国产自容式声学多普勒流速剖面仪适用性评估方法跟应用分析

国产自容式声学多普勒流速剖面仪适用性评估方法及应用分析摘要：中国科学院声学所研制的自容式声学多普勒流速剖面仪（ADCP）在实验室中已完成较为严苛的环境试验，但在真实海洋环境条件下的海流测量能力还需要进行测试评估。在 2013-2014 年，通过潜标比测试验和潜标一致性检验试验，对中国科学院声学所 150kHz、300kHz 自容式 ADCP 的工作稳定性、剖面范围、产品一致性、测流性能进行适用性评估。潜标比测试验中选择世界上使用较多的美国 RDI 自容式 ADCP 作为标准设备。结果表明：中国科学院声学所自容式 ADCP 工作可靠，测流持续稳定，测流误差、剖面范围与同频率RDI 自容式 ADCP 相当，可满足长期观测需要。 关键词：声学多普勒流速剖面仪；潜标；一致性检验；比测；适用性评估中图分类号：P716+.21声学多普勒流速剖面仪（ADCP）被广泛应用于海洋流场结构调查 1-2、河流的流速流量监测 3-4、水中悬浮物的浓度分析 5-6及各种工程环境质量评价 7等。目前国内使用的 ADCP 大部分是国外设备，近年来为了加快推动我国海洋技术成果的转化应用，国家 863 计划“十二五”期间启动了“海洋环境监测设备适用性检验技术”主题项目，主要针对一批海洋环境监测技术相对成熟、具备产品化条件的设备，开展多基检验平台的第三方独立检验与验证 8。中国科学院声学所（简称 IOA）150kHz 、300kHz 自容式 ADCP 参加了该主题项目的海上试验，整个试验过程由第三方厦门大学进行全程检验和监督。目前，ADCP 海上试验通常采用同站或同船比测以及不同移动载体搭载的ADCP 比测方式 9。我国海洋行业标准 声学多普勒流速剖面仪检测方法 10规定了两种检测方法：GPS 检测法和同类型测流仪器检测法。这两种检测方法都是通过试验船搭载 ADCP 进行检测，试验环境与自容式 ADCP 真实测量环境相差较大且试验时间一般较短。本文采用了一种新的比测方法 11，把两台 ADCP 安装在潜标同一浮体上，获取长期实测海流数据，分析国产自容式 ADCP 与标准 ADCP 之间的误差及相关性，检验国产自容式 ADCP 测量数据的一致性与可靠性，对其海上环境适用性进行评估。1 ADCP 的适用性评估方法1.1 参试仪器设备参试设备为 IOA 150kHz、300kHz 自容式 ADCP，标准设备为目前世界上使用最多、公认最为可靠的 RDI 150kHz、300kHz 自容式 ADCP12，具体技术参数见表 1。表 1 自容式 ADCP 主要参数Tab.1 Main parameters of self-contained ADCP名称 型号 套数 主要技术指标RDI 150kHz ADCP Workhorse Quartermaster 1 套 测速精度：0.5 cm/s1%测量值最大测流剖面深度：235mIOA 150kHz ADCP SC150 4 套（2 套样机，2 套备机） 测速精度：0.5 cm/s1%测量值最大测流剖面深度：200mRDI 300kHz ADCP Workhorse Sentinel 1 套 测速精度:0.5 cm/s0.5% 测量值最大测流剖面深度：116mIOA 300kHz ADCP SC300 3 套（2 套样机，1 套备机） 测速精度：0.5 cm/s1%测量值最大测流剖面深度：100m注：表中最大测流剖面深度需满足：8m 层厚、流体反向散射强度不小于-70dB。1.2 比测试验方案海上试验采用的 ADCP 同步比测试验方法由中科院声学所提出并实现，即把待测仪器与比测仪器安装在同一个相对稳定的平台，通过特殊的同步方式使两者以最小的时间间隔交替工作的比测方式。海上试验按比测目的分以下两种：（1）潜标一致性检验试验：把 2 套 IOA 150kHz、2 套 IOA 300kHz 自容式ADCP 分别安装在同一个潜标的两个浮体上组成一致性检验潜标（图 1） ，进行不少于 15 天的一致性检验，主要目的是通过两台国产自容式 ADCP 的同步比测，测试其一致性。（2）潜标比测试验：把 1 套 IOA 150kHz、1 套 RDI 150kHz 自容式 ADCP，1套 IOA 300kHz、1 套 RDI 300kHz 自容式 ADCP 分别安装在同一个潜标的两个浮体上（与图 1 相似，标准设备替换其中一台国产设备） ，进行不少于 90 天的长期比对，主要目的是通过国产、标准自容式 ADCP 的同步比测，测试国产设备的剖面范围、测流误差、工作稳定性和可靠性。为检验参试设备的工作状态，在潜标试验前进行了短时间的吊放试验，把2 套 IOA 150kHz、2 套 IOA 300kHz 自容式 ADCP 分别与同频率 RDI 自容式ADCP 进行支架吊放同步比测试验。图 1 一致性检验潜标组成示意图Fig.1 The form of subsurface buoy in consistency test1.3 比测试验数据2013 年 8 月 5 日，IOA 150kHz、300kHz 自容式 ADCP 各进行了两次吊放同步比测海上试验；2013 年 8 月 5 日至 9 月 7 日，在南海水深 1400 米左右平坦海区，进行潜标一致性检验试验；2013 年 9 月 10 日至 2014 年 4 月 9 日，在相同海域进行潜标比测试验，IOA 300kHz 自容式 ADCP 比测期间获取了 173天的有效观测数据（电池耗尽） ，但标准设备 RDI 300kHz 自容式 ADCP 因仪器硬件原因导致数据缺失，只获取了前面几小时数据；2014 年 5 月 28 日至 7 月31 日，在相同海域再次进行 IOA 300kHz 自容式 ADCP 潜标比测试验。整个海上试验阶段的数据获取记录见表 2。表 2 海上试验数据获取记录Tab.2 Record of test data试验方式 比测设备 设置参数 获取数据时间长度SC150-2013-N1;150kHz ADCP第一次吊放比测 WHS150-1-1-UG1 连续观测，盲区 8m,单元层厚 8m 23 分钟SC150-2013-N2;150kHz ADCP第二次吊放比测 WHS150-1-1-UG1 连续观测，盲区 8m,单元层厚 8m 24 分钟SC300-2013-N1;300kHz ADCP第一次吊放比测 WHS300-1-UG161 连续观测，盲区 6m,单元层厚 4m 33 分钟SC300-2013-N2;300kHz ADCP第二次吊放比测 WHS300-1-UG161 连续观测，盲区 6m,单元层厚 4m 20 分钟SC150-2013-N1;150kHz ADCP一致性检验 SC150-2013-N2间隔 1 小时测量一组数据（50 个ping）,盲区 8m,单元层厚 8m 33 天SC300-2013-N1;300kHz ADCP一致性检验 SC300-2013-N2间隔 1 小时测量一组数据（40 个ping）,盲区 6m,单元层厚 4m 33 天SC150-2013-N1;150kHz ADCP比测试验 WHS150-1-1-UG1间隔 1 小时测量一组数据（50 个ping）,盲区 8m,单元层厚 8m 211 天SC300-2013-N1;300kHz ADCP比测试验 WHS300-1-UG161间隔 1 小时测量一组数据（50 个ping）,盲区 8m,单元层厚 8m 65 天1.4 比测数据质控方法自容式 ADCP 的海上比测试验采用的是同一平台以最小的时间间隔交替工作的方式进行海流剖面比测。海上比测试验需要相对稳定的工作平台、交替工作方式和流场环境。前两者基本都可以满足，但试验位置属于宽阔海域，海上试验过程中不可避免的会出现流场扰动，从而影响比测结果，所以数据处理过程中应去除有较大流场扰动的数据。另外还应去除测量过程中的异常数据，然后再对质控后的数据进行误差分析和趋势对比。比测试验数据质控步骤见下：（1）根据回波强度和纵横摇角度去除无效数据及异常数据。（2）参考声学多普勒流速剖面仪检测方法中数据处理流程对同一深度层每小时两分钟的流速数据进行处理，具体方法为用 3准则去除比测数据中的奇异点。（3）经过前面两步质控后，对流速数据其进行一元线性回归和计算标准偏差，若某时间点斜率绝对值大于 0.2，或 3 倍标准偏差大于 20cm/s，则属于不稳定流场，该时间点数据不用于分析。2 比测数据分析2.1 分析方法因待测国产 ADCP 和标准 ADCP 的测量精度相同或相近，并且都与自身测量值有关，在比测过程中两者测量精度随各自测量值变化，所以不宜对待测仪器指标进行定量检验，只作性能评估。为评估待测设备的一致性和测流误差，对两台同步比测 ADCP 各剖面层数据进行对比分析，分别计算同时段两种观测数据的有效数据采样率、流速平均绝对误差、流向平均绝对误差、流速相关系数及矢量流相关系数，计算公式如下：有效数据采样率：（质控后样本数/理论样本数）*100%平均绝对误差： 1niimx为分析两台 ADCP 每层剖面流速的相关性，建立线性回归曲线方程：y=kx+b线性回归曲线斜率 k: 线性回归曲线截距 b: 相关系数：122221niini ii ixyr y其中， ix， iy为两台设备在同一时刻的测量值， ix为国产 ADCP 测量结果， i为标准 ADCP 测量结果（一致性比测为另一台国产 ADCP 测量结果） ，x,y为其平均值，n 为有效样本个数， 。在进行流向计算时，iiiyx大于 180值减 360、小于-180值加 360再进行计算。i矢量流相关系数： 121 1211 12 2()()uvuvi式中，尖括号表示时间平均， 分别为标准21vv、ADCP(一致性为另一台国产 ADCP)和国产 ADCP 所测流速的东分量和北分量，复数 的模（小于 1）给出了两者的整体相关性大小。2.2 分析结果因吊放比测试验只是为了在长时间潜标比测前检验参试设备工作状态，时间短数据少，所以只对吊放比测试验仪器测流误差进行简单分析。在 150kHz自容式 ADCP 两次吊放比测试验中，因 IOA 150kHz 自容式 ADCP 内部信号放大参数下限设置不合适，导致其剖面前 6 层数据获取率偏低，所以该部分数据不参与评估。在一致性检验试验和比测试验中对该参数进行调整后，仪器数据正常。在 150kHz ADCP 两次吊放比测试验中，剖面第 7 至第 18 层流速平均绝对误差范围 0.89cm/s1.94 cm/s，流向平均绝对误差范围 3.227.44。在300kHz ADCP 两次吊放比测试验中，剖面层前 8 层流速平均绝对误差范围0.81cm/s1.56 cm/s，大部分剖面层流向平均绝对误差范围 3.4813.85。只有第一次吊放比测试验第 2 层流向平均绝对误差较大为 20.52，该层流向误差较大的 12:36、12:37、12:39、 12:57 四个时间点（图 2b）对应的流速值（图2a）都小于 2.5cm/s，所以可能是流速小流向不稳定导致该层流向平均绝对误差偏大。12:3412:4012:4612:512:5813:04012345678910a.向向向(cm/s)向 RDIIOA12:3412:4012:4612:512:5813:04090180270360b.向向向()向 RDIIOA图 2 IOA 300kHz ADCP 和 RDI 300kHz ADCP 第 2 层流速流向比对Fig.3 Comparison of the second cell current and direction measured by IOA 300kHz ADCP and RDI 300kHz ADCP150kHz 自容式 ADCP 海上试验分析结果见表 3。从表中可以看出，两次海上试验国产 IOA 150kHz 自容式 ADCP 有效数据采样率都很高（大于 97%） ，长期测流能力稳定可靠。两台国产设备各层流速之间相关系数 r0.97，均呈显著正相关（显著水平 p0.89，均呈显著正相关（显著水平 p0.01） ，具有较好一致性。国产设备与标准设备剖面各层流速平均绝对误差小于 1.50cm/s，流向平均绝对误差小于 10.5，测流误差较小。同样，截取 300kHz ADCP 比测试验 10 天的数据（第一层） ，进行矢量流变化趋势对比（图 4） 。其中，IOA 300kHz 自容式 ADCP 矢量的模平均值为15.6，RDI 300kHz 自容式 ADCP 矢量的模平均值为 15.3，矢量差的模平均值为2.1，两者矢量流变化趋势也基本一致。表 4 300kHz ADCP 海上试验分析结果Tab.4 The results of 300kHz ADCP test海上试验类型 潜标一致性检验 潜标比测仪器型号 SC300-2013-N1 SC300-2013-N2 SC300-2013-N1 RDI 300kHz ADCP比对剖面层 1-8 1-8分析数据数目(个) 389547 15001524有效数据采样率（%） 61.877.7 65.182.6 98.499.7 98.599.6流速平均绝对误差 1.2 cm/s2.3cm/s 0.9cm/s1.4cm/s 流向平均绝对误差 9.518.1 8.110.5线性回归曲线斜率 第一层 0.87，其余层 0.950.98 0.970.98线性回归曲线截距 第一层 2.21，其余层 0.090.42 0.130.46流速相关系数 第一层 0.892，其余层0.9730.977 0.9780.993矢量流相关系数 第一层 0.942，其余层0.9810.984 0.9840.99207/20 07/21 07/22 07/23 07/24 07/25 07/26 07/27 07/28 07/29 07/3030cm/s, East30cm/s, NorthIOA 300K ADCPRDI 300K ADCP向向向向向图 4 IOA 300kHz ADCP 与 RDI 300kHz ADCP 第一层矢量流对比Fig.4 Compari