准值；
[0044] (3)数学推导确立环境磁场影响引起的ADCP磁北角输出误差和相应流向误差之 间的定量关系，具体过程如下：
[0045] 由于实际使用的是地理坐标系中的流速，因此要将ADCP中换能器测得的波 束流速转换到地理坐标系中的流速，具体过程是；ADCP中换能器测得的波束流速，通过 两次坐标变换；ADCP换能器波束坐标系（W下简称"波束坐标系"）一ADCP载体坐标 系（W下简称"载体坐标系"）一地理坐标系，可得最终的流速输出（ADCPCoordinate TransformationFormulasandCalculations.SanDiego,CaliforniaUSAby民D I打strume打ts. 1998,July)。
[0046] 波束坐标系转换到载体坐标系的过程是；设ADCP测流结构为实际使用中最多的 四波束Janus阵型结构，四波束5i，/"^；；，/"^;和电构成波束坐柄系，如图1所不。各个波束 与水平面夹角为a，各波束在水平面上的投影与Yb轴的夹角为0，那么四波束方向上的流 速在载体坐标系中可表示为：
[0047]
[004引其中，V。;（i=1，2, 3, 4)是四波束方向上测得的流速，Vbj(j=X，y，Z)是载体坐标 系Xb,yb，Zb轴方向上的流速。
[0049] 对于地理坐标系到载体坐标系的转换，有下述过程：如图2所示，假设ADCP载体 坐标系为OxbybZb，固连在仪器上，其轴〇马，Oyb，Ozb分别是仪器的横轴，纵轴和竖轴，满足 "右-前-上"右手准则，地理坐标系为化tytZt，选取为"东-北-天"。
[0050] 坐标系的转动依据如下顺序完成（图2);首先固定Zt轴，逆时针转动航向角d); 其次固定yp轴，逆时针转动俯仰角0;最后固定Xp'轴（即Xb轴），逆时针转动横滚角丫， 良逆时针转动方向为正方向，依次转动航向角4、俯仰角0、横滚角丫，可将地理坐标 系化tytZt转换到载体坐标系化bybZb。那么，由地理坐标系到载体坐标系的转换矩阵巧可表 述如下：
[0051]
[0052]由于该转换矩阵为正交矩阵，那么由载体坐标系到地理坐标系的转换矩阵为；
[0053]
[0054]设ADCP测得的流速矢量在载体坐标系中表示为Vb=[VhVbyVb,]'，在地理坐标 系中表示为Vt=[VhVtyvj'，那么在地理坐标系中，可表示为：
[005引其中，V,，Vw，Vu分别表示ADCP测得的流速矢量在地理坐标系中的东向，北向和天 向分量。
[0059] 最终的输出流速大小V和流向1])分别为；
[0062] 假设航向角标准值为4，相应的流向标准值为-1]) (由于流向规定为地理北向 顺时针方向到最终流速V之间形成的角度，故此处有"-"号），航向角实测值为4'，那么 相应的流向实测值为-iF，则航向角变化A4=4' -4，流向的变化A1]) = (-1]) '）- 1]) 流向），则有：
[0063]
[0066] 从式<8〉可知，A1]) =A(K即；当航向角存在误差Ad)时，相应流向误差A1]) =Ad)。由于ADCP内置磁罗经输出的是磁北角，即罗经方位与地磁北极的夹角，与航向 角一一罗经方位与地理北极的夹角，相差一个地磁偏角，该偏角虽因时因地而异，但在同一 个地点短期内是固定值，可W事先查询或现场测定得到。所W，当ADCP内置磁罗经输出的 磁北角存在罗差A口时，会对航向角和流向造成相同的误差，即Av/ = =A疗；
[0067] (4)根据罗差数学模型（马成瑶，钱晋武，沈林勇，章亚男.平面电子罗盘的误 差分析及补偿[J].上海大学学报（自然科学版）.2009, 15(2): 186-190):
[0068]
[0069] 其中，口表示受环境磁场影响的实测磁北角，梦表示磁北角标准值，A，B，C，D，E为 补偿系数。
[0070] 对N个位置获得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，具体过程如下：
[0071] 假设在[0。，360° )区间内选取N个测量方位灼，梦2，……，觀-，由磁罗经测 得该N个方位的结果分别为闲，口;，……，脚，那么由式<10〉，用矩阵可表示为：
[0072]
[0074] 则巧<11〉可化简为：
[00巧]Y=狂'幻-中2 <12〉
[0076] 由式<12〉可得补偿系数A，B，C，化E，然后根据式<10〉可计算出每一个罗经实测磁 北角下应补偿的，进而得出每一个罗经实测磁北角对应的流向应补偿的角度（即A口）。 可将拟合出的补偿系数设置到上位机软件中，W方便对后续流向的实测结果进行补偿。
[0077] 将（1)和（2)中获得的150个磁北角实测值和相应的磁北角标准值按式<10〉进 行拟合，补偿前磁北角误差及环境磁场产生的罗差拟合曲线如图3所示，拟合系数见图中 公式。由图可W看出，该150个磁北角已覆盖四个象限，环境磁场产生的罗差拟合曲线可W 较好描述补偿前磁北角误差中含有的趋势性分量。
[007引 妨根据式<10〉，使用（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。为了说明补偿效果，通过设置座底式ADCP获得标准流向，并用流向误差 的均方根值来衡量。图4,图5和图6分别为水深4m，5m和6m情形下，使用（4)中的补偿系 数，即A= -13. 863,B= -24. 132,C= 3. 375,D= -4. 624,E= 16. 790,对后续测流进行补 偿的结果。可W看出，在水深分别是4、5和6m时，补偿后流向误差较补偿前更接近于值为 0的一条直线；从表1也能够看出，无论何种水深，流向的均方根误差改善均在70%左右，说 明流向误差已大幅减小，补偿效果明显。
[0079] 表1补偿前后流向误差均方根值对比
[0080]
[0081] 本发明提出了一种有效提高声学多普勒流速剖面仪（AcousticDoppler化rrent Profiler,ADCP)流向测量精度的方法。首先通过建立数学模型，分析磁北角变化和最终流 向变化之间的关系，得出；当仅存磁北角变化时，该角度变化量与流向变化量相等。在此基 础上，使用最小二乘法拟合流向受磁影响的误差，并将拟合系数用于补偿ADCP实测流向输 出。与标准流向相比，本发明可最终实现流向受磁影响误差的均方根值降低约70%。本发 明可在[0, 360° )方位角范围内有效补偿ADCP内部磁罗经受环境磁场干扰所带来的流向 误差，从而在全方位范围内均可大幅提高流向测量精度。本发明对海洋观测中的长期定点 测流具有工程指导价值。
【主权项】
1. 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，其特征在于包括以下步 骤： 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个位置受环境磁场影响的ADCP内部磁罗经输出，即磁北角的，i= 1......N，以 此作为实测磁北角；其中，N多4,且N为整数； 2) 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磁北角仍，i= 1......N，以此作为磁北角标准值； 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和其 引起的相应流向误差之间的定量关系；所述各类磁场影响引起的磁北角输出误差即罗差； 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； 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 向误差A，即罗差引起的流向误差，得补偿后流向步。2. 如权利要求1所述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，其特 征在于在步骤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[〇, 360° )方位角的四个象限。3. 如权利要求1所述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，其特 征在于在步骤1)中，所述开始测流的时间为24h内。4. 如权利要求1所述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， 其特征在于在步骤3)中，所述磁北角输出误差和其引起的相应流向误差的定量关系有： Af=Ap，其中，Ap表不罗差，Ai])表不相应的流向误差。5. 如权利要求1所述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，其特 征在于在步骤4)中，所述罗差数学模型为：其中，P表示受环境磁场影响的实测磁北角，P表示磁北角标准值，A，B，C，D，E为补偿 系数。6. 如权利要求1所述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，其特 征在于在步骤5)中，补偿后流向(6 = 1])'-AiD，其中iD'表示实测流向，AiD表示应补偿 的流向。
【专利摘要】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，涉及声学多普勒流速剖面仪。首先通过建立数学模型，分析磁北角变化和最终流向变化之间的关系，得出当仅存磁北角变化时，该角度变化量与流向变化量相等。在此基础上，使用最小二乘法拟合流向受磁影响的误差，并将拟合系数用于补偿ADCP实测流向输出。与标准流向相比，可最终实现流向受磁影响误差的均方根值降低约70％。可在[0,360°)方位角范围内有效补偿ADCP内部磁罗经受环境磁场干扰所带来的流向误差，从而在全方位范围内均可大幅提高流向测量精度。对海洋观测中的长期定点测流具有工程指导价值。
【IPC分类】G01P5/24, G01P13/02, G01F1/66
【公开号】CN104965102
【申请号】CN201510270429
【发明人】戴昊, 商少平, 贺志刚, 刘轲, 魏国妹
【申请人】厦门大学
【公开日】2015年10月7日
【申请日】2015年5月25日