走航ADCP数据处理方法

1,走航ADCP数据处理,国家海洋局第二海洋研究所梁楚进,2,相控阵系列ADCP,OS150kHz,OS75kHz,OS38kHz,美国TeledyneRDI公司,3,WorkHorse(WH)Mariner,WH300kHzMariner,4,声学多普勒流速剖面仪,AcousticDopplerCurrentProfiler,5,1.ADCP基本概念a)多普勒频移b)波束坐标和地球坐标系c)首向(heading)、纵摇(pitch)、横摇(roll)d)层厚e)流速剖面f)同源性g)底跟踪,基本概念,6,基本概念,7,ADCP是用于采集流速大小和方向的声学设备流速剖面视为不同水层(Bin)或深度单元（BepthCell）的流速,基本概念,8,AcousticDopplerCurrentProfiler,基本概念,9,声波发射,ADCP的换能器以固定频率向水里发射一个短的声脉冲声脉冲由于水里颗粒物存在反射回换能器,10,声波发射,11,声波发射,ADCP收到悬浮颗粒物反射回来的声波由于悬浮颗粒物的相对速度而产生频移这就是多普勒效应,12,多普勒效应,AcousticDopplerCurrentProfiler,13,多普勒频移,14,相对速度,悬浮颗粒物与换能器有相对运动才存在“多普勒效应”如果悬浮颗粒物运动垂直于（90度）换能器则没有“多普勒效应”知道了悬浮颗粒物与换能器发声方向的角度就可以通过“多普勒”频移推算出悬浮颗粒物的运动速度,15,相对速度,8WavesMeasured,16,流速测量,AcousticDopplerCurrentProfiler,17,流速测量,ADCP通常具有3个以上换能器，同时发射和接受3个波束以上的声信号，获得3个以上的相对速度信号按波束独立处理并转换成波束向相对速度利用波速间的角度，将波束向（波束坐标）的相对速度转换为水平和垂向速度（地球坐标）,18,波束风量和水平分量,19,地球坐标转换,20,流速剖面,AcousticDopplerCurrentProfiler,21,层厚（DepthCells/Bin）,22,ADCP测流的关键假定,悬浮颗粒物随水流一起运动（无动力）2.ADCP所有波束都是测量同一流速,23,层厚（DepthCells/Bin）,24,ADCP测流回顾,Acoustic以固定频率发射一短脉冲.Doppler接受反射回来有“多普勒”频移的声波，通过频移计算波束向的相对速度Current应用3（/4）波速向相对速度、波速间夹角、姿态数据（首向heading,纵摇pitch,横摇roll）Profiler测量不同层次（depthcell）的流速,25,走航ADCP测量,26,底跟踪,27,底和水层的速度关系,Vc=Vb-Vraw,28,ADCP系统,NMEA$HDTor$HDG,SynchroorStepper,GPS-$GGAGPS-$VTGHeading-$HDTHeading-$HDGPitch/Roll-$PRDID,3Comports-ADCP-Nav(GPS)-Gyro(NMEA),2Comports-ADCP-Nav(GPS),or,29,BlockDiagramofWHMariner,GPS-$GGAGPS-$VTGHeading-$HDTHeading-$HDGPitch/Roll-$PRDID,SynchroorStepper,H/P/R-$PRDID,3Comports-ADCP-Nav(GPS)-Gyro(NMEA),WHMariner,30,OSTransducerWellInstallation,31,WHTransducerWellInstallation,32,33,34,TransducerSideInstallation,35,TransducerSideInstallation,36,换能器安装误差,换能器安装误差会导致流速大小和方向的误差，是走航ADCP误差的主要来源.1度的安装误差回导致2%速度误差误差表现为很不合理的流速(由于船速也记录在ADCP内)，以及随着船向东改变，流速大小也方向也随着改变。,37,安装（罗经）误差估计,假设:船速=500cm/sec真实的流速=25cm/sec换能器安装误差=1degree(1.7%error)结果:如果以底跟踪作为参照，那么流速误差约为0.43cm/sec(1.7%error)如果以GPS为参照，那么流速误差约为8.5cm/sec(34%error),38,走航ADCP的后处理,目的:去除航向（安装偏差和罗经）误差去除噪声去除船速,39,坐标关系和速度转换,波束坐标系：VB1、VB2、VB3、VB4,换能器坐标系：U、V、W、Ve,地球坐标系：,40,标定（计算安装误差）,地球坐标系：,如果存在安装误差或罗经误差,41,标定（计算安装误差）,浅水区采用“底跟踪法”：,猜测罗经误差值，对底跟踪速度进行校正利用底跟踪速度计算船的航迹与GPS航迹进行比较，多次猜测，得到最接近的安装误差值（标定值）利用这个标定值对流速观测值进行校正,42,标定（计算安装误差）,深水区采用“水跟踪法”：,猜测罗经误差值，对5-8层速度进行校正利用船转向期间被测流速不变的条件多次猜测，最合理的流速时，猜测值为安装误差值（标定值）利用这个标定值对流速观测值进行校正,43,标定（计算安装误差）,深水区采用“水跟踪法”：,猜测罗经误差值，对5-8层速度进行校正利用船转向期间被测流速不变的条件多次猜测，最合理的流速时，猜测值为安装误差值（标定值）利用这个标定值对流速观测值进行校正,LiangCJ.etal,2005,44,标定（计算安装误差）,深水区采用“水跟踪法”：,猜测罗经误差值，对5-8层速度进行校正利用船转向期间被测流速不变的条件多次猜测，最合理的流速时，猜测值为安装误差值（标定值）利用这个标定值对流速观测值进行校正,LiangCJ.etal,2005,45,数据质量控制,WangH.etal,2003,标识需要祛除的底数据标识受干扰的层标识噪声选取合适的质控参量和阈值,46,数据质量控制,质控参量选取振幅30120垂向速度方差40%,47,数据质量控制,WangHQetal,2005,导航资料质控,船速采用差分GPS改进,48,数据质量控制,LiangCJetal,2005,导航资料质控,普通罗经,光学罗经,49,船速的计算利用ADCP数据和GPS数据计算船速利用窗函数平滑参考水层的速度W(t)=0.42-0.5*COS(2tT)+0.08*COS(4tT)船位的计算绝对剖面流速的计