郭世旭， 楊梟杰， 王月兵， 葉曉同， 趙 鵬

(中國(guó)計(jì)量大學(xué) 計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

1 引 言

聲學(xué)多普勒流速剖面儀(acoustic doppler current profiler, ADCP)是20世紀(jì)80年代初發(fā)展起來(lái)的一種新型測(cè)流設(shè)備[1，2]。它利用多普勒效應(yīng)原理進(jìn)行流速測(cè)量，是目前國(guó)內(nèi)外測(cè)量多層剖面海流的最有效方法，在海洋科學(xué)研究和水資源的應(yīng)用開發(fā)方面得到了廣泛應(yīng)用。其性能好壞直接影響流速測(cè)量的準(zhǔn)確性，因此對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)工作尤為重要。而目前普遍使用的性能校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)校準(zhǔn)環(huán)境要求嚴(yán)格、歷時(shí)長(zhǎng)、成本高,且均無(wú)法實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)[3，4]。

2002年，加里·默多克提出了DGPS檢測(cè)法，此方法僅是針對(duì)底跟蹤進(jìn)行檢測(cè)，無(wú)法對(duì)剖面測(cè)量進(jìn)行有效分析；李占橋等通過(guò)將基于差分ADCP底跟蹤船速與差分GPS測(cè)量船速進(jìn)行比較，統(tǒng)計(jì)分析了ADCP測(cè)速精度，結(jié)果表明300 kHz ADCP誤差隨船速呈線性增加[5]；吳炳昭等在某海域針對(duì)水下移動(dòng)平臺(tái)安裝的ADCP和船載ADCP進(jìn)行了比測(cè)試驗(yàn)，通過(guò)誤差計(jì)算，試驗(yàn)結(jié)果合格[6]；姜松燕等進(jìn)行了試驗(yàn)水槽檢測(cè)ADCP方法理論研究，證明了水槽拖車試驗(yàn)的可行性[7]；易志強(qiáng)等提出了一種可代替ADCP實(shí)測(cè)信號(hào)的球面散射水層回波模型[8]；馬龍等提出了一種測(cè)試ADCP的聲學(xué)仿真方法，模擬ADCP接收到的實(shí)際后向散射信號(hào)，對(duì)ADCP進(jìn)行了標(biāo)定[9]；申連洋等進(jìn)行了ADCP陸上檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)與研究，通過(guò)對(duì)接陣模擬深度和速度信息，對(duì)比ADCP的返回值和ADCP陸上檢測(cè)裝置設(shè)定值達(dá)到檢測(cè)的目的，結(jié)果表明該模擬裝置使用效果良好[10]；陶樂(lè)文提出了一套基于任意波發(fā)生器的ADCP對(duì)接式陸上檢測(cè)裝置方案，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室內(nèi)無(wú)水環(huán)境下與ADCP的對(duì)接，對(duì)ADCP的流速剖面測(cè)量、深度測(cè)量和流向測(cè)量進(jìn)行了檢測(cè)，驗(yàn)證了ADCP的流速測(cè)量能力[11]。

本文研制了一套基于頻偏應(yīng)答的ADCP流速現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)裝置，可對(duì)ADCP流速以及ADCP換能器電聲參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)，并以頻率為溯源量，實(shí)現(xiàn)流速校準(zhǔn)。在實(shí)驗(yàn)室消聲水池條件下，以四波束JANUS陣型結(jié)構(gòu)的300 kHz自容式ADCP為校準(zhǔn)對(duì)象，利用應(yīng)答器陣列中心的收發(fā)換能器回發(fā)帶頻偏的聲波信號(hào)，模擬1～2 m/s的流速，通過(guò)比較流速模擬值和ADCP流速輸出值，對(duì)ADCP的流速測(cè)量精度進(jìn)行校準(zhǔn)，驗(yàn)證了這種校準(zhǔn)方法的可行性并進(jìn)行了不確定度分析。

2 ADCP工作原理

2.1 流速測(cè)量原理

ADCP換能器發(fā)射頻率為f0的聲波信號(hào)在水中傳播時(shí)，有一部分能量經(jīng)隨水流而動(dòng)的散射體散射回來(lái)，這些回波信號(hào)經(jīng)ADCP換能器接收，處理后可得其頻率為f1，根據(jù)多普勒測(cè)流原理可得：

Δf=2f0v/c

(1)

式中：Δf=f1-f0為多普勒頻偏；v為ADCP單波束徑向流速；f0為ADCP工作頻率；c為聲波在水中的傳播速度。

2.2 深度測(cè)量原理

ADCP聲波發(fā)射以后，從不同深度的水層返回的回波時(shí)間是不同的，它與某些水層相對(duì)應(yīng)，其關(guān)系式為：

(2)

式中：D為水層深度；Dt為換能器下放深度；t為ADCP發(fā)射聲信號(hào)與接收聲信號(hào)之間的延時(shí)；c為聲波在水中的傳播速度；α為ADCP的聲束角。

3 校準(zhǔn)原理與校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 校準(zhǔn)原理

由式(1)可得ADCP徑向測(cè)流公式為：

(3)

由式(3)可知，ADCP徑向流速測(cè)量的準(zhǔn)確性與多普勒頻偏Δf、水中聲速c有關(guān)，且對(duì)應(yīng)任意一組多普勒頻偏和水中聲速值，具有唯一的一個(gè)徑向流速值。

校準(zhǔn)系統(tǒng)的工作流程如圖1所示，通過(guò)應(yīng)答器陣列中心的收發(fā)換能器接收ADCP發(fā)射的聲信號(hào)并將聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過(guò)NI PXI采集卡以一定速率進(jìn)行A/D采集，在PXI機(jī)箱內(nèi)部對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行處理后，通過(guò)NI PXI-5441發(fā)射卡回發(fā)，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后回發(fā)，可產(chǎn)生相對(duì)于ADCP發(fā)射信號(hào)具有頻偏和延時(shí)的聲波信號(hào)，以模擬相應(yīng)水層的流速，通過(guò)比較流速模擬值與ADCP流速輸出值，可對(duì)ADCP的流速測(cè)量精度進(jìn)行校準(zhǔn)，并對(duì)采集到的ADCP信號(hào)片段和帶頻偏的回發(fā)信號(hào)頻率進(jìn)行校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)頻率的溯源。

圖1 校準(zhǔn)系統(tǒng)的工作流程

信號(hào)處理的流程圖如圖2所示，應(yīng)答器陣列中心的收發(fā)換能器接收ADCP發(fā)射的聲信號(hào)并將聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集，然后對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行重采樣和插值處理，并進(jìn)行信號(hào)的截取、時(shí)域延拓、衰減，經(jīng)過(guò)一定延時(shí)，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后以與A/D采集相同的速率對(duì)信號(hào)進(jìn)行回發(fā)，可得到相對(duì)ADCP信號(hào)具有一定頻偏和延時(shí)的聲波信號(hào)，以此模擬ADCP實(shí)際回波信號(hào)，ADCP接收回波信號(hào)經(jīng)處理可得到流速信息。其中，頻偏與采集頻率和重采樣頻率的關(guān)系[13]為：

(4)

式中：fd為多普勒頻偏；f0為ADCP工作頻率；fs為采集頻率；fh為重采樣頻率。根據(jù)式(4)可以產(chǎn)生一路高精度帶延時(shí)、頻偏的回波信號(hào)。

圖2 信號(hào)處理流程圖

頻率校準(zhǔn)使用的方法為多周期同步測(cè)頻法[14]，其波形時(shí)序圖如圖3所示，以被測(cè)信號(hào)周期的整數(shù)倍作為閘門時(shí)間，對(duì)閘門內(nèi)的被測(cè)信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，被測(cè)信號(hào)頻率可表示為:

(5)

式中：Fx為被測(cè)信號(hào)頻率；F0為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)頻率；Nx為被測(cè)信號(hào)個(gè)數(shù)；N0為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)個(gè)數(shù)。

圖3 多周期同步測(cè)頻法波形圖

由于實(shí)際閘門時(shí)間為被測(cè)信號(hào)周期的整數(shù)倍，故Nx不存在±1的計(jì)數(shù)誤差，而N0可能存在±1的計(jì)數(shù)誤差，因此頻率分辨率為：

(6)

式中：Fx為被測(cè)信號(hào)頻率；F0為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)頻率；Tp為閘門時(shí)間?？梢钥闯?，閘門時(shí)間越長(zhǎng)，標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)頻率越大，分辨率就越高。

校準(zhǔn)過(guò)程是通過(guò)NI PXI-5122采集卡對(duì)ADCP發(fā)射的信號(hào)以及回發(fā)的聲信號(hào)進(jìn)行采集，以波峰檢測(cè)方式對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，以采樣率作為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)頻率，對(duì)采樣點(diǎn)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)以此判定標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)個(gè)數(shù)，由式(5)可得ADCP發(fā)射的信號(hào)頻率及回發(fā)的聲信號(hào)頻率。

3.2 校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖4所示，校準(zhǔn)系統(tǒng)由NI PXIe-1065機(jī)箱、NI PXI-5122信號(hào)采集卡、NI PXI-5441信號(hào)發(fā)射卡、應(yīng)答器陣列、校準(zhǔn)裝置、PC機(jī)、四波束ADCP等硬件組成。以NI PXI-5122信號(hào)采集卡對(duì)ADCP發(fā)射的信號(hào)進(jìn)行采集，以NI PXI-5441信號(hào)發(fā)射卡回發(fā)具有頻偏和延時(shí)的聲波信號(hào)。

圖4 校準(zhǔn)系統(tǒng)

圖5 校準(zhǔn)裝置

校準(zhǔn)裝置如圖5所示，底部存在三角形支架設(shè)計(jì)，其與水平面的夾角與ADCP聲束角相同，可使ADCP各個(gè)換能器中心依次對(duì)準(zhǔn)應(yīng)答器陣列中心收發(fā)換能器；應(yīng)答器陣列為21陣元收發(fā)合置，經(jīng)校準(zhǔn)其中心收發(fā)換能器諧振頻率為300 kHz，靈敏度為-200 dB@300 kHz，通過(guò)其接收到的ADCP信號(hào)聲壓值，可對(duì)ADCP換能器的發(fā)送電壓響應(yīng)進(jìn)行校準(zhǔn)；兩側(cè)的接收水聽(tīng)器可覆蓋ADCP換能器波束寬帶為19°，由21個(gè)接收水聽(tīng)器接收到的聲壓推算出以ADCP換能器為圓心、半徑為0.6 m處的聲壓，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量法繪制指向性圖，對(duì)ADCP換能器的指向性進(jìn)行校準(zhǔn)；ADCP的單個(gè)換能器表面與應(yīng)答器陣列表面的垂直距離為0.6 m。

整套裝置使用不銹鋼和表面氧化處理的硬質(zhì)鋁材質(zhì)，具有良好的耐腐蝕性與強(qiáng)度；重量為25 kg(不含ADCP)，尺寸為φ500 mm×950 mm，易于拆裝，具有良好的便攜性；裝置上部安裝吊環(huán)，為現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)提供了便利。

4 實(shí)驗(yàn)研究與不確定度分析

4.1 實(shí)驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)以四波束JANUS陣型結(jié)構(gòu)的300 kHz自容式ADCP作為流速校準(zhǔn)對(duì)象，其出廠時(shí)標(biāo)明的流速測(cè)量不確定度為±0.5%真實(shí)流速值±0.005 m/s，實(shí)驗(yàn)環(huán)境為5 m×3.5 m×3.5 m的實(shí)驗(yàn)室消聲水池。

通過(guò)行車將校準(zhǔn)裝置懸掛于實(shí)驗(yàn)室消聲水池當(dāng)中，通過(guò)ADCP顯控軟件設(shè)置測(cè)量水層為100層，測(cè)量層厚為1 m，啟動(dòng)ADCP發(fā)射聲波信號(hào)，將同步信號(hào)接到NI PXI-5122信號(hào)采集卡和NI PXI-5441信號(hào)發(fā)射卡作為觸發(fā)信號(hào)，應(yīng)答器陣列中心收發(fā)換能器接收到聲波信號(hào)后通過(guò)NI PXI-5122信號(hào)采集卡對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集，對(duì)采集到的ADCP信號(hào)片段進(jìn)行重采樣和插值處理，并進(jìn)行信號(hào)截取、時(shí)域延拓、衰減，經(jīng)過(guò)一定延時(shí)，通過(guò)NI PXI-5441信號(hào)發(fā)射卡對(duì)信號(hào)進(jìn)行回發(fā)，以模擬相應(yīng)水層深度的流速。

實(shí)驗(yàn)對(duì)采集的ADCP信號(hào)處理后，進(jìn)行10倍的時(shí)域延拓并設(shè)定延時(shí)，以模擬水層深度為90～100 m的流速，模擬ADCP1#換能器的徑向流速范圍為 1～2 m/s， 對(duì)采集信號(hào)和回發(fā)信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，信號(hào)如圖6所示。

圖6 信號(hào)監(jiān)測(cè)

將ADCP存儲(chǔ)的水層深度為90～100 m的 1 500 組流速數(shù)據(jù)導(dǎo)出，計(jì)算其平均值，通過(guò)比較模擬值與ADCP流速輸出平均值對(duì)ADCP的流速測(cè)量性能進(jìn)行校準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

由表1可知，該校準(zhǔn)方法可以完成測(cè)試水層的流速模擬，但測(cè)試結(jié)果存在誤差，最大誤差為0.015 m/s，分析其誤差來(lái)源，主要有：

(1) 回發(fā)信號(hào)的頻率精度會(huì)對(duì)流速輸出的準(zhǔn)確性造成影響；

(2) 實(shí)驗(yàn)所用ADCP存在系統(tǒng)誤差，會(huì)對(duì)流速輸出的準(zhǔn)確性造成影響。

表1 ADCP流速檢測(cè)實(shí)驗(yàn)1 500組數(shù)據(jù)結(jié)果

4.2 不確定度分析

由式(1)可知，對(duì)流速測(cè)量不確定度影響的因素主要有：ADCP工作頻率、回發(fā)信號(hào)頻率、水中聲速[15]以及流速測(cè)量的重復(fù)性，而水中聲速主要受溫度和水深的影響。水中聲速(鹽度忽略不計(jì))與溫度、水深的關(guān)系為：

c=1 449.2+4.6T-0.055T2+0.000 29T3+(1.34-0.01T)(S-35)+0.016D

(7)

式中：T為溫度；D為水深；S為鹽度，忽略不計(jì)。

針對(duì)模擬流速為1 m/s時(shí)的流速校準(zhǔn)進(jìn)行不確定度評(píng)定。

A類不確定度主要來(lái)源于ADCP流速測(cè)量的重復(fù)性，采用貝塞爾方法進(jìn)行傳感器的A類不確定度評(píng)定。

(8)

可得由流速測(cè)量重復(fù)性引入的A類流速不確定度uA為0.017 m/s。

B類不確定度主要來(lái)源為ADCP工作頻率、回發(fā)信號(hào)頻率以及聲速。

由式(7)可知，聲速主要與溫度和換能器下放深度有關(guān)。

使用多周期同步測(cè)頻法對(duì)ADCP發(fā)射信號(hào)頻率、回發(fā)信號(hào)頻率進(jìn)行校準(zhǔn)，根據(jù)式(6)可得對(duì)ADCP發(fā)射信號(hào)以及回發(fā)的聲信號(hào)校準(zhǔn)時(shí)的頻率分辨率為(1/1.5)×105Hz。得到ADCP發(fā)射信號(hào)頻率、回發(fā)信號(hào)頻率引入的不確定度分量分別為0.01 Hz、 1 Hz， 由此可得由ADCP發(fā)射信號(hào)頻率、回發(fā)信號(hào)頻率引入的流速不確定度uB1、uB2分別為4×10-7， 4×10-5m/s。

查閱ADCP溫度傳感器說(shuō)明書，可知其示值誤差范圍為±0.01 ℃，取均勻分布，

(9)

由上式得溫度測(cè)量不確定度為0.006 ℃，由此可得由溫度引入的流速不確定度uB3為1×10-5m/s。

查閱ADCP深度傳感器說(shuō)明書，可知其示值誤差范圍為±0.1 m，取均勻分布，由式(9)得深度不確定度為0.058 m，由此可得由深度引入的流速不確定度uB4為6×10-7m/s。

因不確定度分量相互獨(dú)立，按式:

(10)

得合成不確定度u=0.017 m/s，即1%模擬流速 +7 mm/s。

同時(shí)對(duì)模擬流速為1.2，1.4，1.6，1.8，2.0 m/s的流速校準(zhǔn)進(jìn)行不確定評(píng)定，列出各個(gè)模擬流速時(shí)引入的流速不確定度的分量與合成不確定度，結(jié)果如表2所示。此方法對(duì)流速校準(zhǔn)的不確定度達(dá)到1%模擬流速值+7 mm/s，主要由測(cè)量的重復(fù)性引起?？梢钥闯觯朔椒魉傩?zhǔn)不確定度高于出廠時(shí)標(biāo)明的流速校準(zhǔn)不確定度，主要是由于實(shí)驗(yàn)室水池混響嚴(yán)重造成的，需要大型水池或開闊水域進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。

表2 不同流速校準(zhǔn)不確定度

5 結(jié) 論

本文介紹了ADCP的流速現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法以及校準(zhǔn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作流程。這種校準(zhǔn)方法通過(guò)對(duì)回波延時(shí)和多普勒頻偏的設(shè)定，實(shí)現(xiàn)了任意水層深度和流速的模擬，并進(jìn)行了流速校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)與不確定度分析。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這種校準(zhǔn)方法的準(zhǔn)確性和可行性，在工程使用中，該裝置與方法可在海上對(duì)長(zhǎng)時(shí)間使用的ADCP實(shí)現(xiàn)流速的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)，且可對(duì)換能器在長(zhǎng)時(shí)間海水浸泡后的實(shí)際電聲參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)，大大減小校準(zhǔn)周期和校準(zhǔn)成本，為ADCP的流速現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)提供了可行性方案。