一种有效提高声学多普勒流速剖面仪流向测量精度的方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及声学多普勒流速剖面仪（AcousticDopplerQirrentProfiler, ADCP)，属于海洋观测仪器技术领域，尤其是设及用于ADCP实测流向误差修正的一种有效 提高声学多普勒流速剖面仪流向测量精度的方法。
【背景技术】
[0002] ADCP是一种利用声学多普勒原理测量水流流速和流量的仪器。利用ADCP换能器 接收的回波频率与发射频率之间存在的偏移，计算水中颗粒的速度，即可得水流的运动速 度，进而可知一定时间内流过截面的水流量W。ADCP已成为海洋、河流等水体中重要的测 流仪器。
[0003] 实际使用时，有多种误差源影响ADCP的测流精度，使流速的测量与准确值存在大 幅偏差，严重影响观测结果和后续的数据处理与分析。影响ADCP输出的误差大致可分为频 率测量误差、水中声速误差、安装误差和环境因素误差等，海洋研究工作者对误差源进行了 大量研究，针对不同的误差采用不同的方法进行分析和补偿。
[0004] 从最开始的窄带ADCpb^，到其后的脉冲相干ADCP，再到目前的宽带ADCpb^，频率 测量误差不断抑制；由温度、盐度、深度导致的声速变化会直接引起测流误差，现代ADCP多 倾向于使用相控阵技术来维持声速的恒定，消除此类误差w;ADCP安装误差的存在会使测 得的波束流速矢量在转换成最终流速流向时出现偏差环境因素误差来源于多种方面： ADCP附近流体扰动、晃动平台、河底/海底推移质运动等都会形成测量误差W'7'8'93。
[0005] 在诸多误差源分析和解决对策中，很少设及关于ADCP内部磁罗经受环境中各类 磁场影响而导致磁北角输出误差一一罗差所带来的流向误差问题的讨论。对于罗差引起的 流向误差的抑制，一般方法是通过外接进口罗经或GI^S加W解决hu'iu，对ADCP流向输出受 罗差影响的数理分析和数学修正尚未见到相关报道。鉴于此，本案发明人对上述问题进行 深入研究，遂有本案产生。
[000引 参考文献：
[0007] [ 1 ]Gordon民L.AcousticDopplerCurrentProfilePrinciples ofOperation,APracticalPrimer.SanDiego,CaliforniaUSAby民D Instruments. 1996,January8, 7PP.
[0008] [2]民ogerL,民obertS.Pulse-to-pulsecoherentdopplersonar signalprocessingtechnology[J].JournalofAtmosphereandOceanic Technology, 1984, 1(4) : 293-308.
[0009] [3]BlairH,Brumley,民amonG.Cabrera,KentL.Deines,andEugeneA.Terray. Perform过打ceof过bro过d-b过打d过cousticdopplercurrentprofiler[J].Jour打过1of OceanicEngineering, 1991，16(4) : 402-407.
[0010] [4]JU??民GENFISCHER,PETE民BRANDT,MARCUSDENGLER，ANDMARIO MU..LLE民SurveyingtheUpperOceanwiththeOceanSurveyor:ANewPhased ArrayDopplerCurrentProfiler[J].JournalofAtmosphereandOceanic Technology, 2003, 20:742-751.
[0011] [5]TerrenceM.JOYCE.Oninsi1:u"calibration"of化ipboardADCPs[J]. JournalofAtmosphericandOceanicTechnology, 1989, (6):169-172.
[0012] [6]DavidS.Mueller,JorgeD.Abad,Car1osM.Garcia,Jeffery W.Gartner,MarceloH.Garcia,andKevinA.Oberg.ErrorsinAcousticDoppler ProfilerVelocityMeasurementsCausedbyFlowDisturbance[J].Journalof HydraulicEngineering, 2007, 1411-1420.
[0013] [7]MarianMuste,DongsuKimandJuanA.Gonz扫lez-Castro.Near-Transducer ErrorsinADCPMeasurements:ExperimentalFindings[J].JournalofHydraulic Elngineering, 2010, 275-289.
[0014][引余义德，熊英.晃动平台下ADCP测流误差分析与校正[J].海洋环境科 学.2012, 31(2) : 246-249.
[00巧][9]谢波，田岳明，叶建红，吴建荣.ADCP河流流量测验及其误差分析[J].水资 源研究.2007, 28(4) : 34-36.
[0016] [10]陈力平.铁质测船上ADCP流向测量误差的改进方法[J].水利水电快 报.2001，22(18) : 22-23.
[0017] [11]陈守荣，香天元，蒋建平.ADCP外接设备对流量测验精度影响的研讨[J]. 人民长江.2010, 41 (1) : 29-34.
【发明内容】
[0018] 本发明的目的在于提供一种有效提高声学多普勒流速剖面仪流向测量精度的方 法。
[0019] 本发明包括W下步骤：
[0020] 1)利用ADCP搭载浮标等平台进行长期定点测流时，由于ADCP可能放置于铁质材 料或电机附近，其流向的测量容易受到环境磁场影响；开始测流，测得[0, 360° )方位的四 个象限范围内N个位置（N> 4,且N为整数）受环境磁场影响的ADCP内部磁罗经输出，即 磁北角巧，（i=1……脚，W此作为实测磁北角；
[002。。在步骤1)中进行定点测流时，使用外部高精度磁罗经得到相同方位条件下，不 受环境磁场影响的ADCP磁北角巧，（i= 1……脚，W此作为磁北角标准值；
[002引 3)数学推导确立ADCP内部磁罗经受环境中各类磁场影响引起的磁北角输出误差 (即罗差）和其引起的相应流向误差之间的定量关系；
[0023] 4)根据罗差数学模型，对步骤1)和2)中获得的N个位置的实测磁北角和磁北角 标准值数据，使用最小二乘法拟合补偿系数；
[0024] 5)使用步骤4)中获得的补偿系数，计算后续定点测流中每个实测磁北角应补偿 的流向（即罗差引起的流向误差）AiD，得补偿后流向iK
[00巧]在步骤1)中，为使最小二乘法拟合的补偿系数尽可能准确，所取N个测量位置应 尽可能覆盖[0, 360° )方位角的四个象限；所述开始测流的时间可为2化内。
[0026]在步骤3)中，所述磁北角输出误差（即罗差）和其引起的相应流向误差的定量关 系有；A^ =A巧，其中，表示罗差，AiD表示相应的流向误差。
[0027] 在步骤4)中，所述罗差数学模型为：
[0028]
[0029] 其中，與'表示受环境磁场影响的实测磁北角，巧表示磁北角标准值，A，B，C，D，E为 补偿系数。
[0030] 在步骤5)中，补偿后流向1])=1])A 1])，其中iF表示实测流向，A 1])表示应补 偿的流向。
[003。本发明利用[0, 360° )方位角范围内选取的N个位置ADCP输出的实测磁北角和 外部设置的高精度磁罗经获得的磁北角标准值，W最小二乘法拟合系数对长期定点测流进 行流向补偿。
[0032] 本发明确立ADCP内部磁罗经受磁影响引起的输出误差和相应ADCP输出流向误差 间的定量关系，建立ADCP流向输出受环境磁场影响误差补偿的数学基础；提出了一种可有 效补偿ADCP内部磁罗经受环境磁场影响引起流向误差的方法，提高ADCP流向测量精度。
[0033] 本发明的有益效果如下：
[0034] 首次对环境磁场影响引起的ADCP内部磁罗经输出误差和相应流向误差间的定量 关系进行了数学推导，使用数学方法对此种流向误差予W修正，并用于实际工程应用中，有 效提高ADCP在受到环境磁场影响时的长期流向测量精度，提升其环境适应性。
【附图说明】
[00巧]图1为波束坐标系到载体坐标系的转换示意图；
[0036] 图2为地理坐标系到载体坐标系的转换示意图；
[0037] 图3为实施例中补偿前磁北角误差及环境磁场产生的罗差拟合曲线；
[0038] 图4为实施例中后续测流中补偿前后流向误差及罗差拟合曲线（水深4m时）；
[0039] 图5为实施例中后续测流中补偿前后流向误差及罗差拟合曲线（水深5m时）；
[0040] 图6为实施例中后续测流中补偿前后流向误差及罗差拟合曲线（水深6m时）。
【具体实施方式】
[0041] W下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。
[0042] (1)在福建潭州海域，搭载某单位浮标，使用挪威Nodek公司的ADCP进行长期定 点测流。该ADCP发射频率IMHz，设置盲区深度0.2m，层厚Im，发射时间间隔为Is,平均时 间为100s。由于浮标部分组成含有铁质材料，会对ADCP流向测量产生影响。在某日12时 到次日13时，在[0° ,360° )方位角的范围内测量了 150个方位，通过ADCP内部磁罗经 获得了受环境磁场影响的磁北角实测值；
[0043] (2)标定外部高精度磁罗经的输出相对基准，使得和ADCP内部磁罗经的输出相对 基准保持一致，利用外部磁罗经得到相同方位条件下磁北角标