声学多普勒ADCP海上测试及误差来源分析
汪连贺
摘要：本文主要介绍流速流向数据采集方式以及声学多普勒流速剖面仪ADCP工作原理，介绍了对新购置的ADCP性能以及海上验收情况，对采集数据的误差和异常情况进行了分析，在此基础上对ADCP的应用提出了指导性意见。
关键字：声学多普勒ADCP 罗经校准 走航测量 潮流观测
0引言
从养殖捕捞、防灾减灾到能源开发，凡与海洋有关的事务均需海洋环境要素的观测和相关的数据。海洋潮流流向、流速尤其是航道演变、维护改造、船舶航行安全的重要参考依据。潮流流速、流向传统测量一般采用浮标观测法，该方法就是在浮标漂浮在海面，海面以下2米左右连接以悬浮物，保证该物体随海流漂移。在测量时，根据适当的流程每隔一段时间测量出浮标的一个平均位置，测量完成后，在图纸上标出测量点并按顺序连接，根据测量点的时间和之间的距离计算出两点间的平均速度，标注到图上，即可得到流速流向图。该测量方法测量精度低、劳动强度大，而且受到通视、天气的影响，对于长距离的测量需要大量的人力和设备投入。ADCP（AcousticDoppler Current Profiler，声学多普勒流速剖面仪），利用声学多普勒原理，测量分层水介质散射信号的频移信息，并利用矢量合成方法获取海流垂直剖面水流速度，即水流的垂直剖面分布。对被测验流场不产生任何扰动，也不存在机械惯性和机械磨损，能一次测得一个剖面上若干层流速的三维分量和绝对方向，是一种新型水声测流仪器。
1声学多普勒ADCP的工作原理
声学多普勒流量计的测量原理是以物理学中的多普勒效应为基础的。根据声学多普勒效应，当声源和观察者之间有相对运动时，观察者所感受到的声频率将不同于声源所发出的频率。这个因相对运动而产生的频率变化与两物体的相对速度成正比。
在超声波多普勒流量测量方法中，超声波发射器为一固定声源，随流体一起运动的固体颗粒起了与声源有相对运动的“观察者”的作用，当然它仅仅是把入射到固体颗粒上的超声波反射回接收据。发射声波与接收声波之间的频率差，就是由于流体中固体颗粒运动而产生的声波多普勒频移。由于这个频率差正比于流体流速，所以测量频差可以求得流速，进而可以得到流体的流量。因此，超声波多普勒流量测量的一个必要的条件是：被测流体介质应是含有一定数量能反射声波的固体粒子或气泡等的两相介质。这个工作条件实际上也是它的一大优点，即这种流量测量方法适宜于对两相流的测量，这是其它流量计难以解决的问题。因此，作为一种极有前途的两相流测量方法和流量计，超声波多普勒流量测量方法目前正日益得到应用。
流体中悬浮粒子运动速度与流体流速相同，均为u。现以超声波束在一颗固体粒子上的反射为例，导出声波多普勒频差与流速的关系式。当超声波束在管轴线上遇到一粒固体颗粒，该粒子以速度u沿营轴线运动。对超声波发射器而言，该粒子以u·cosa的速度离去，所以粒子收到的超声波频率f2应低于发射的超声波频率f1，降低的数值为（设A= ）
f2-f1=-A·f1
即粒子收到的超声波频率为
f2=f1-A·f1
式中f1为发射超声波的频率；
ɑ为超声波束与管轴线夹角；
c为流体中声速。
固体粒子又将超声波束散射给接收器，由于它以u·cosa的速度离开接收器，所以接收器收到的超声波频率f3又一次降低，类似于f2的计算，f3可表示为
f3=f2-A·f2
将f2的表达式代入上式，可得：
f3=f1·2（1-A）
=f1·（1-2A2）
由于声速c远大于流体速度u，故上式中平方项可以略去，由此可得：
f3=f1（1-2A）
接收器收到的超声波频率与发射超声波频率之差，即多普勒频移 f1，可由下式计算：
△f=f1-f3=f1-f1·（1-2）·A
=2f1·A
由上式可得流体速度为
u= ·△ f
2 声学多普勒ADCP海上测试
2.1 设备简介
为提高单位在潮流方面数据采集能力，更好的为港航部门提供相应的服务，在原有设备基础上本单位再次购置了两台声学多普勒ADCP数据采集设备（WHS—300和WHS—600），技术参数如表2-1。
2.2测试概述
为充分验证设备的可用性，单位组织人员进行海上现场实际测试，根据质量管理部门的要求进行不少于12小时的数据采集。本次测试没有使用海底静态采集方式，全部采用走航式进行工作。走航式不需要进行设备投放和打捞，降低工作强度并保证设备安全，能够及时发现采集中出现的问题。
（1）稳定性试验
在测试区域内选择一个流速基本稳定的水域，将两套验流仪相对固定在一起，连续开机2小时，采集流速数据，解算后，比对两套验流仪采集数据，求出相同时间、相同水层测量数据互差值。
（2）数据采集
2016年3月27日—28日在大沽灯塔附近进行数据采集（118-01-07.7，38-55-31.1），该处2016年磁偏角西偏6.1°，年变率3.8°。
WHS—300剖面仪安装在海巡1505，采用外接光纤罗经的方式进行采集；WHS—600剖面仪采用船舷安装使用自身磁罗经进行采集，在租用的木质渔船上测试，安装支架采用不锈钢2024多波束支架进行安装。
2016年5月8日再次对ADCP进行了测试，数采方式与上次采集方式相同。因为船舶调动原因，本次测试只使用租用的木质渔船。WHS—300频率ADCP需要外接光纤罗经，为保证船舶坐标系的稳定，该ADCP安装在不锈钢2024多波束支架，而WHS—600频率ADCP直接使用单波束铁质杆进行固定。
对于使用内置磁罗经的数据均进行了磁偏差改正，对于使用外接光纤罗经的数据均进行数据校准。光纤罗经校准就是在同一条测线往返采集20分钟，使用WinADCP导出底跟踪和光纤罗经的数据分别求平均值，底跟踪的值与光纤罗经的差值就是校准值。
（3）处理结果
为更直观的表示采集数据，以图形方式显示流速流向曲线，如图2-2、2-3、2-4、2-5所示：
根据校准数据计算的到第一次光纤罗经与ADCP之间的偏差值为8.7度（光纤罗经角度—ADCP角度），第二次偏差值为3.8度，数据处理结果如表2-2所示。
3数据分析
数据分析：因为本次测试目的主要检查设备是否正常工作，没有按照规范进行连续三天的数据采集。
（1）第一次WHS—300外接光纤罗经进行数据采集的结果数据变化比较大，根据流向曲线剔除异常后曲线能够表现往复流的趋势，但无法明显判断不同流向时的最大流速。
（2）第一次WHS—600频率ADCP采集数据时使用内置光纤罗经，能够根据曲线和采集的数据计算流向和最大流速。
（3）第二次WHS—300频率ADCP采用外接光纤罗经进行数据采集，能够根据曲线和采集的数据计算流向和最大流速。
（4）第二次WHS—600频率ADCP采集数据时使用内置光纤罗经，能够根据曲线和采集的数据计算流向和最大流速
（5）对于结果1，经咨询厂家对于WHS—300频率的ADCP采集数据分层时层厚最小为1米，但实际采集数据时层厚设置成了0.5米，导致数据变化异常，不能正确跟踪流速流向变化。
（6）对于结果4，流向数据明显与其它数据不同，经分析后认为是此设备安装方式存在问题，安装使用了铁制的单波束杆子，影响了内置磁罗经数据精度。为验证分析是否正确，在办公室内首先验证ADCP标定是否正确，经检查后综合误差为2.6度，满足设备要求，把ADCP磁罗经方向指向正北，并与手机指北针进行比对，表明设备没有问题，数据显示为-1度和1度之间变化，随后把一铁制垃圾桶靠近ADCP（如图3-1），ADCP输出之马上发生变化，最大变化达到近20度，把垃圾桶拿开距离1米左右，数据输出正常，可以证明此次数据错误是铁磁影响（如图3-2）。
4建议
（1）ADCP可以采用直读式和自容式两种方式进行工作，采用不同的软件和不同的配置、采集；可以外接光纤罗经和内置磁罗经进行采集，如果存在铁磁影响必需使用外接光纤罗经避免船磁干扰。
（2）使用磁罗经必须进行磁偏差校准；使用外置罗经必须进行校准，校准值为（光纤罗经航向—底跟踪的航向），可以在数据采集之前进行校准，在沿着测线校准时调整光纤罗经的角度使光纤罗经和底跟踪的角度一致。
（3）如果采用走航式测量必须开启ADCP底跟踪功能。
（4）根据具体设备技术指标对ADCP进行合理的参数设置。
（5）如果使用内置磁罗经采集航向，不要使用铁制安装支架，可以使用不锈钢、木质、橡胶等，ADCP需要固定安装。
（6）ADCP的安装位置如果并非处于船的摇摆中心，且距摇摆中心距离较大，则即使摇摆角度不大，也会在ADCP表面引起较大的瞬时线速度和角速度，这种情况下，ADCP自身的姿态测量仪已经无法满足姿态补偿的需要，需外接高精度陀螺系统来进行观测误差修正。
5结束语
随着对海洋探索需求的不断增加，ADCP的应用也会越来越广泛，本文只是针对本次设备测试发现的问题进行了总结。在实际工作中对ADCP数据采集效果的影响因素会很多，有时会带有不确定性，这就要求使用设备技术人员不断总结积累不断提高。
参考文献：
[1]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.
[2]劳雷工业有限公司. Workhorse Sentinel Series ADCP使用手册通用.
[3]劳雷工业有限公司.WorkHorse系列走航ADCP_操作指南.
[4]多普勒测流原理
http：//wenku.baidu.com/link？url=mf3ndh60tp7Nvlctu9FX32dLiHC_d_QorDLE6YYniu1lSaF2slCHHOLiO4Y-vmc963AwJzm4Oxrq4PA9bXTAz_dCgVkgBG8afgX4HORkyb7.
[5]秦伟，周庆，李靖，王力群.走航ADCP原理及误差分析. 海洋开发与管理， 2014（6）.
[6]蓝标，曲娟. 声学多普勒流速剖面仪ADCP及其在水文测流中的应用. 气象水文海洋仪器，2011（4）.
[7]GB/T24558-2009，声学多普勒流速剖面仪[S].北京：中国标准出版社，2009.
摘要：本文主要介绍流速流向数据采集方式以及声学多普勒流速剖面仪ADCP工作原理，介绍了对新购置的ADCP性能以及海上验收情况，对采集数据的误差和异常情况进行了分析，在此基础上对ADCP的应用提出了指导性意见。
关键字：声学多普勒ADCP 罗经校准 走航测量 潮流观测
0引言
从养殖捕捞、防灾减灾到能源开发，凡与海洋有关的事务均需海洋环境要素的观测和相关的数据。海洋潮流流向、流速尤其是航道演变、维护改造、船舶航行安全的重要参考依据。潮流流速、流向传统测量一般采用浮标观测法，该方法就是在浮标漂浮在海面，海面以下2米左右连接以悬浮物，保证该物体随海流漂移。在测量时，根据适当的流程每隔一段时间测量出浮标的一个平均位置，测量完成后，在图纸上标出测量点并按顺序连接，根据测量点的时间和之间的距离计算出两点间的平均速度，标注到图上，即可得到流速流向图。该测量方法测量精度低、劳动强度大，而且受到通视、天气的影响，对于长距离的测量需要大量的人力和设备投入。ADCP（AcousticDoppler Current Profiler，声学多普勒流速剖面仪），利用声学多普勒原理，测量分层水介质散射信号的频移信息，并利用矢量合成方法获取海流垂直剖面水流速度，即水流的垂直剖面分布。对被测验流场不产生任何扰动，也不存在机械惯性和机械磨损，能一次测得一个剖面上若干层流速的三维分量和绝对方向，是一种新型水声测流仪器。
1声学多普勒ADCP的工作原理
声学多普勒流量计的测量原理是以物理学中的多普勒效应为基础的。根据声学多普勒效应，当声源和观察者之间有相对运动时，观察者所感受到的声频率将不同于声源所发出的频率。这个因相对运动而产生的频率变化与两物体的相对速度成正比。
在超声波多普勒流量测量方法中，超声波发射器为一固定声源，随流体一起运动的固体颗粒起了与声源有相对运动的“观察者”的作用，当然它仅仅是把入射到固体颗粒上的超声波反射回接收据。发射声波与接收声波之间的频率差，就是由于流体中固体颗粒运动而产生的声波多普勒频移。由于这个频率差正比于流体流速，所以测量频差可以求得流速，进而可以得到流体的流量。因此，超声波多普勒流量测量的一个必要的条件是：被测流体介质应是含有一定数量能反射声波的固体粒子或气泡等的两相介质。这个工作条件实际上也是它的一大优点，即这种流量测量方法适宜于对两相流的测量，这是其它流量计难以解决的问题。因此，作为一种极有前途的两相流测量方法和流量计，超声波多普勒流量测量方法目前正日益得到应用。
流体中悬浮粒子运动速度与流体流速相同，均为u。现以超声波束在一颗固体粒子上的反射为例，导出声波多普勒频差与流速的关系式。当超声波束在管轴线上遇到一粒固体颗粒，该粒子以速度u沿营轴线运动。对超声波发射器而言，该粒子以u·cosa的速度离去，所以粒子收到的超声波频率f2应低于发射的超声波频率f1，降低的数值为（设A= ）
f2-f1=-A·f1
即粒子收到的超声波频率为
f2=f1-A·f1
式中f1为发射超声波的频率；
ɑ为超声波束与管轴线夹角；
c为流体中声速。
固体粒子又将超声波束散射给接收器，由于它以u·cosa的速度离开接收器，所以接收器收到的超声波频率f3又一次降低，类似于f2的计算，f3可表示为
f3=f2-A·f2
将f2的表达式代入上式，可得：
f3=f1·2（1-A）
=f1·（1-2A2）
由于声速c远大于流体速度u，故上式中平方项可以略去，由此可得：
f3=f1（1-2A）
接收器收到的超声波频率与发射超声波频率之差，即多普勒频移 f1，可由下式计算：
△f=f1-f3=f1-f1·（1-2）·A
=2f1·A
由上式可得流体速度为
u= ·△ f
2 声学多普勒ADCP海上测试
2.1 设备简介
为提高单位在潮流方面数据采集能力，更好的为港航部门提供相应的服务，在原有设备基础上本单位再次购置了两台声学多普勒ADCP数据采集设备（WHS—300和WHS—600），技术参数如表2-1。
2.2测试概述
为充分验证设备的可用性，单位组织人员进行海上现场实际测试，根据质量管理部门的要求进行不少于12小时的数据采集。本次测试没有使用海底静态采集方式，全部采用走航式进行工作。走航式不需要进行设备投放和打捞，降低工作强度并保证设备安全，能够及时发现采集中出现的问题。
（1）稳定性试验
在测试区域内选择一个流速基本稳定的水域，将两套验流仪相对固定在一起，连续开机2小时，采集流速数据，解算后，比对两套验流仪采集数据，求出相同时间、相同水层测量数据互差值。
（2）数据采集
2016年3月27日—28日在大沽灯塔附近进行数据采集（118-01-07.7，38-55-31.1），该处2016年磁偏角西偏6.1°，年变率3.8°。
WHS—300剖面仪安装在海巡1505，采用外接光纤罗经的方式进行采集；WHS—600剖面仪采用船舷安装使用自身磁罗经进行采集，在租用的木质渔船上测试，安装支架采用不锈钢2024多波束支架进行安装。
2016年5月8日再次对ADCP进行了测试，数采方式与上次采集方式相同。因为船舶调动原因，本次测试只使用租用的木质渔船。WHS—300频率ADCP需要外接光纤罗经，为保证船舶坐标系的稳定，该ADCP安装在不锈钢2024多波束支架，而WHS—600频率ADCP直接使用单波束铁质杆进行固定。
对于使用内置磁罗经的数据均进行了磁偏差改正，对于使用外接光纤罗经的数据均进行数据校准。光纤罗经校准就是在同一条测线往返采集20分钟，使用WinADCP导出底跟踪和光纤罗经的数据分别求平均值，底跟踪的值与光纤罗经的差值就是校准值。
（3）处理结果
为更直观的表示采集数据，以图形方式显示流速流向曲线，如图2-2、2-3、2-4、2-5所示：
根据校准数据计算的到第一次光纤罗经与ADCP之间的偏差值为8.7度（光纤罗经角度—ADCP角度），第二次偏差值为3.8度，数据处理结果如表2-2所示。
3数据分析
数据分析：因为本次测试目的主要检查设备是否正常工作，没有按照规范进行连续三天的数据采集。
（1）第一次WHS—300外接光纤罗经进行数据采集的结果数据变化比较大，根据流向曲线剔除异常后曲线能够表现往复流的趋势，但无法明显判断不同流向时的最大流速。
（2）第一次WHS—600频率ADCP采集数据时使用内置光纤罗经，能够根据曲线和采集的数据计算流向和最大流速。
（3）第二次WHS—300频率ADCP采用外接光纤罗经进行数据采集，能够根据曲线和采集的数据计算流向和最大流速。
（4）第二次WHS—600频率ADCP采集数据时使用内置光纤罗经，能够根据曲线和采集的数据计算流向和最大流速
（5）对于结果1，经咨询厂家对于WHS—300频率的ADCP采集数据分层时层厚最小为1米，但实际采集数据时层厚设置成了0.5米，导致数据变化异常，不能正确跟踪流速流向变化。
（6）对于结果4，流向数据明显与其它数据不同，经分析后认为是此设备安装方式存在问题，安装使用了铁制的单波束杆子，影响了内置磁罗经数据精度。为验证分析是否正确，在办公室内首先验证ADCP标定是否正确，经检查后综合误差为2.6度，满足设备要求，把ADCP磁罗经方向指向正北，并与手机指北针进行比对，表明设备没有问题，数据显示为-1度和1度之间变化，随后把一铁制垃圾桶靠近ADCP（如图3-1），ADCP输出之马上发生变化，最大变化达到近20度，把垃圾桶拿开距离1米左右，数据输出正常，可以证明此次数据错误是铁磁影响（如图3-2）。
4建议
（1）ADCP可以采用直读式和自容式两种方式进行工作，采用不同的软件和不同的配置、采集；可以外接光纤罗经和内置磁罗经进行采集，如果存在铁磁影响必需使用外接光纤罗经避免船磁干扰。
（2）使用磁罗经必须进行磁偏差校准；使用外置罗经必须进行校准，校准值为（光纤罗经航向—底跟踪的航向），可以在数据采集之前进行校准，在沿着测线校准时调整光纤罗经的角度使光纤罗经和底跟踪的角度一致。
（3）如果采用走航式测量必须开启ADCP底跟踪功能。
（4）根据具体设备技术指标对ADCP进行合理的参数设置。
（5）如果使用内置磁罗经采集航向，不要使用铁制安装支架，可以使用不锈钢、木质、橡胶等，ADCP需要固定安装。
（6）ADCP的安装位置如果并非处于船的摇摆中心，且距摇摆中心距离较大，则即使摇摆角度不大，也会在ADCP表面引起较大的瞬时线速度和角速度，这种情况下，ADCP自身的姿态测量仪已经无法满足姿态补偿的需要，需外接高精度陀螺系统来进行观测误差修正。
5结束语
随着对海洋探索需求的不断增加，ADCP的应用也会越来越广泛，本文只是针对本次设备测试发现的问题进行了总结。在实际工作中对ADCP数据采集效果的影响因素会很多，有时会带有不确定性，这就要求使用设备技术人员不断总结积累不断提高。
参考文献：
[1]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.
[2]劳雷工业有限公司. Workhorse Sentinel Series ADCP使用手册通用.
[3]劳雷工业有限公司.WorkHorse系列走航ADCP_操作指南.
[4]多普勒测流原理
http：//wenku.baidu.com/link？url=mf3ndh60tp7Nvlctu9FX32dLiHC_d_QorDLE6YYniu1lSaF2slCHHOLiO4Y-vmc963AwJzm4Oxrq4PA9bXTAz_dCgVkgBG8afgX4HORkyb7.
[5]秦伟，周庆，李靖，王力群.走航ADCP原理及误差分析. 海洋开发与管理， 2014（6）.
[6]蓝标，曲娟. 声学多普勒流速剖面仪ADCP及其在水文测流中的应用. 气象水文海洋仪器，2011（4）.
[7]GB/T24558-2009，声学多普勒流速剖面仪[S].北京：中国标准出版社，2009.
