船载式ADCP相关资料处理研究

一、引言

由于ADCP直接获取的数据不是真实的速度和方向，而是海水相对于运动船体的速度，因此对其数据后处理技术提出了更高的要求。目前，美国夏威夷大学在导航ADCP的数据处理方面已经做了比较早和成熟的工作。一般来说，导航ADCP观测数据的处理是通过平均数据处理的，即夏威夷大学提出的“选择参考层”的处理方法。本文提出了一种对其原始信号的直接处理方法，即所谓的“参考速度控制”处理方法。该方法不仅减少了数据处理过程中的人为干预，而且有效地提高了数据的及时性和准确性。

二、ADCP资料处理的一般内容

⒈ 平均数据文件的质量控制

平均数据是ADCP在一段时间内观察到的数据的平均值。一般认为单次回波测量的速度误差较大。通常，一段时间内的平均流速用于表示某一点的海水流速。根据具体情况，ADCP速度数据的平均时间为3、5和10min。对于这些数据，可以从时间范围、测量区域范围、测量深度、回波强度色散、平均回波强度、最大船速、转弯角度、加速度、良好的数据比例和误差速度等方面进行质量控制。

⒉ 原始数据文件的质量控制

ADCP原始数据文件记录了每个波束的信号，对其进行质量控制，然后再经转换、平均得到平均数据，达到对其整体资料进行质量控制的目的，得到更高质量的数据。

首先要将4个波束的实测数据转换为船体坐标X、Y、Z的3个速度分量和误差速度，然后按式(1)经过坐标转换成为地球坐标下的相对流速数据。

式中，X′、Y′为坐标旋转后的东分量、北分量；heading为罗经指向角。读取不同航次大量原始数据进行分析，查找产生误差的原因，下面分析各个方面误差产生的原因及采取的处理方法。

⑴导航船速误差。GPS船速的误差主要是由于定位误差造成的，对于误差较大的船速必须予以剔除。

⑵底跟踪速度误差。底跟踪速度误差是测流仪应用多普勒原理测量得到的，有时也会产生底跟踪速度值会比真值相差很多，这种误差主要来自于船速和环境噪声，在遇到这种情况时使用GPS船速取代底跟踪船速。

⑶表层流速和底层流速误差。船体的运动经常会带动离船体较近的水体随船流动，经常会使得表面一层或两层流速数据明显大于下面的流速数据，这种误差的产生与船速、海况以及船的姿态都有关系，经常无规律的出现在流速数据中，必须根据实际情况给定参数予以剔除。另外在有底跟踪的情况下，测流仪发出的4个波束在海底产生干扰，也有的认为是旁瓣效应，使得接近底部的流速数据明显偏大，在有底跟踪时，这种情况对于38kHz ADCP是普遍存在的现象，对于离底较近流速数据也必须予以剔除。

⒊ 原始数据的重新平均

对原始数据进行质量控制的目的在于使用较好的数据，重新对数据进行平均，得到一定时间间隔流速数据。在对质控后数据进行平均时，为避免异常数据参加平均造成数据误差，对数据进行二次控制。

⑴转弯控制。船在转弯时，速度变化很大，这时的数据用于平均为一点来代替某一点的流速，转弯处的数据应尽量予以消除。对于用于平均的一组数据，采用罗经的变化值进行控制，如果前后罗经值之差超过一定范围，在这组数据中从罗经变化值之后的数据，包括船速、流速、回波强度等均不参加平均。

⑵船速控制。GPS导航船速有时往往存在较大的船速误差，船速误差的控制在进行原始数据质量控制时不太容易实现，在这里给出了一种控制较大船速误差的方法。通过对大量数据的观察，第三层的流速数据较为稳定，首先求得第三层数据的相对流速平均值。在对船速数据进行平均时，对船速数据进行逐个比较，当前后船速差值大于一定范围时(这个范围给的较大，一般在1.5m/S以上)，则两者其中必有一个为错误船速，用二者分别与第三的流速相减，保留得到较小流速的船速，而剔除另外一个。

⑶流速控制。为避免误差较大的流速值参加平均，在这里采用了平均值控制法。假设一组共有5个流速数据，分别为100、200、240、180、1000，先计算5个数平均值为344，若给定一个范围对与平均值的差大于300的数据予以剔除，这样就保留了前面4个数据进行平均，均值为180。

将经过以上控制的数据进行平均得到平均数据文件，然后可以平均文件经过进一步处理，得到海水流速。实践证明其效果有了较大幅度的提高。

⒋ 系统误差的消除

ADCP的系统误差主要是由设备自身的性能以及换能器安装工艺所造成的。一般换能器的水平安装角度要求在0.5°以内，而经分析计算当该角度误差1°，调查船航速在10kn时，最大流向误差可达20°。修正方法如下：令调查船在海底较平坦并可测得底跟踪的海域以匀速直线航行，设调查船航行的罗航向为G，修正后的罗航向为GG，由对底船速的航向(即船的真航向)为Ai，由GPS航向为Bi，其中i为测线上n个观测点的序号。于是有：

⒌ 瞬时船速的计算

船速随机误差：ADCP处理后的流速是用一段时间的平均值代替某一点的瞬时流速，瞬时船速计算是指与平均流速相对应的平均船速。计算瞬时船速的目的在于计算海水的绝对流速。在有底跟踪时瞬时船速采用底跟踪船速，没有底跟踪时采用GPS船速。GPS船速的误差是由于GPS定位不准确造成的，也可认为是由于GPS定位的随机误差造成的，瞬时船速计算的关键在于消除船速的随机误差。

参考层应用原理：从滤波原理上讲，具有一定变化周期和频率的要素其随机误差可以通过数字滤波的方法予以消除。然而船速的变化是随机的，具有很强的人为性，如经常加速、减速、转弯等，所以无法直接对船速用滤波方法消除随机误差。参考层提出给船速随机误差的消除提供了可能，参考层是从流速数据比较平稳的一层或多层。假设船速为Ｖ，参考层各层未减船速的流速为Ui，参考层层数为n，参考层的平均流速为Ｗ，于是有:

此时参考层的流速是包含了船速随机误差在内的流速，海洋中参考层的流速变化是平缓，而且有一定变化周期的，可以采用一定的滤波方法对参考层进行滤波，消除随机误差。所以对参考层的滤波实际上滤掉的是船速的随机误差。经过滤波后的参考层平均流速进行与上式相反运算就可以得到较为准确的船速。

滤波方法：一般采用三阶平滑低通滤波法，由于截断频率等于海流变化周期的一半，所以滤波周期一般选1～3H。

⒍ 流速计算及随机误差的消除

经过滤波处理后的参考层实际流速再去与实测的相对流速矢量合成，这样就得到了各测点经处理后比较合理的船速。然后再去与其他各层实测的相对流速矢量合成，得到ADCP资料的最终处理结果。另外，在观测中实际设定的观测层并非规范中规定的标准层，标准层的数据必须经过插值得到。在本处理过程中，按照国际海洋的数据通用处理方法、利用前、后三层的数据，采用埃克曼插值得到标准层的数据。同时约定，插值数据一旦出现“凹”或“凸”的现象，就用线性插值代替。当前、后不足三层时，也用线性插值代替。

经过处理得到的流速数据还会存在一定的随机误差，一般采用数字滤波的方法消除。

⒎ 采用基准流速控制法直接得到海水流速

（1） 从数据的角度来看，海上测量的情况是复杂多变的。船速、海况、船体本身的噪声和不同的海水散射体可能会影响测量。即使在进行了各种控制之后，仍然可能存在大量异常值。使用自动处理方法很难完全消除异常值。手动删除异常值是一项非常繁琐的工作，效果不一定很好。上述平均值控制方法只能控制一组数据中异常值很少的情况。如果用于计算平均速度的一组原始数据中存在更多的异常值，该方法将失去其功能。由此可见，ADCP数据处理的根本是如何发现和处理异常值。

从处理的方法来考虑，也正是异常值的出现造成了流速的误差。如果没有异常值，使用参考层处理是没有什么问题的。异常值的存在对参考层的平滑产生影响，另外从原理上讲，使用参考层消除的是船速的随机噪声，使用这种船速计算海水流速并不影响异常值的出现，所以这种方法对于抑制参考层并没有太大的帮助。

⑵假定在较短的时间(5～10min)和较小的范围(1n mile 以内)，海水的流速不会存在太大的变化，也就是说海水流速在时间和空间上的变化是平缓的，正是基于这种观点，ADCP都是使用一段时间的平均流速代表某一点的海水流速。在对几次出海观测的ADCP数据进行处理时，对于连续的几天以上的数据，总能找到一段比较平稳的观测数据，这段数据无论使用哪种处理方法得到的处理结果都是比较一致，不存在太大的误差和异常值。

基于上述认识和光滑数据剖面的出现，可以直接计算海水流速。首先，我们使用原始数据中每个点的海水相对速度减去船速，得到海水相对于地面的绝对速度，然后选择平滑数据段中的一个点作为基准，使用基准的速度控制相邻点的海水速度。假设参考点处速度的东分量为a，用于计算其相邻点处平均值的M速度数据值为B（1）、B（2）和B（M），分别从a中减去这些值以获得M差。给定一定范围X，绝对值大于X的B不参与平均速度，然后以该相邻点的速度值为参考值，依次向前和向后计算。如果某一点上的所有值与参考值之间的差值大于给定范围，则该点处的流速将四舍五入，不传输参考值，并相应扩展下一点的限制范围。使用该方法可以很好地控制数据中的异常值，处理后的数据基本上没有异常值。同时，它使繁琐的数据处理变得更容易。

现在，对参考值处理方法进行了扩展，以第一速度数据作为参考值。如果第一个数据是好数据，就不会有问题；如果第一个数据是坏数据，那么短时间内的好数据将作为异常值丢弃。然而，随着控制范围的扩大，基准值将返回到良好的数据，但第一小段数据可能会丢失。因此，使用第一流量作为参考值是可行的。

图1～3是使用不同方法处理得到的流速矢量分布图。其调查区域在中国东海，可以明显的看出黑潮的一个分支的存在，其西面是以潮流为主的区域，从流速变化的趋势和矢量分布可以看出，尽管基准流速控制法原理虽然比较简单，但其取得的效果还是非常明显的。

三、处理结果分析

⒈ 资料合理性分析

对于ADCP资料处理，由于观测过程中船体的转向使罗经发生剧烈变化，经常会导致海流数据在流向上发生交叉，这也是海流数据处理的难点，检查拐弯处流向的一致性是体现数据处理结果一个重要方面。使用本系统对38kHZ、150kHZ、300kHZ等不同型号、不同海区的ADCP资料进行处理，结果都比较理想。图4、5是38kHZ ADCP在2000年６月某海区资料处理后的流速变化图。

⒉ 处理精度分析

ADCP底跟踪船速测量具有很高的精度，同时与流速测量具有很好的一致性，一般认为使用底跟踪船速处理得到流速数据具有很高的精度。使用非底跟踪船速与底跟踪船速两种方法分别处理得到海水流速的比较是检验处理方法和处理精度有效途径，处理方法的精度检验一般都以此作为根据。由于近些年ADCP观测多是在远海，能够做到底跟踪观测的比较少，表1中的数据是从不同航次观测中选择有底跟踪的时间段处理后比较得出的结果，可以看出处理精度完全达到设计指标的要求。

本系统给出了几种不同的ADCP的资料处理方法，为了检验不同处理方法的结果，选取了1999年5月份38kHZ ADCP观测的一段带有底跟踪的连续点观测数据，进行不同方法的比较。表2反映了两种不同处理方法分别与底跟踪的比较结果，可以看出“基准流速控制”方法比传统的“选取参考层”处理方法具有更高的精度。

四、结束语

本文通过多年对船载ADCP资料处理经验的积累，在前人工作的基础上，提出了对该数据一整套的处理方法，并得出以下结论:

⑴对ADCP最基本原始数据的质量控制，经平均后的数据质量优于设备自身的平均数据；

⑵本文提出的船载ADCP资料“基准流速控制”方法比传统的“选取参考层”处理方法具有更高的精度；

⑶“基准流速控制”方法具有更高的资料处理效率和更小的处理人员经验影响。