江 帆，程紹華，龐永超

（國家海洋標(biāo)準(zhǔn)計量中心，天津 300112）

聲學(xué)多普勒流速剖面儀（Acoustic Doppler Current Profiler，ADCP）是一種水聲學(xué)流速計，通過接收散射體返還的回波信號，對其多普勒效應(yīng)頻移進(jìn)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(fā)和應(yīng)用方面取得了較大進(jìn)展。

為了加快我國海洋觀測、調(diào)查儀器設(shè)備市場化進(jìn)程，國家組織各類平臺針對相對成熟的設(shè)備開展第三方獨立檢驗和驗證?！昂Ｑ髢x器設(shè)備規(guī)范化海上試驗”是科技部海洋環(huán)境安全保障專項項目，旨在為各類海洋儀器設(shè)備提供科學(xué)完善的海試條件與規(guī)范化作業(yè)保障，為儀器設(shè)備的可靠性、穩(wěn)定性及環(huán)境適應(yīng)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(nèi)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(jìn)行比對實驗，并對如何開展數(shù)據(jù)修正提出了建議[1]。2001年，美國夏威夷大學(xué)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(xué)科學(xué)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(jù)多個航次兩臺RDI ADCP比測數(shù)據(jù)的分析提出了ADCP測速精度優(yōu)化算法[4]。2014年，劉軻等[5]進(jìn)一步深化了ADCP同步比測試驗方法，設(shè)計了潛標(biāo)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(jié)國內(nèi)外試驗基礎(chǔ)上設(shè)計的試驗方案和數(shù)據(jù)處理方法，旨在通過實踐為進(jìn)一步規(guī)范和提升我國海洋環(huán)境監(jiān)測設(shè)備第三方檢驗和驗證能力提供理論依據(jù)。

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(biāo)準(zhǔn)設(shè)備進(jìn)行比測。本次海上比對主要是對某國產(chǎn)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(xiàn)場試驗。試驗方法主要依據(jù)海洋行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《聲學(xué)多普勒流速剖面儀檢測方法》（HY/T 102—2007）[6]和國家標(biāo)準(zhǔn) 《聲學(xué)多普勒流速剖面儀》（GB/T 24558—2009）[7]制定。其中《聲學(xué)多普勒流速剖面儀檢測方法》規(guī)定了全球定位系統(tǒng)（GPS）檢測法和同類型測流儀器檢定法兩種方法，國標(biāo) 《聲學(xué)多普勒流速剖面儀》規(guī)定了ADCP產(chǎn)品的類型和組成、要求、試驗方法、檢驗規(guī)則等。

試驗使用的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)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(shè)備研究所生產(chǎn)的光纖羅經(jīng)，其中差分GPS和光纖羅經(jīng)均由法定計量檢定機(jī)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)儀器。加拿大研究人員利用差分GPS針對不同的動態(tài)條件測速試驗，證明低速情況差分GPS測速可以達(dá)到mm/s級精度，高動態(tài)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(guān)系，最差時測速誤差達(dá)到0.2 m/s以上。

試驗時將AS01安裝在試驗船的豎井中，羅經(jīng)安裝在實驗室提供船體縱搖及橫搖數(shù)據(jù)，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(jīng)、差分GPS測得的船舶對地的運動速度大小和方向進(jìn)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(wěn)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(jìn)行流速測量精度考核試驗。穩(wěn)定的平臺包括坐底支架、懸浮潛標(biāo)、豎井支架等，設(shè)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(shè)備安裝示意圖

1.3 質(zhì)量控制

（1）Joyce系統(tǒng)誤差的修正方法[9]目前廣泛應(yīng)用于走航式ADCP的數(shù)據(jù)處理中。開展標(biāo)定試驗，并參照該方法減少系統(tǒng)測速偏差和羅經(jīng)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(xì)過程參見2.1節(jié)內(nèi)容。

（2）海上比測采用同步機(jī)制、交替測量的工作方式，是進(jìn)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(dǎo)致的誤差以及分時測量導(dǎo)致的誤差，確保比測數(shù)據(jù)的客觀可信。

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

2 試驗過程及數(shù)據(jù)處理

2.1 標(biāo)定試驗

選取適宜試驗海區(qū)，試驗船保持直線航行，保證差分GPS和AS01時間基準(zhǔn)一致，試驗船以低速（5～6 kn）平穩(wěn)直線航行；航行1 h后，加速到高速（9～10 kn），繼續(xù)以平穩(wěn)速度直線航行1 h，試驗船調(diào)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(wěn)直線航行1 h，試驗結(jié)束，存儲差分GPS、慣導(dǎo)測速和AS01測速數(shù)據(jù)。在不同水深的平坦海域，重復(fù)上述步驟完成第2個深度的標(biāo)定試驗，利用Joyce系統(tǒng)誤差的修正方法獲得兩組測速系數(shù)和偏角作為測量數(shù)據(jù)的修正值。

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

測速系數(shù)k和安裝偏角α，可由公式（3）計算。如果進(jìn)行多航程標(biāo)定，可以得到一組標(biāo)定系數(shù)：ki、αi(i=1,2…N)，可以將航程測得的修正參數(shù)測速系數(shù)k和安裝偏角α進(jìn)行統(tǒng)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(qū)，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(jìn)行4個條次的實驗，按照每30個數(shù)據(jù)點的平均值作為一個精度統(tǒng)計的樣本點,獲得精度統(tǒng)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(jù)實驗數(shù)據(jù)處理結(jié)果，4個航段的底跟蹤精度結(jié)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(jié)果見圖2。

表1 底跟蹤精度結(jié)果

圖2 各航段航行水深、AS01與差分GPS測速、方向測量比較結(jié)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(qū)，試驗船以5 kn和10 kn兩個速度平穩(wěn)直線航行，保持航速和航向穩(wěn)定。兩套比測儀器均設(shè)置層厚4 m、測流層20層、盲區(qū)6 m，采用同步機(jī)制、交替測量的工作方式，AS01設(shè)置為主同步工作模式，通過統(tǒng)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(guān)系數(shù)和回歸系數(shù)進(jìn)行統(tǒng)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(jié)果

表3 10 kn航速AS01與RDI ADCP流速測量結(jié)果

圖3 5kn船速、第19層AS01與ADCP流速測量結(jié)果

圖4 10 kn船速、第4層AS01與ADCP流速測量結(jié)果

3 結(jié)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(chǔ)開展ADCP的海上比對試驗，通過與比對儀器的相關(guān)性、趨勢性進(jìn)行比較和統(tǒng)計分析，可以對ADCP流速測量精度、底跟蹤測速精度等關(guān)鍵性能指標(biāo)的現(xiàn)場表現(xiàn)和環(huán)境適用性等進(jìn)行評估，比對試驗結(jié)果對于保障ADCP海洋觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)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(huán)境的復(fù)雜性，試驗期間海流數(shù)據(jù)不具備可復(fù)現(xiàn)性，而且若使用ADCP作為比對儀器其本身無法實現(xiàn)量值溯源，對ADCP開展精細(xì)化評估難以實現(xiàn)，無法給出詳實的評測結(jié)果。ADCP海上比對方法、評測依據(jù)需要進(jìn)一步優(yōu)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(jié)點和數(shù)據(jù)保障平臺開展精細(xì)化分析試驗，結(jié)合更全面的海上比對試驗數(shù)據(jù)，來優(yōu)化ADCP整體性能的海上比對方法和評估標(biāo)準(zhǔn)。