深海錨系潛標(biāo)ADCP數(shù)據(jù)處理的質(zhì)量控制研究

陳子飛，任 強(qiáng),4，南 峰，王建豐，徐安琪，于 非,4,5*

(1. 中國科學(xué)院海洋研究所，山東 青島 266071；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049； 3. 中國科學(xué)院海洋環(huán)流與波動重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266071； 4. 中國科學(xué)院海洋大科學(xué)研究中心，山東 青島 266071； 5. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國家實(shí)驗(yàn)室，海洋動力過程與氣候功能實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266237)

海洋科學(xué)是一門以觀測為基礎(chǔ)的科學(xué)。在過去幾十年中，海洋觀測受到全球的關(guān)注，尤其是物理環(huán)境的觀測，在觀測方法、觀測范圍、觀測技術(shù)和觀測精度等方面取得長足進(jìn)步[1]。一系列以觀測為基礎(chǔ)的科技計(jì)劃被相繼提出，如深海空間站、“透明海洋”“智慧海洋”“深淵探索”等[1-4]。特別是在中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)“熱帶西太平洋海洋系統(tǒng)物質(zhì)能量交換及其影響”的支持下，2017—2019年期間，我國在西太平洋深海已實(shí)現(xiàn)對20套潛標(biāo)的維護(hù)升級，最大深度達(dá)6000 m，同時(shí)具備實(shí)時(shí)傳輸功能的潛標(biāo)達(dá)到10套，實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)重大突破[5-7]。潛標(biāo)觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)獲取和實(shí)時(shí)傳輸為我國海洋學(xué)和氣候?qū)W研究提供持續(xù)的數(shù)據(jù)支撐，將提高我國氣候和海洋環(huán)境預(yù)測能力，同時(shí)也在海洋環(huán)境安全保障方面具有重大的意義。

海洋上層、中層和深層環(huán)流系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征、變異規(guī)律以及動力學(xué)機(jī)制間的聯(lián)系無疑是物理環(huán)境觀測的重要方面，所以，現(xiàn)在海洋觀測體系中基本離不開對海流的觀測。聲學(xué)多普勒流速剖面儀（Acoustic Doppler Current Profiler，ADCP）以固定的頻率向水中發(fā)射聲波，然后接收從聲散射體返回的聲波。這些聲散射體在海洋中分布廣泛，通常是一些懸浮粒子或浮游生物，它們的速度跟水流的速度保持一致。因此，我們可以通過ADCP測得海水中懸浮粒子的速度，即海水的流速[8]。ADCP作為一種大范圍、高效率、長時(shí)間的海水流速剖面測量工具，它的發(fā)明和應(yīng)用使我們對海洋中的很多動力學(xué)問題和物理現(xiàn)象有了全新的認(rèn)識。

然而，在實(shí)際的海流觀測中，ADCP獲取的數(shù)據(jù)不免會因?yàn)橥獠恳蛩卮嬖谝恍┊惓＃玺~群的游動導(dǎo)致在某個(gè)或某部分深度上測得異常流速信號。雖然ADCP產(chǎn)品性能逐漸提高，數(shù)據(jù)質(zhì)量水平有明顯改進(jìn)，但是，當(dāng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)明顯異常時(shí)，如條帶狀異常流速數(shù)據(jù)（Striped Abnormal Data），技術(shù)人員只能依賴手動去除，處理效率低，出錯(cuò)率高。因此，為了保證科學(xué)研究結(jié)論的準(zhǔn)確性，必須有效地對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制。本文將基于深海潛標(biāo)系統(tǒng)上的錨系式ADCP觀測，開展數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的研究工作，重點(diǎn)解決錨系式ADCP觀測中普遍存在的條帶狀異常問題。

1 數(shù) 據(jù)

2017年4月，中科院海洋研究所和自然資源部第三海洋研究所利用“科學(xué)號”科考船在西太平洋（146° E，30° N）布放了一套深水潛標(biāo)觀測系統(tǒng)。潛標(biāo)由錨系、釋放器、浮力部件和主浮體、測量儀器等部分組成，是實(shí)現(xiàn)水下定點(diǎn)、長時(shí)序連續(xù)觀測的主要設(shè)備，潛標(biāo)布放深度達(dá)6183 m。次年6月，中科院海洋研究所搭載“科學(xué)號”科考船成功對潛標(biāo)設(shè)備進(jìn)行了回收，獲取了長達(dá)429天的定點(diǎn)連續(xù)觀測數(shù)據(jù)。觀測海區(qū)位于副熱帶逆流與黑潮延伸體邊界交叉影響區(qū)域，具有豐富的流系結(jié)構(gòu)和活躍的中尺度渦活動特征[9-11]，是海洋—大氣相互作用的關(guān)鍵區(qū)域。

在潛標(biāo)主浮體上下兩端分別各安裝一臺75 kHz ADCP（圖1）。該型ADCP是TRDI公司研制的WorkHorse系列中一種流速觀測剖面儀。目前，該產(chǎn)品也廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測浮標(biāo)、海上石油鉆井平臺和極地潛標(biāo)研究等領(lǐng)域，是獲取季節(jié)和年際流場結(jié)構(gòu)的最佳選擇。表1是75 kHz ADCP主要性能規(guī)格。

圖1 潛標(biāo)主浮球與配置的2臺上打和下打TRDI 75 kHz ADCP

表175 kHz ADCP主要性能規(guī)格

本研究中，主浮體上75 kHz ADCP在布放時(shí)的配置參數(shù)如下，每次Ensemble發(fā)射Ping的次數(shù)設(shè)為30次，Ping指ADCP一次采樣過程，包括準(zhǔn)備、脈沖發(fā)射、回波接收和信號處理；每一次Ensemble的間隔為1 h，Ensemble指多次Ping的集合平均，即30次采樣計(jì)算的平均值；通常Ping數(shù)越高，數(shù)據(jù)越精確。Time-averaging interval設(shè)為最小時(shí)長，指Ensemble采樣歷時(shí)，在該采樣歷時(shí)內(nèi)，所有Ping采樣數(shù)據(jù)經(jīng)過平均后輸出；深度單元Depth cell (Bin)設(shè)置為8 m，Bin指ADCP在接收回波信號時(shí)將水體劃分為許多深度單元，實(shí)測流速是每個(gè)單元內(nèi)的流速平均值，水體共74個(gè)深度單元。

2 ADCP質(zhì)量控制方法

在實(shí)際海流測量應(yīng)用中，復(fù)雜的水體環(huán)境（如氣泡、魚類等）、海水屬性（躍層）和儀器的姿態(tài)等都可能會對ADCP數(shù)據(jù)的質(zhì)量造成比較大的影響。因此，在使用ADCP數(shù)據(jù)前對其進(jìn)行質(zhì)量控制處理就顯得格外重要。控制ADCP數(shù)據(jù)質(zhì)量的參數(shù)如下。

水平速度（Horizontal Velocity）和垂向速度（Vertical Velocity），用來標(biāo)記大于給定閾值的流速。不同的研究海區(qū)對應(yīng)的最大流速閾值可能不同，大洋里最為強(qiáng)勁的海流就是北半球的兩只西邊界流，即黑潮和灣流，其最大流速通常小于1.5 m/s。

良好率（Percent Good），用來確保有效采樣數(shù)（Pings）和理論標(biāo)準(zhǔn)差滿足要求；Ping數(shù)可以用來計(jì)算一次Ensemble內(nèi)流速的理論標(biāo)準(zhǔn)差。良好率是評估數(shù)據(jù)質(zhì)量的一個(gè)最重要也是最常用的指標(biāo)，指標(biāo)范圍為0～100。如100，則表示深度單元內(nèi)有效Ping數(shù)占總Ping數(shù)的比值為100%。

縱搖（Pitch）和橫搖（Roll），用來確保儀器姿態(tài)處于可接受的變化范圍。縱搖是指沿ADCP的前后舷軸方向轉(zhuǎn)動，而橫搖是指沿ADCP左右舷軸轉(zhuǎn)動。對于錨系A(chǔ)DCP，傾角一般要求小于30°。

回波強(qiáng)度（Echo Intensity），用來確保污染區(qū)域的數(shù)據(jù)被標(biāo)記出來，如表層或底層以及任何存在障礙物干擾的數(shù)據(jù)。回波強(qiáng)度有助于確定每個(gè)深度單元內(nèi)散射體的相對含量，也可以用來判斷表層、底層或障礙物的位置。

相關(guān)幅值（Correlation Magnitude），用來確保使用最優(yōu)的測量數(shù)據(jù)。相關(guān)幅值是每個(gè)深度單元中Pings脈沖與脈沖間相關(guān)性的度量。對于給定的ADCP，相關(guān)幅度具有一個(gè)恒定的值。隨著相關(guān)幅值的降低，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性也隨之降低。75 kHz ADCP期望的相關(guān)幅值是128，低于這個(gè)閾值表明信噪比較低。

速度誤差（Velocity Error），用來確保ADCP每一個(gè)聲束（Beam，75 kHz具有4個(gè)聲束）測量到的速度對應(yīng)的是同一處水流。ADCP測流假定海水是各向同性的，因此，理論上每個(gè)聲束測量的水流速度均相同，見圖 2（a）。理論上計(jì)算三維流速僅需要3個(gè)聲束，冗余的第4個(gè)聲束可以用來計(jì)算速度誤差，評估同一層內(nèi)水體各向同性的假設(shè)是否合理。

旁瓣干擾（Side Lobe Effects），在旁瓣影響區(qū)內(nèi)，流速測驗(yàn)數(shù)據(jù)無效。這是由于在主聲束（主瓣）聲波達(dá)到底部之前，斜旁瓣聲束（斜瓣）聲波已經(jīng)到達(dá)底部而形成的，見圖2（b）。當(dāng)聲速角為20°時(shí)，旁瓣影響區(qū)的厚度約為測量深度的6%；25°時(shí)約為10%；30°時(shí)約為15%。

圖2 速度誤差與旁瓣干擾示意圖

以上參數(shù)中，良好率和速度閾值是常用的質(zhì)控參數(shù)。然而，只單獨(dú)考慮它們是不夠的，還需要綜合考慮回波強(qiáng)度、相關(guān)幅值和速度誤差才能保留有效的數(shù)據(jù)，剔除無效的數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果與討論

75 kHz ADCP原始觀測數(shù)據(jù)的水平流場結(jié)果顯示，一方面表層存在顯著的數(shù)據(jù)異常，另一方面在不同深度上還存在很多條帶狀的數(shù)據(jù)異常結(jié)果（圖3）。

圖3 未質(zhì)控處理的原始水平流速時(shí)間序列

因此，ADCP數(shù)據(jù)質(zhì)量控制流程如圖4所示。

圖4 ADCP數(shù)據(jù)處理的質(zhì)量控制流程圖

3.1 旁瓣干擾質(zhì)控

圖3顯示，表層出現(xiàn)顯著的數(shù)據(jù)異常。這有可能是表層水體含有較多的氣泡造成的誤差。海表面的氣泡是強(qiáng)散射體，但是海表面的氣泡并不能作為海水中的散射介質(zhì)，其自身運(yùn)動方式的隨機(jī)性較大，不能代表海水的運(yùn)動，所以，表層氣泡反射而回的聲波信號會引起較大的觀測誤差。除了氣泡外，表層誤差也與ADCP采樣時(shí)旁瓣干擾有關(guān)系。因此，首先需要去除旁瓣干擾影響的深度單元。TRDI 75 kHz ADCP的聲束角為20°，則6%深度單元的數(shù)據(jù)是受污染的。因此，表層30 m以內(nèi)數(shù)據(jù)是無效的（圖5），需要去除。

圖5 旁瓣干擾處理之后的流速時(shí)間序列

3.2 速度和良好率閾值質(zhì)控

通過速度和良好率對ADCP數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制是最常用的數(shù)據(jù)處理手段。圖6是速度閾值設(shè)為2 m/s，良好率設(shè)為90質(zhì)控后的流速結(jié)果，即當(dāng)速度大于2 m/s、良好率低于90時(shí)數(shù)據(jù)為異常，需要去除。一般而言，這兩個(gè)閾值可以滿足用戶的基本需求。然而，結(jié)果表明速度和良好率質(zhì)控后的水平流速時(shí)間序列仍有很多條帶狀的異常分布，如2017年5月下旬的700—900 m剖面，2017年7月初的50—200 m剖面等。ADCP既可以提供流場結(jié)構(gòu)分布，也可以用來計(jì)算剪切場。越來越多的學(xué)者開始基于ADCP剪切數(shù)據(jù)研究多尺度間的動力過程，如開展中尺度—次中尺度—細(xì)尺度之間的能量傳遞和微尺度的湍流混合估算研究[12-14]。所以，準(zhǔn)確的流速垂向剪切觀測已經(jīng)越來越重要。圖7顯示流速垂向剪切方出現(xiàn)顯著的條帶狀異常。即使將良好率閾值提高至100，異常結(jié)果仍沒有被剔除，反而一些較好的上層和底層數(shù)據(jù)被錯(cuò)誤性地刪除。首先可以排除兩臺ADCP設(shè)備或者是與其他儀器相互干擾導(dǎo)致條帶狀異常的可能性。一方面，潛標(biāo)主浮體以上的儀器僅有一臺SBE 37 CTD，配置在水深約350 m的位置，而350 m以淺的ADCP數(shù)據(jù)同樣出現(xiàn)條帶狀異常；另一方面，這種條帶狀異常現(xiàn)象也出現(xiàn)在其他潛標(biāo)和海底著陸器觀測中，如在南海東北部，水深大約1135 m位置布放一臺海底著陸器[15]。著陸器上搭載一臺上打75 kHz ADCP，其上方是不存在其他儀器的，但是 ADCP數(shù)據(jù)同樣存在條帶狀異常的現(xiàn)象。所以，該條帶狀異常可能是ADCP流速觀測時(shí)常常出現(xiàn)的問題，在使用時(shí)必須有效地將這些條帶狀異常數(shù)據(jù)剔除。

圖6 速度與良好率閾值質(zhì)控后的水平流速時(shí)間序列

圖7 速度和良好率質(zhì)控后的垂向流速剪切方時(shí)間序列

3.3 橫搖和縱搖質(zhì)控

該海區(qū)具有豐富的流系結(jié)構(gòu)和高頻發(fā)生的中尺度渦，如2018年4月至6月，一個(gè)西向傳播的中尺度渦經(jīng)過潛標(biāo)位置，強(qiáng)勁的流場致使主浮體受到外力而發(fā)生顯著的傾斜，主浮體被下壓的深度最大超過400 m。因此，主浮體姿態(tài)的變化可能會對ADCP觀測帶來誤差。通常橫搖和縱搖傾角超過20°的數(shù)據(jù)剔除。在整個(gè)觀測時(shí)段內(nèi)，除了2017年7月和2018年5月之外，ADCP的姿態(tài)比較穩(wěn)定，且傾角均在20°以內(nèi)（圖8）。特別是從2017年11月至2018年3月，ADCP姿態(tài)相對很穩(wěn)定，但是流速和剪切的條帶狀異常結(jié)果仍然出現(xiàn)（圖6和圖7）。因此，儀器的姿態(tài)并非是影響條帶狀異常結(jié)果的主要因素。

圖8 聲束向下打的ADCP橫搖和縱搖時(shí)間序列

3.4 速度誤差與相關(guān)幅值質(zhì)控

ADCP測流是基于深度單元內(nèi)水體各向同性假設(shè)為前提的，因此，當(dāng)水體非各向同性時(shí)ADCP觀測的速度誤差就會增大，可能會產(chǎn)生數(shù)據(jù)異常。另外，ADCP在發(fā)送Ping脈沖時(shí)只有相關(guān)幅值足夠大時(shí)，測出的流速才是準(zhǔn)確的，所以在上文已經(jīng)完成質(zhì)控的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步通過速度誤差和相關(guān)幅值質(zhì)控剔除異常數(shù)據(jù)。首先，速度誤差閾值設(shè)置為0.05 m/s，圖9顯示質(zhì)控后得到流速質(zhì)量已經(jīng)有較好的改進(jìn)，明顯的條帶狀異常已經(jīng)去除。然而流速垂向剪切結(jié)果顯示，速度誤差閾值質(zhì)控后仍然存在部分未去除的條帶狀異常（圖10）。

圖9 速度誤差質(zhì)控后的水平流速時(shí)間序列

圖10 速度誤差質(zhì)控后的垂向流速剪切方時(shí)間序列

相關(guān)幅值可以度量深度單元中脈沖與脈沖間的相關(guān)性，隨著相關(guān)幅值的減小，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性也隨之降低。在比較回波強(qiáng)度和相關(guān)幅值關(guān)系時(shí)發(fā)現(xiàn)異常增大的回波強(qiáng)度對應(yīng)著大的相關(guān)幅值，表明相關(guān)幅值太大也是數(shù)據(jù)存在異常的一種體現(xiàn)。因此，本文在速度誤差質(zhì)控的基礎(chǔ)上進(jìn)一步對相關(guān)幅值設(shè)置閾值進(jìn)行質(zhì)控。本文將相關(guān)幅值范圍定為120～135，超出這個(gè)范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)為異常。流速垂向剪切結(jié)果顯示經(jīng)過相對幅值質(zhì)控后，數(shù)據(jù)中的條帶狀異常被有效地去除（圖11），進(jìn)一步提高了ADCP數(shù)據(jù)質(zhì)量水平。

圖11 速度誤差和相關(guān)幅值質(zhì)控后的垂向流速剪切方時(shí)間序列

除此之外，本文也嘗試單獨(dú)使用相關(guān)幅值進(jìn)行質(zhì)控，結(jié)果顯示并不能有效地去除條帶狀異常結(jié)果。這種條帶狀異常可能是由于不滿足ADCP觀測時(shí)要求深度單元內(nèi)水體各向同性假設(shè)前提，也可能是由于異常增大的回波強(qiáng)度以及較弱的相關(guān)脈沖信號。因此，速度誤差和相關(guān)幅值兩種質(zhì)量控制措施是相輔相成的，需要結(jié)合兩者共同開展質(zhì)量控制，才能有效地去除ADCP條帶狀異常數(shù)據(jù)（圖10和圖11）。

4 結(jié)論與建議

ADCP條帶狀數(shù)據(jù)異常不僅出現(xiàn)在本文使用的ADCP數(shù)據(jù)中，也出現(xiàn)在其他潛標(biāo)和海底著陸器站點(diǎn)的ADCP觀測中，但關(guān)于這種條帶狀異常數(shù)據(jù)出現(xiàn)的具體原因尚不清楚。本文基于2017年4月在西太平洋（146° E，30° N）布放的一套運(yùn)行長達(dá)429天的深海潛標(biāo)觀測數(shù)據(jù)，開展了深海錨系潛標(biāo)ADCP數(shù)據(jù)處理的質(zhì)量控制研究工作，總結(jié)了ADCP質(zhì)量控制的參數(shù)因子，重點(diǎn)解決了錨系式ADCP流速觀測中存在的條帶狀異常數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制問題。

本文得出僅通過速度、良好率、儀器姿態(tài)進(jìn)行質(zhì)量控制，水平流速時(shí)間序列仍有很多條帶狀的異常分布。特別是流速垂向剪切，異常數(shù)據(jù)仍沒有得到有效地解決，這將不可避免地對研究海洋內(nèi)部能量串級和微尺度的湍流混合估算產(chǎn)生較大的錯(cuò)誤。本文進(jìn)一步通過速度誤差和相關(guān)幅值對ADCP數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制，可以有效地去除條帶狀異常數(shù)據(jù)。所以，這種簡單且實(shí)用的質(zhì)量控制手段可以有效地去除錨系式ADCP數(shù)據(jù)中條帶狀異常數(shù)據(jù)，也將很大程度地提高潛標(biāo)流速剖面數(shù)據(jù)的質(zhì)量水平。本文對于ADCP質(zhì)量控制的3點(diǎn)建議如下。

（1）質(zhì)控參數(shù)閾值可以根據(jù)實(shí)際觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，既要保證有效地去除異常數(shù)據(jù)，同時(shí)也要避免誤刪正常數(shù)據(jù)；（2）可以結(jié)合速度與流速剪切結(jié)果一起來評估數(shù)據(jù)質(zhì)量的優(yōu)劣，因?yàn)橛行┣闆r下，流速剪切異常可能比流速異常顯示得更加顯著；（3）本文的質(zhì)量控制處理方法也可以借鑒至其他類型的ADCP數(shù)據(jù)處理上，特別是坐底式ADCP數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制。