基于层间相关性的adcp表层盲区流速估算方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于层间相关性的ADCP表层盲区流速估算方法，利用单波束径向流速的前三个有效单元层的流速得到相邻层、间隔层的相关性，再结合前两层有效单元层的径向流速对表层盲区流速进行有效估计。此发明的优点是该方法可对表层盲区的径向流速数据进行有效补偿，最终使流速数据更准确。
【专利说明】
基于层间相关性的ADCP表层盲区流速估算方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种声学多普勒流速剖面仪(ADCP)的表层盲区流速估算方法，属于水 声信号测量技术领域。
【背景技术】
[0002] ADCP是利用声学多普勒原理来测量流速和流量的仪器，一台ADCP在工作时相当于 若干台传统流速仪，ADCP要获得一个流速剖面，需测量不同水深的流速，这就要涉及水流的 空间分层问题。ADCP可以以时间为尺度，采集空间中不同深度单元层的回波，经过对不同深 度单元层的多普勒频移估计而测算出各层径向流速。
[0003] 表层盲区流速数据的处理是ADCP的关键技术之一，同时也是决定流量计算是否准 确的主要参量。若ADCP入水较深且换能器盲区较大，在测量浅水区时，导致表层盲区占水深 比例过大，表层流速估算偏小，最终导致流量计算偏小。因而，对表层盲区流速估计的重要 性要求其具备更佳的估算准确度。
[0004] 基于层间相关性的ADCP表层盲区流速估算方法，用于估计ADCP的表层盲区流速， 利用单波束径向流速的前三个有效单元层的流速得到相邻层、间隔层的相关性，再结合前 两层有效径向流速对表层盲区流速进行估计。有效地解决了表层盲区流速不准确的问题。
【发明内容】
[0005] 发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明为ADCP测流过程中提供了一种基 于层间相关性的ADCP表层盲区流速估算方法，该方法可对表层盲区流速进行估计，达到较 高的准确度。
[0006] 技术方案：流场中流速数据的测量主要利用声学多普勒流速剖面仪（即ADCP)。 ADCP在实际工作中，采用声波换能器作为传感器，发射声波脉冲，声波遇到水体中不同深度 单元层的散射体产生回波信号，回波信号经处理可得流速信息。
[0007] 一种基于层间相关性的ADCP表层盲区流速估算方法，其中，表层盲区是指靠近水 面且流速测量值为野值的区域。利用单波束径向流速的前三个有效单元层的流速得到相邻 层、间隔层的相关性，再结合前两层有效单元层的径向流速对表层盲区流速进行有效估计。 主要包括以下步骤：
[0008] (1)根据回波信号处理算法得到单波束的第i层径向流速信息，记为f，0彡i彡N-1，其中，N为深度单元层总数，表示盲区流速。
[0009] (2)利用第一、二、三有效单元层的流速得到回归方程石=4+1,5+22^；+^?，其 中，Vel、Vd、分别为第一、二、三有效单元层的径向流速，h、人1、人2分别为第一、二、三有 效单元层的流速对第一层有效单元层流速的偏相关系数，e为估计误差。
[0010] (3)取t组观测数据G、G、利用最小二乘法得出偏相关系数M，0<i<2，t ^3〇
[0011] (4)将Ai作为表层盲区、第一、第二有效单元层的流速对表层盲区流速的偏相关系 数。结合实测的第一、二层有效单元层的流速，得表层盲区流速为t=七^。
[0012] 此发明的优点是该方法可对表层盲区的径向流速数据进行有效补偿，最终使流速 数据更准确。
【附图说明】
[0013] 图1描述ADCP在走航测量时波束1和波束2的平面图，以及测量过程中深度单元层 的概念；
[0014] 图2本发明实例的具体实现过程；
[0015]图3实测的表层盲区、第一、二、三有效单元层的径向流速；
[0016] 图4基于层间相关性估计的表层盲区流速。
【具体实施方式】
[0017] 下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明 而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价 形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
[0018] 图1示意了 JANUS配置的ADCP在走航测量时波束1和波束2的平面示意，能够对整个 ADCP的测量系统有较为清楚的认识。
[0019] 在南京秦淮河进行实验，使用的仪器为JANUS配置的ADCP。测量时，ADCP的波束1与 船头方向一致，设置的层厚为〇.42m，每次测量数据记为一个样本点。每个样本点深度方向 上共36层的径向流速数据，共采集200个样本点。根据图2所示的具体实施步骤，首先通过对 回波信号处理，获取波束1的径向流速信息图3是实际测量200个样本点的表层盲区、第 一、二、三有效单元层的径向流速，发现表层盲区的流速与其他层的流速相差较大。取t = 200,根据200个样本点的观测流速数据、％，列出自相关方程~.， 并利用最小二乘法得出偏相关系数心=-0.1014，\ = 0.7012，人2 = 0.0036，最后得表层盲区 流速为巧=-0.1014 +0.7012G+0.0036G，结合前两层的有效单元层流速G、G，得到图 4中表层盲区流速的估计值。表1将盲区流速估算值与实测流速值进行均值、标准差的对比。 发现估计的表层盲区流速大小符合水流表层流速略大于其下层流速的基本现象，且其稳定 性较好。
[0020]表1盲区估算与实测流速对比
【主权项】
1. 一种基于层间相关性的ADCP表层盲区流速估算方法，其特征在于，利用单波束径向 流速的前三个有效单元层的流速得到相邻层、间隔层的相关性，再结合前两层有效单元层 的径向流速对表层盲区流速进行有效估计。2. 如权利要求1所述的基于层间相关性的ADCP表层盲区流速估算方法，其特征在于，主 要包括以下步骤： (1) 根据回波信号处理算法得到单波束的第i层径向流速信息，记为f，〇彡i彡N-I，其 中，N为深度单元层总数，&表示盲区流速； (2) 利用第一、二、三有效单元层的流速得到回归方程& = & +木^；+毛^；+ ε，其中， 、vM分别为第一、二、三有效单元层的径向流速，人〇、人1、人 2分别为第一、二、三有效 单元层的流速对第一层有效单元层流速的偏相关系数，ε为估计误差； (3) 取t组观测数据^^^，利用最小二乘法得出偏相关系数4彡3; (4) 将\作为表层盲区、第一、第二有效单元层的流速对表层盲区流速的偏相关系数;结 合实测的第一、二层有效单元层的流速，得表层盲区流速为=4 +/?Vfl 。
【文档编号】G01P5/24GK105891541SQ201610416174
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年6月13日
【发明人】方衍, 方世良, 周翠翠
【申请人】南京世海声学科技有限公司