聲學多普勒流速剖面儀關鍵測量性能海上比對試驗及結果分析

江 帆，程紹華，龐永超

（國家海洋標準計量中心，天津 300112）

聲學多普勒流速剖面儀（Acoustic Doppler Current Profiler，ADCP）是一種水聲學流速計，通過接收散射體返還的回波信號，對其多普勒效應頻移進行計算而得到流速。ADCP廣泛用于河道流量測量、海洋波浪觀測以及大剖面流速觀測，近幾年我國在ADCP自主研發和應用方面取得了較大進展。

為了加快我國海洋觀測、調查儀器設備市場化進程，國家組織各類平臺針對相對成熟的設備開展第三方獨立檢驗和驗證。“海洋儀器設備規范化海上試驗”是科技部海洋環境安全保障專項項目，旨在為各類海洋儀器設備提供科學完善的海試條件與規范化作業保障，為儀器設備的可靠性、穩定性及環境適應性等提供第三方獨立檢驗和驗證。

針對ADCP海上比測實驗，國內外同行開展了一些同類試驗。1993年，英國南安普頓海洋研究中心在航次中用GPS和ADCP進行比對實驗，并對如何開展數據修正提出了建議[1]。2001年，美國夏威夷大學Pettigrew N R等[2]用RDI（Teledyne RD Instruments）寬頻和窄帶兩種儀器開展走航比對試驗。2003年，美國緬因大學科學家將RDI Workhorse ADCP和Aanderaa RDCP同架安裝，還加入了Aanderaa RCM9 MKII海流計開展多儀器的長時間序列的比對試驗[3]。2012年，海軍海洋測繪研究所根據多個航次兩臺RDI ADCP比測數據的分析提出了ADCP測速精度優化算法[4]。2014年，劉軻等[5]進一步深化了ADCP同步比測試驗方法，設計了潛標比測試驗，開展了多次長時間序列的比測試驗。本次試驗是在總結國內外試驗基礎上設計的試驗方案和數據處理方法，旨在通過實踐為進一步規范和提升我國海洋環境監測設備第三方檢驗和驗證能力提供理論依據。

1 比測試驗方法

海上比對試驗通常采取同船或者同站位搭載不同型號ADCP或其他標準設備進行比測。本次海上比對主要是對某國產基于水下移動平臺的300 kHz ADCP（AS01）的底跟蹤測速精度、流速測量精度等測量性能開展現場試驗。試驗方法主要依據海洋行業標準《聲學多普勒流速剖面儀檢測方法》（HY/T 102—2007）[6]和國家標準 《聲學多普勒流速剖面儀》（GB/T 24558—2009）[7]制定。其中《聲學多普勒流速剖面儀檢測方法》規定了全球定位系統（GPS）檢測法和同類型測流儀器檢定法兩種方法，國標 《聲學多普勒流速剖面儀》規定了ADCP產品的類型和組成、要求、試驗方法、檢驗規則等。

試驗使用的標準設備為美國RDI 300 kHz ADCP，美國Navcom公司的星際差分GPS和北京自動化控制設備研究所生產的光纖羅經，其中差分GPS和光纖羅經均由法定計量檢定機構檢定合格。

1.1 底跟蹤測速精度比對試驗方法

底跟蹤測速精度考核采用GPS檢測法，比較待測ADCP與GPS在往返航行中同一地點的測量值矢量差[8]，為了提高測量精度，本次試驗選擇差分GPS為標準儀器。加拿大研究人員利用差分GPS針對不同的動態條件測速試驗，證明低速情況差分GPS測速可以達到mm/s級精度，高動態條件下差分GPS測速誤差與載體的運動加速度和加速度變化率成正比例關系，最差時測速誤差達到0.2 m/s以上。

試驗時將AS01安裝在試驗船的豎井中，羅經安裝在實驗室提供船體縱搖及橫搖數據，差分GPS安裝在靠近豎井位置的船頂上方。將走航時AS01測得的底跟蹤速度與光纖羅經、差分GPS測得的船舶對地的運動速度大小和方向進行比測，可考核AS01底跟蹤速度的偏差。

1.2 流速測量精度比對試驗方法

采用同類型測流儀器檢定法開展流速測量精度試驗，將RDI ADCP與AS01安裝在同一個相對穩定的平臺，通過同步分時比測的方式使兩者以最小的時間間隔交替工作進行流速測量精度考核試驗。穩定的平臺包括坐底支架、懸浮潛標、豎井支架等，設備安裝示意見圖1。

圖1 與國外同類型ADCP走航測流同步分時比測設備安裝示意圖

1.3 質量控制

（1）Joyce系統誤差的修正方法[9]目前廣泛應用于走航式ADCP的數據處理中。開展標定試驗，并參照該方法減少系統測速偏差和羅經與多普勒測流測速儀艏向的安裝偏角所帶來的測量誤差，詳細過程參見2.1節內容。

（2）海上比測采用同步機制、交替測量的工作方式，是進行同步比測的必備因素，在不相互干擾的前提下，交替周期越短越好，以不長于5 s為宜。同步比測方法消除了走航比測時兩臺測流儀器之間安裝位置不同導致的誤差以及分時測量導致的誤差，確保比測數據的客觀可信。

（3）海上試驗不可避免地會出現流場擾動，所以要去除較大流場擾動的數據和測量過程中的異常數據。參考標準《聲學多普勒流速剖面儀》，利用3σ準則去除奇異點，去除奇異點后ADCP的數據獲取率不能低于80%，否則本次試驗數據無效。去除奇異點流速數據，計算一元線性回歸和標準偏差，若某時間點斜率絕對值大于0.2，或3倍標準偏差大于20 cm/s，則屬于不穩定流場，剔除該結果。

2 試驗過程及數據處理

2.1 標定試驗

選取適宜試驗海區，試驗船保持直線航行，保證差分GPS和AS01時間基準一致，試驗船以低速（5～6 kn）平穩直線航行；航行1 h后，加速到高速（9～10 kn），繼續以平穩速度直線航行1 h，試驗船調頭沿反方向高速（9～10 kn）行駛1 h，試驗船以低速（5～6 kn）平穩直線航行1 h，試驗結束，存儲差分GPS、慣導測速和AS01測速數據。在不同水深的平坦海域，重復上述步驟完成第2個深度的標定試驗，利用Joyce系統誤差的修正方法獲得兩組測速系數和偏角作為測量數據的修正值。

將差分GPS測速結果由式（1）和式（2）轉換為橫向（Vgx）、縱向速度(Vgy)：

測速系數k和安裝偏角α，可由公式（3）計算。如果進行多航程標定，可以得到一組標定系數：ki、αi(i=1,2…N)，可以將航程測得的修正參數測速系數k和安裝偏角α進行統計平均，見式（4）和式（5）。

2.2 底跟蹤測速精度試驗

在水深約200 m的試驗海區，試驗船直線航行不小于10 km，開啟底跟蹤模式，不同航速、方向下共進行4個條次的實驗，按照每30個數據點的平均值作為一個精度統計的樣本點,獲得精度統計的樣本點，記為NS0。從而由式（6）和式（7）可以求出測速精度σcx和σcy,Vcx,Vcy分別為AS01測得的橫向速度和縱向速度。

由公式（8）可計算多普勒測流測速儀測速精度σc。

根據實驗數據處理結果，4個航段的底跟蹤精度結果見表1。各航段航行水深、AS01與差分GPS測速、方向測量比較結果見圖2。

表1 底跟蹤精度結果

圖2 各航段航行水深、AS01與差分GPS測速、方向測量比較結果

2.3 流速測量精度試驗

采用走航測流同步比測試驗的方法開展流速測量精度試驗，在水深大于200 m、海底地形較為平坦的試驗海區，試驗船以5 kn和10 kn兩個速度平穩直線航行，保持航速和航向穩定。兩套比測儀器均設置層厚4 m、測流層20層、盲區6 m，采用同步機制、交替測量的工作方式，AS01設置為主同步工作模式，通過統計方式可以單層測量各個深度（單層流速）的流速測量精度利用相關系數和回歸系數進行統計，見表2和表3。以AS01（IOA）與比測儀器（RDI）5 kn船速第19層和10 kn船速第4層為例繪制比測曲線圖，見圖3和圖4。

表2 5 kn航速AS01與RDI ADCP流速測量結果

表3 10 kn航速AS01與RDI ADCP流速測量結果

圖3 5kn船速、第19層AS01與ADCP流速測量結果

圖4 10 kn船速、第4層AS01與ADCP流速測量結果

3 結論

從本文中可以看出，以GPS檢測法和同類型儀器比測方法為基礎開展ADCP的海上比對試驗，通過與比對儀器的相關性、趨勢性進行比較和統計分析，可以對ADCP流速測量精度、底跟蹤測速精度等關鍵性能指標的現場表現和環境適用性等進行評估，比對試驗結果對于保障ADCP海洋觀測數據的準確可靠也起到比較重要的作用。但是由于海上比對試驗受限于海洋空間環境的復雜性，試驗期間海流數據不具備可復現性，而且若使用ADCP作為比對儀器其本身無法實現量值溯源，對ADCP開展精細化評估難以實現，無法給出詳實的評測結果。ADCP海上比對方法、評測依據需要進一步優化以提高比對精度和量值溯源性。下一步工作將依托海上試驗場，特別是海流“透明”試驗場作為ADCP海上試驗量值傳遞的節點和數據保障平臺開展精細化分析試驗，結合更全面的海上比對試驗數據，來優化ADCP整體性能的海上比對方法和評估標準。