一個固定式的海上綜合試驗系統(tǒng)，具有一定的穩(wěn)定性和抗風(fēng)浪能力。坐底平臺可安裝一臺ADCP，并配備聲學(xué)釋放器，可保障ADCP 的測量和回收。

圖1 海上浮平臺

圖2 坐底平臺

參試設(shè)備均為TRDI 公司研制的ADCP，包括兩臺600 kHz 自容式聲學(xué)多普勒流速測量儀（Work Horse Sentinel ADCP，WHS ADCP）、一臺1 200 kHz WHS ADCP。不同型號ADCP 主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 參試ADCP 主要技術(shù)指標(biāo)

2 海上試驗

為保證比測ADCP 測量的是相同或相近水體的海洋流場，海上比測試驗通常采取同船或同站位搭載ADCP 進行測量比對。

2.1 試驗設(shè)計

試驗分兩個階段進行，第一階段為坐底平臺比測試驗，將兩臺WHS 600 kHz 的ADCP 安裝在兩個坐底平臺上，布放到相鄰位置的海底，同步測量垂直方向海水的流速、流向；第二階段為浮平臺比測試驗，將3 臺ADCP 安裝在同一個浮平臺上，在相近或相同的時間內(nèi)測量該平臺所在海區(qū)海水的流速、流向。

為更好地分析基于坐底平臺和浮平臺ADCP 海上比測試驗的效果及比測試驗的影響因素，試驗選取了技術(shù)指標(biāo)和測量性能相近的3 臺TRDI 公司研制的自容式ADCP，其中兩臺工作頻率為600 kHz（16239#、19777#）、1 臺1 200 kHz（21477#）。坐底平臺比測試驗時，兩臺600 kHz 的ADCP 設(shè)置相同參數(shù)、同一時間開始測量。浮平臺比測試驗時，為避免相同頻率ADCP 測量時相互干擾，通過設(shè)置參數(shù)使相同頻率ADCP 交替測量；為使16239#和21477#采樣時間基本相同，讓二者同步開始測量，以分析采樣時間差異對ADCP 比測結(jié)果的影響。通過分析不同海況條件下ADCP 的測量數(shù)據(jù)，研究海況（平臺穩(wěn)定性）對ADCP 測量性能比測結(jié)果的影響。

2.2 試驗過程

（1）第一階段

2021 年10 月23—26 日，基于坐底平臺開展16239#和19777#ADCP 海上比測試驗。具體步驟如下：淤拆卸兩臺ADCP 頂蓋，連接固定電池包，安裝頂蓋；于連接電腦對兩臺ADCP 進行時間校準(zhǔn)、羅盤校準(zhǔn)和參數(shù)設(shè)置（盲區(qū)、層厚、層數(shù)、Ping、采樣間隔、開始測量時間等參數(shù)相同）；盂將兩臺ADCP 安裝到不同的坐底平臺上，使用船舶將兩臺ADCP 布放在相鄰位置；榆測量48 h 后回收坐底平臺，拆卸清洗ADCP，連接電腦回傳觀測數(shù)據(jù)。

（2）第二階段

在浮平臺附近海域布放波浪騎士MK-III 浮標(biāo)監(jiān)測海域有效波高。2021 年12 月11—15 日，在浮平臺開展21477#、16239# 和19777#ADCP 比測試驗。具體步驟如下：淤拆卸3 臺ADCP 頂蓋，連接固定電池包，安裝頂蓋；于連接電腦對3 臺ADCP進行時間校準(zhǔn)、羅盤校準(zhǔn)和參數(shù)設(shè)置，主要參數(shù)設(shè)置詳見表2；盂工作順序為19777#工作50 s，休息130 s；21477# 休息60 s，工作100 s，休息20 s；16239# 休息60 s，工作50 s，休息70 s；循環(huán)進行；榆分別將3 臺ADCP 固定在浮平臺比測支架上，如圖3 所示；虞分別將3 套比測支架安裝到平臺相鄰位置處，ADCP 間距離在1.5~2.0 m，如圖4所示；愚測量72 h 后，分別回收3 套支架，拆卸回收清洗ADCP，連接電腦回傳觀測數(shù)據(jù)。

表2 參試ADCP 主要參數(shù)設(shè)置值

圖3 比測支架安裝ADCP

圖4 ADCP 在平臺固定位置分布

3 試驗結(jié)果研究

通過ADCP 自身相關(guān)性、回波強度和誤差限設(shè)置分別剔除ADCP 測量異常值，獲取試驗比測數(shù)據(jù)。

3.1 數(shù)據(jù)處理方法

試驗選取的比測設(shè)備為同類型、同型號的儀器，約定比測設(shè)備的測量值互為真實值，分層統(tǒng)計比測數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)和均方根誤差。

相關(guān)系數(shù)r反映兩個變量之間相互依賴性的度量，它等于兩個變量間的協(xié)方差除以各自方差之積的正平方根，如式（1）所示。

式中，xi為被測設(shè)備測量結(jié)果；yi為xi對應(yīng)的約定真值；為測量樣本的平均值；為約定真值樣本的平均值。均方根誤差S反映測量值與約定真值之間的偏差，如式（2）所示。

式中，n為樣本數(shù)。

比測設(shè)備默認(rèn)一致，對得到的均方根誤差進行誤差分離，得到單臺設(shè)備的均方根誤差s如下。

3.2 比測試驗結(jié)果

3.2.1 整體趨勢

（1）坐底平臺比測

按照數(shù)據(jù)處理要求得到坐底平臺比測的兩臺ADCP 測試數(shù)據(jù)，選取兩臺設(shè)備的第8 層和第16 層測得流速、流向數(shù)據(jù)進行對比分析。圖5 至圖8 為兩臺ADCP 海上試驗期間第8 層、第16 層的流速和流向變化曲線圖，可以看出兩臺ADCP 的流速、流向變化趨勢和大小都存在一定的偏差。

圖5 坐底平臺比測ADCP 第8 層流速隨時間變化曲線

圖6 坐底平臺比測ADCP 第16 層流速隨時間變化曲線

圖7 坐底平臺比測ADCP 第8 層流向隨時間變化曲線

圖8 坐底平臺比測ADCP 第16 層流向隨時間變化曲線

（2）浮平臺比測

按要求處理后得到浮平臺上試驗的3 臺ADCP的測試數(shù)據(jù)，選取第8 層和16 層3 臺ADCP 測得流速、流向數(shù)據(jù)進行對比分析。圖9 至圖12 為3臺ADCP 海上試驗期間第8 層、第16 層的流速和流向變化曲線圖，可以看出3 臺ADCP 在相同深度的流速大小和流速流向的變化趨勢基本吻合，而3 臺ADCP 流向存在一定的偏差。圖13 至圖16 為3 臺ADCP 海上試驗期間兩個時次（12 月14 日1 時58分、12 月15 日8 時1 分）流場深度剖面變化曲線圖，3臺ADCP 測量的流速和方向在4~24 m 的測量剖面內(nèi)吻合良好，數(shù)值大小和變化趨勢基本一致。

圖9 ADCP 第8 層流速隨時間變化曲線

圖10 ADCP 第16 層流速隨時間變化曲線

圖11 ADCP 第8 層流向隨時間變化曲線

圖12 ADCP 第16 層流向隨時間變化曲線

圖13 12 月14 日1 時58 分ADCP 流速剖面分布

圖14 12 月14 日1 時58 分ADCP 流向剖面分布

圖15 12 月15 日8 時1 分ADCP 流速剖面分布

圖16 12 月15 日8 時1 分ADCP 流向剖面分布

3.2.2 坐底平臺和浮平臺比測結(jié)果對比

選取參與兩個階段試驗的19777#與16239#ADCP比測數(shù)據(jù)進行對比分析。表3、表4 分別列出兩臺ADCP 坐底平臺和浮平臺比測統(tǒng)計值。如表所示，坐底平臺和浮平臺比測得到的流向相關(guān)系數(shù)接近，而坐底平臺較浮平臺比測得到的流速相關(guān)系數(shù)小20%、流速均方根誤差大110 mm/s、流向均方根誤差大7°。浮平臺比測效果優(yōu)于坐底平臺比測，分析主要受兩個因素影響：一是坐底平臺布放過程中的不可控因素多，操作難度大，很難保證設(shè)備水平；二是為保證安全，兩個坐底平臺位置不能很近，而近海受潮流影響，流場的時空變化大，兩臺設(shè)備所測的相近流場也反映在比測數(shù)據(jù)中。

表3 坐底平臺19777#與16239#ADCP 第8 層和16 層比測統(tǒng)計值列表

表4 浮平臺19777#與16239#ADCP 第8 層和16 層比測統(tǒng)計值列表

表5 19777#與21477#ADCP 第8 層和16 層比測統(tǒng)計值列表

3.2.3 采樣時間對試驗結(jié)果的影響

浮平臺比測試驗16239#和21477#ADCP 同步測量，19777#ADCP 采樣時間與16239#和21477#ADCP岔開1 min。統(tǒng)計3 臺ADCP 流速、流向兩兩比對的相關(guān)系數(shù)和均方根誤差，見表4 至表6。如表所示，流速比對相關(guān)系數(shù)最高的是16239# 與21477#ADCP 的第16 層為0.984 1，相關(guān)系數(shù)最低的是19777#與16239#ADCP 的第16 層為0.949 5；流速比對均方根誤差最小的是16239# 與21477#ADCP 的第16 層為26.65 mm/s，均方根誤差最大的是19777# 與16239#ADCP 的第16 層為46.90 mm/s；流向比對相關(guān)系數(shù)最高的是16239#與21477#ADCP 的第8 層為0.948 7，相關(guān)系數(shù)最低的是19777#與16239#ADCP 的第16 層為0.839 4；流向比對均方根誤差最小的是16239#與21477#ADCP第8 層為21.90°，均方根誤差最大的是19777#與16239#ADCP 的第16 層為43.58°。同步測量的16239#與21477#ADCP 流速、流向比對結(jié)果的一致性最好，相同頻率、采樣時間不同的19777# 與16239#ADCP 流速、流向比對結(jié)果一致性最差。

表6 16239#與21477#ADCP 第8 層和16 層比測統(tǒng)計值列表

3.2.4 海況對試驗結(jié)果的影響

圖17 為ADCP 海上浮平臺比測試驗期間波浪騎士浮標(biāo)監(jiān)測的有效波高數(shù)據(jù)變化曲線。如圖17所示，試驗過程中，一次天氣過程讓海面有效波高在12 月11 日夜間顯著增大，12 月13 日14 ：30 前有效波高基本在0.5 m 以上，此后有效波高逐漸變小，基本在0.5 m 以下。根據(jù)3.2.3 節(jié)結(jié)果分析，選取一致性最好、同步測量的兩臺ADCP 觀測數(shù)據(jù)來分析不同海況對比測試驗的影響。分別計算12 月11 日16 ：00 至13 日14 ：30 和12 月13 日14 ：30至15 日13 ：00 兩個時間段16239#與21477#ADCP海上比測流速、流向數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)和均方根誤差，見表7 至表8。如表所示，Hs<0.5 m 時流速比對相關(guān)系數(shù)較Hs>0.5 m 時高0.02 左右，Hs<0.5 m時流速比對均方根誤差較Hs>0.5 m 時小12 mm/s左右；Hs<0.5 m 時第8 層流向比對相關(guān)系數(shù)與Hs>0.5 m 時相近，Hs<0.5 m 時第16 層流向比對相關(guān)系數(shù)較Hs>0.5 m 時高0.05 左右，Hs<0.5 m 時第8 層流向比對均方根誤差較Hs>0.5 m 時小9.65°、第16 層流向比對均方根誤差較Hs>0.5 m 時小5.52°。海況好（Hs<0.5 m）時比測試驗的流速、流向比對結(jié)果一致性優(yōu)于海況差（Hs>0.5 m）時。

表7 不同海況條件下16239#與21477#ADCP 第8 層和16 層比測相關(guān)系數(shù)列表

表8 不同海況條件下16239#與21477#ADCP 第8 層和16 層比測均方根誤差列表

圖17 試驗海域有效波高隨時間變化曲線

3.3 試驗結(jié)果分析

梳理和分析海上比測試驗數(shù)據(jù)可得出以下試驗結(jié)果。

（1）坐底平臺試驗比測ADCP 流速、流向大小和隨時間變化趨勢都存在一定偏差；浮平臺試驗比測ADCP 流速大小和隨時間、剖面深度的變化趨勢基本一致，流向隨時間、剖面深度的變化趨勢基本吻合，但流向大小存在固定偏差。

（2）不同頻率、同步測量的ADCP 測量數(shù)據(jù)一致性優(yōu)于同頻率、采樣時間不同的測量數(shù)據(jù)一致性，表明不同工作頻率的ADCP 同時測量的一致性較好，而流場的瞬時變化影響了不同時段比測的結(jié)果。

（3）Hs< 0.5 m 時浮平臺比測的ADCP 流速、流向比對統(tǒng)計結(jié)果要優(yōu)于Hs>0.5 m 時，應(yīng)是浪高增大時對平臺沖擊造成平臺搖晃對ADCP 測量產(chǎn)生影響造成的。

（4）最優(yōu)的比測結(jié)果是基于浮平臺在Hs<0.5 m的海況條件下同步測量的ADCP 第8 層比對得到，流速、流向比對相關(guān)系數(shù)分別為0.992 7 和0.9990，流速、流向比對均方根誤差分別為14.21mm/s和12.26°。

（5）本文ADCP 比測試驗中浮平臺比測效果優(yōu)于坐底平臺，在今后開展海上ADCP 比測試驗時，可優(yōu)先考慮選用浮平臺在Hs<0.5 m 的海況條件下開展同步比測。

4 結(jié) 論

本文驗證了基于不同平臺開展聲學(xué)多普勒流速剖面測量儀海上比測試驗的可行性和影響比測試驗結(jié)果的因素。通過不同平臺的試驗數(shù)據(jù)對比，發(fā)現(xiàn)浮平臺試驗效果優(yōu)于坐底平臺，流速比測結(jié)果最為明顯。相較于坐底平臺，浮平臺比測試驗除數(shù)據(jù)一致性結(jié)果較好外，浮平臺距岸邊近、穩(wěn)定性高，擁有較強的抗風(fēng)浪能力，而且實驗設(shè)施齊全、信息傳輸和供電便利，是海洋儀器設(shè)備試驗與測試更為理想的平臺。ADCP 采樣時間、試驗海況條件和比對剖面深度等因素對海上比測試驗結(jié)果有一定影響，為保證比測的客觀性，海上比測試驗應(yīng)盡可能在低海況（Hs<0.5 m）時基于盡可能靜止的浮平臺上進行，待測ADCP 與比測標(biāo)準(zhǔn)ADCP 安裝盡可能靠近、采樣時間盡可能一致，還應(yīng)選擇合適比對深度的數(shù)據(jù)進行處理分析。

受限于試驗條件，沒有在試驗前對3 臺ADCP的測量性能通過靜態(tài)性能測量試驗來確認(rèn)，希望在日后的試驗中能夠進一步完善相關(guān)工作。作為檢測國產(chǎn)ADCP 測量性能的重要手段，還需開展大量的ADCP 海上比測試驗來完善，并在試驗的過程中進一步提出對ADCP 測量性能、特別是海上現(xiàn)場測量性能進行評價的具體標(biāo)準(zhǔn)，為ADCP 海上比測試驗標(biāo)準(zhǔn)的建立提供參考。