基于計(jì)算機(jī)的信息數(shù)據(jù)處理方法研究

趙艷斌

（鄭州煤礦機(jī)械制造技工學(xué)校，河南 鄭州 450013）

基于計(jì)算機(jī)的信息數(shù)據(jù)處理方法研究

趙艷斌

（鄭州煤礦機(jī)械制造技工學(xué)校，河南 鄭州 450013）

針對目前數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和處理方法的問題，采用拉依達(dá)準(zhǔn)則剔除異常數(shù)據(jù)，卡爾曼濾波處理同一水層的數(shù)據(jù)，平滑濾波處理剖面上的數(shù)據(jù)，Akima插值計(jì)算缺測層的數(shù)據(jù)。通過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，非常有效。

ADCP;卡爾曼濾波;平滑;Akima

聲學(xué)多普勒測流剖面儀（ADCP）是目前國際上測量多層海流剖面的最有效方法，但目前國內(nèi)比較實(shí)用的后處理軟件還沒有，并且ADCP的數(shù)據(jù)后處理和質(zhì)量控制尚未形成統(tǒng)一通用的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。ADCP生產(chǎn)商提供的說明文檔也主要側(cè)重于ADCP的觀測和維護(hù)，對ADCP的數(shù)據(jù)后處理和質(zhì)量控制涉及很少。

1 ADCP測流基本原理

ADCP通過測定聲波入射到海水中微顆粒后向散射在頻率上的多普勒頻移，從而得到水層水體的運(yùn)動速度。假定水體中顆粒物的運(yùn)動速度與水流速度相同，ADCP通過跟蹤顆粒物的運(yùn)動，測定水流相對于ADCP的速度，此速度扣除載體速度后，即得到水流相對于地球坐標(biāo)系的絕對速度。載體速度主要通過底跟蹤測定。

2 數(shù)據(jù)處理技術(shù)

（1）數(shù)據(jù)剔除。ADCP測量時(shí)，由于儀器失靈或外界條件的嚴(yán)重干擾，會出現(xiàn)少數(shù)比正常值大得多或小得多的所謂異常數(shù)據(jù)。先分別計(jì)算東分量流速和北分量流速在1min觀測時(shí)間段內(nèi)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，剔除偏離3倍標(biāo)準(zhǔn)差的的數(shù)據(jù)，然后循環(huán)這一過程，直到所有剩余數(shù)據(jù)值在3倍的標(biāo)準(zhǔn)差內(nèi)，再對這些1min內(nèi)的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行平均構(gòu)成常規(guī)1次/min的海流觀測結(jié)果，即拉依達(dá)準(zhǔn)則。這是獲得較為準(zhǔn)確的絕對水流數(shù)據(jù)的前提。

（2）卡爾曼濾波。針對ADCP在163min內(nèi)所測量的海流數(shù)據(jù)，用上述異常數(shù)據(jù)剔除的方法處理每層數(shù)據(jù)后，每層可以得到163個(gè)海流數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)一些層的海流數(shù)據(jù)因船舶本身噪聲和海洋中生物的運(yùn)動存在很大隨機(jī)波動，在處理過程中，必須將這些不能反映海洋內(nèi)部流場狀態(tài)的噪音去掉。這里采用卡爾曼濾波。卡爾曼濾波基本公式如下：

用卡爾曼濾波對東分量流速和北分量流速濾波后再合成，其流速、流向仿真結(jié)果如圖1所示：

圖1 流速與流向的濾波前與濾波后的比較圖

如圖1所示，可以看出，變化幅度大的地方，確實(shí)已經(jīng)被濾掉，無論是流速矢量的大小還是方向同，明顯失真的數(shù)據(jù)已被濾掉，而濾波結(jié)果又能很好反映這段時(shí)間內(nèi)流速的變化。

（3）脈動性數(shù)據(jù)處理。對每層海流數(shù)據(jù)卡爾曼濾波后，發(fā)現(xiàn)ADCP剖面數(shù)據(jù)具有脈動性。將脈動性數(shù)據(jù)平滑處理，這里用五點(diǎn)三次平滑方法。假設(shè)所用數(shù)據(jù)是x和y組成的一組測量數(shù)據(jù) ｛(xi,yi),i=0,1,…,n-1｝,雖然x和y之間的函數(shù)形式不可知，但總可以找到一個(gè)多項(xiàng)式來近似地描述y與x的關(guān)系。因此有：y=a0+a1x+a2x+…aktk，當(dāng)k=3時(shí)就是三次多項(xiàng)式，在每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的前后各取2個(gè)相鄰點(diǎn)，并通過最小二乘法確定系統(tǒng)a0、a1、a2、a3,得到五點(diǎn)三次遞歸平滑公式如下：

其中表示的平滑值。以ADCP測量的一組垂直剖面上的流速數(shù)據(jù)為例，對其進(jìn)行五點(diǎn)三次平滑，結(jié)果如圖2所示：

圖 2流速平滑前與平滑后的比較

由結(jié)果可知，脈動現(xiàn)象基本被消除，平滑后的曲線進(jìn)一步揭示了垂直剖面水流速度的特征。另外，平滑濾波有效地提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。

（4）內(nèi)插計(jì)算缺測層的流速流向。在ADCP測量中，一方面實(shí)測水層往往不是預(yù)定的標(biāo)準(zhǔn)層，另一方面由于儀器發(fā)生故障會發(fā)生待定層次的缺測現(xiàn)象，需用實(shí)測值進(jìn)行內(nèi)插處理。Akima插值法具有較高的精度、較好的光滑性和保凸性等特點(diǎn)。對于結(jié)點(diǎn)x0＜x1＜…＜xn-1，其對應(yīng)的函數(shù)值為y0,y1,…,yn-1。在區(qū)間 ［xk,xk+1］（k=0,1,…n-2）上，

則在些區(qū)間上可以確定一個(gè)三次多項(xiàng)式：s(x)=s0+s1(x-xk)+s2(x-xk)2+s3(x-xk)3，其中x∈ ［xk,xk+1］,s0,s1,s2,s3為系數(shù)。此時(shí)可用三次多項(xiàng)式確定該區(qū)間上的插值點(diǎn)t對應(yīng)的函數(shù)值。根據(jù)Akima幾何條件有:

當(dāng)uk+1=uk且uk-1=uk-2時(shí)，gk=0.5(uk-1-uk)

當(dāng)uk+2=uk+1且uk=uk-1時(shí)，gk+1=0.5(uk-uk+1)

在端點(diǎn)處有：

最后得到x∈ ［xk,xk+1］的函數(shù)近似為：

流速計(jì)算步驟是先分別對東向、北向速度進(jìn)行Akima插值，再合成，流向是東向、北向速度的反正切。

3 結(jié)語

文章主要是研究ADCP數(shù)據(jù)處理的方法，利用卡爾曼濾波處理同一水層的數(shù)據(jù)、平滑濾波處理垂直剖面上的數(shù)據(jù)以及Akima插值方法計(jì)算缺測層的數(shù)據(jù)。通過實(shí)驗(yàn)及與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的比較，驗(yàn)證了這種ADCP數(shù)據(jù)處理方法的有效性。

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A Study on Processing Methods of Information Data Based on Computer

ZHAO Yan-bin
(Zhengzhou Coal Mining Machinery Vestibule School,Zhengzhou,Henan 450013,China).

In allusion to the quality control and processing methods of data,Pauta criterion is applied to remove abnormal data and Kalman filtering is used to process data in the same layer,smoothing filtering is applied to process the data in profile and then calculate the data which is not measured based on Akima interpolation.It is proved to be effective after test with experiments.

ADCP;kalman filtering;smoothing;Akima

TP274.2

A

2095-980X（2015）01-0032-02

2014-11-15

趙艷斌（1980-），男，河南武陟人，大學(xué)本科，講師，主要研究方向：技工學(xué)校計(jì)算機(jī)教育教學(xué)研究。