海洋论坛▏国产走航式声学海流剖面仪的应用分析 - 走航式声学多普勒流速仪工作原理

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随着经济的发展，海洋变得越来越重要，海上的人类活动越来越频繁，海洋灾害造成的损失也越来越大。海洋更是国家的安全屏障，海洋环境参数对于海上军事活动是极其重要的，目前海洋监测能力已经成为海上军事优势的重要组成部分。随着建设“海洋强国”方略的提出，以及“海上丝绸之路”等重大专项的启动实施，海流测量设备的需求与日俱增，但国内海洋仪器绝大多数还是依赖进口。目前，国产走航式声学海流剖面仪（ADCP）在国家高技术研究发展计划（863计划）的支持下，经过多年的研发工作，取得了一定的成果，已有多台套的安装使用，初步形成产品。

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本文根据某测量船上国产ADCP 获得的大量测量数据，通过对国产ADCP与GPS测量数据的比对分析，并针对不同航行情况、不同航行区域、潮流特性等对国产ADCP的性能以及可靠性进行定性评价，对用户及生产厂家提出改进建议，希望可提供一些借鉴。

一、数据获取

本文选取某测量船赴太平洋某海域执行航天测控任务期间的数据。国产ADCP 从2019年7月27日08:00～8月13日14:00连续开机工作，历时18d，总航程11000多km，最远航行至165°E，1°S赤道瑙鲁岛附近。该航次获得的数据文件包括SLC38-1型、SLC150-1型两型ADCP的测量数据。

其中SLC150-1型ADCP为高频测流设备，测量的流层数据相对较浅，但是盲区相对较小；SLC38-1型ADCP为低频测流设备，测量的流层数据相对较深，但是盲区相对较大。本航次测量任务海域深度多为2000m以上，因此文中主要以SLC38-1型ADCP获取的原始测量数据为处理对象，进行分析对比。由于测量船的导航信息报文未向SLC38-1型ADCP设备录取软件提供船载GPS的东北向分量速度、罗经的纵横摇姿态数据，因此本次数据处理关于船速的基于经、纬度位置信息解算。设备连续18d不间断测量，未进行停、关机操作，共获得21个测量数据文件，总大小为2.41G。

二、数据处理

数据处理主要包括：GPS数据处理和ADCP数据处理。其中GPS数据处理是指由定位数据转换到GPS船速数据，方法是使用地球椭圆近似（赤道半径取值6378136m，极地半径取值6356751m），计算局地的经度变化对应的东西方向距离变化，纬度变化对应的南北方向距离变化，利用采样的时间间隔，获得GPS船速的东分量、北分量和矢量速度。

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ADCP数据处理是指由ADCP测得的数据进行坐标变换及分量流速计算，获得相对地球局地坐标的流速分量（东分量和北分量），便于与GPS获得的船速数据进行比对分析。

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由于原始波束信号不可避免地存在各种噪声，ADCP 数据处理时采用1 min 的时间窗口进行中值滤波处理，能够较好地去除高频的虚假信号，以便与GPS数据进行比对分析。

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三、数据分析

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为了从不同角度和层面全面分析和考察国产ADCP测量数据的各项性能，有针对性地绘制了各类图件，并进行数据质量、数据有效性、测流精度、测流深度等各方面的分析比对，对国产ADCP做出定性评价。

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⒈流层对比

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通过上下流层测量数据的对比，检查仪器在多大深度上的数据有效性，各层数据统一绘制在一张图上，流层对比图反映了测流数据随深度的变化情况，总计210幅。典型图例如图1所示。

图1 某日测量的流层单波束数据图

通过绘制各类流层对比图，检验和分析仪器测流数据（含船速）的精度和合理性。其中，原始波束速度图分4个波束绘制，形成对比，反映4个波束的一致性；GPS 船速分量和ADCP 测流分量的对比图反映GPS船速分量和ADCP测流分量的相关性；GPS船速和ADCP流速的数值对比图同样反映GPS测速和ADCP测速的相关性。该3类图件共计31500幅。典型图例如图2～图4所示。

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图2 某日测量的原始四波束速度图

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 图3  某日测量的GPS与ADCP测量速度分量对比图

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图4  某日测量的GPS与ADCP测量速度对比图

⒉流速对比

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通过绘制各流层的流速对比图，检验和分析仪器真实流速的观测精度和合理性。其中，流速分量图反映各个分量的波动变化；流速矢量图反映流场的空间和时间变化特征。该2类图件共计21000幅。典型图例如图5～图6所示。

图5  某日测量的ADCP速度分量图

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图6  某日测量的ADCP速度矢量图

⒊转向和往复航行情况分析

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根据全航次的航迹情况分析，本航次存在很多转向和往复航行情况。从对应的流速矢量图中可以看出，SLC38-1型ADCP在整个航次的所有转向和往复运动中测流数据不受影响，典型图例如图7所示。

图7  转向航行时测量的ADCP流速矢量图

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⒋加速和减速航行情况分析

根据全航次的航行情况分析，本航次存在众多加速和减速航行情况。通过对该航次国产ADCP数据处理发现，SLC38-1型ADCP在整个航次的加速、减速过程中表层略有影响，表层以下基本不受影响。通过分析GPS船速和ADCP测流对比图，ADCP测流结果非常理想，特别是持续加减速过程，测流数据质量依然很好。典型图例如图8～图9所示。

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图8  加速航行时测量的ADCP流速矢量图

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图9  减速航行时ADCP与GPS测量的流速对比图

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⒌高速和低速航行情况分析

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在高速航行情况下，受气泡、船体噪声、信号跟踪丢失等影响，测流效果一般会很差，但国产ADCP航行在20kn时，绝大多数测流数据明显具有较高质量。在低速情况下，船只受海浪影响左右摇摆，一般在没有姿态修正的情况下，测流效果会比较差，但国产ADCP在低速航行时，测流效果依然非常理想。典型图例如图10～图11所示。

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图10  高速航行时ADCP与GPS测量的速度对比图

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图11  低速航行时ADCP与GPS测量的速度对比图

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四、讨论

根据海军以往使用美国RDI公司ADCP经验，船只在转向和往复航行以及加速和减速航行时，数据质量一般不好，在数据后处理过程中通过质量控制去除该时间段的数据。通过对该航次国产ADCP数据处理发现，该型仪器在整个航次的所有转向和往复运动都不受影响。

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在高速情况下，受气泡、船体噪声、信号跟踪丢失等影响，测流效果一般会很差，通常RDI公司的ADCP的测流工作航速不超过12kn，该航次的国产ADCP多数航行在20kn附近，从测流效果上，绝大多数明显具有较高的质量（不排除母船的平台条件优越）。

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由此可见，国产ADCP与美国RDI公司ADCP相比，在船只转向和往复航行、加速和减速航行、高速航行时有优势；在船只匀速直航测量状态，流速剖面测量性能与国外ADCP相当。在20kn及以下航速时，数据质量良好，船只转向和往复航行、加速和减速航行基本不影响数据质量或影响很小。在低速航行情况下，测流效果非常理想（因没有海况数据参考，不排除没有海浪的情况）。

国产ADCP的测流数据具有基本的符合性和合理性，能够反映观测海域的基本流场特征，数据获得的赤道流和潮流特征理想。设备在整个航次18d时间内连续工作无中断，无人为干预，换能器接收信号质量稳定，具备基本的可靠性和稳定性。

五、结束语

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本文从不同角度和层面，对国产走航式声学海流剖面仪的实际数据进行了全面分析和考察，对该剖面仪测量数据的各项性能，通过数据质量、数据有效性、测流精度、测流深度等各方面的分析比对，做出定性评价。同时，通过与国外同类仪器的以往应用情况进行对比分析，发现在船只转向和往复航行、加速和减速航行、高速航行时，国产走航式声学海流剖面仪表现更佳。

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建议设备用户在浅海及大陆架海域进行流场观测时使用高频ADCP（如SLC150-1型150 kHzPAADCP），在深远海海域流场观测时使用SLC38-1型PAADCP典型层厚16m或32m设置，可增加设备最大测流剖面深度，并提供完整的航姿信息（航向角及纵横摇）、GPS位置和速度信息。

建议设备生产方开展数据后处理和数据质量控制方法研究，编制齐全的后处理软件提供给使用方。数据后处理软件应能够对PAADCP记录的数据进行读取、分析并将结果数据保存为标准的文本格式。

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【作者简介】文/孙芳 王川 吴宝勤，均来自海洋测绘研究所；第一作者孙芳，1969年出生，女，硕士，高级工程师，主要从事水声环境效应与水声调查研究；本文为基金项目，国家自然科学基金资助项目（41406004）；本文来自《海洋技术学报》(2019年第4期），用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有，转载也请备注由“溪流之海洋人生”微信公众平台整理。

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