走航式ADCP观测误差浅析

2014年8月上海航道科技Aug.2014第2期总第122期ShanghaiWaterwayScience&TechnologyNo.2SerialNo.122走航式ADCP观测误差浅析摘要：本文从走航式ADCP工作原理及水文测验的实际操作出发，分析了影响作业和成果质量的各项误差源，以期从误差产生的源头上，来采取控制措施，以提高成果精度，供以后测验作业参考。关键词：ADCP；误差；走航；流速；流向；测验1引言ADCP进行水文测验，在我国有20多年的应用历史，相对于传统的转子式流向流速仪，ADCP可采用动态和静态方法，即走航式和定点式；而且，测量精度高，速度快、效率高，因此，能够广泛应用于水文测验领域。然而，走航式ADCP，外业过程受干扰因素较多，内业数据后处理较为复杂，很大一部分工作是对ADCP数据进行质量控制和误差订正。如果能在前期测量过程中有效地提高ADCP的测量精度、减小误差，数据后处理的工作量将会大大减少。为此，本文根据其测量原理和外界干扰等方面来浅析ADCP观测误差，并提出了一些提高精度的改进措施。2ADCP测量原理及系统组成ADCP的基本原理是利用了多普勒效应进行流速测量。它突破传统机械转动为基础的传感流速仪，用声波换能器作传感器，换能器发射声脉冲波，声脉冲波通过水体中不均匀分布的泥沙颗粒、浮游生物等反散射体反散射，由换能器接收信号，经测定多普勒频移而测算出流速，具有不扰动流场、测验历时短、测速范围大等特点。ADCP测验系统组成包括：1、ADCP换能器2、计算机（需配有4个R232串口）3、ADCP数据采集和控制软件（WinRiver）；4、外接设备（GPS导航定位、罗经、测深仪）等4个主要部分组成。在走航测量中，主要采集：相对流速（由“水跟踪”测出）、船速（由“底跟踪”测出，或由GPS测验数据算出）、水深（由“底跟踪”测出，或外接测深仪测出）、测船航行轨迹（由船速数据算出，或由GPS测出）。3ADCP观测误差来源走航式ADCP受影响因素较多，一般来讲，主要有以下几种误差来源：（1）自身限制误差；（2）外围设备的精度误差；（3）仪器安装误差；（4）外部环境影响造成的误差：船体铁磁影响、水体含沙影响、动底影响、水体温度、盐度等变化引起的声速变化误差；（5）参数配置误差（6）时间不同步误差。.53.上海航道科技2014年8月3.1限制误差3.1.1深度范围限制声波在水中的传播，受水体颗粒物等影响，信号强度随着水深的增加而不断衰减，当信号强度降低，返回的波谱宽度增加，波谱宽度随着测深范围的增加导致流速测量的标准差增大，超出范围，回波是不可用的。ADCP测深范围取决于换能器的频率，其次是发射脉冲长度和波束角，下表给出了常用的不同频率的换能器的ADCP在标准工作模式下的的最大剖面深度（见表1）。表1ADCP主要技术指标1200kHz600kHz300kHz标准工作模式(Mode1)盲区（米）00.251.0最小单元长度（米）0.250.51.0最小剖面深度（米）0.81.83.5最大剖面深度（米）2075180流速量程（米/秒）±3.0（默认）±20.0（最大）±3.0（默认）±20.0（最大）±5.0（默认）±20.0（最大）3.1.2盲区限制ADCP的盲区，主要集中在测流断面的上、下、左、右四个边界区域（即：顶部盲区、底部盲区、左、右岸边盲区），如图1。图1ADCP盲区分布图（1）顶部盲区顶部盲区又称表层盲区，是由于换能器发射声波脉冲后的余震不能立即消除，使靠近换能器附近的回波信号受到余震干扰引起的。主要受三个因素影响：换能器的吃水深度；ADCP仪器盲区；二分之一单元尺寸大小。不断发送的脉冲与脉冲之间有一定距离，其大小约等于二分之一个单元尺寸，因此，在计算顶部盲区时也应该考虑进去。（2）底部盲区底部盲区又叫旁瓣区，是因为底部盲区是由靠近河底的水层受到旁瓣影响产生的。旁瓣影响的底部盲区厚度取决与ADCP声束与仪器轴线的夹角。夹角为20度时，旁瓣影响的底部盲区厚度约为水深的6%；夹角25度时，约为10%；30度时，约为15%。走航测量时，断面的底部盲区如下图所示，粗黑实线与细黑实线之间部分。2014年第2期张继承，等：走航式ADCP观测误差浅析.54.图2底部盲区图（3）岸边盲区岸边盲区主要出现在内河测量中，这种盲区并不是实质意义上的测量盲区。而是因为水深较浅，船体不能靠近，使得实测断面的左右端与左右岸边有一定的“空”距，因此，对测验断面的流量计算会产生影响。3.2外围设备精度误差走航式ADCP测验，往往受到外界磁场干扰；河床底砂运动；水体含沙浓度高等因素影响，降低测验质量，因此，《声学多普勒流量测验规范》（SL337-2006）明确规定“根据断面河床、水流、泥沙特性和测船，准备必要的外接设备。外接设备包括外部罗经、回声测深仪、GPS等”。配备相应的外接设备，可以提高测验质量，然而，不同精度的外接设备所测得的流速及流量数据不相同。3.2.1外接GPSADCP是相对于河底进行水体流速、流向测量，然后根据流速、流向进行流量计算的，因此，船速的测量精度就尤为重要。然而，在“动底”情况下，底跟踪模式无法施测到正确的船速，需要采用外接GPS来测定船速。GPS的定位精度直接影响了船速的计算精度。GPS的定位精度又取决于定位模式的不同，目前常用的定位模式：伪距差分定位（DGPS）、卫星差分定位（RTG-GPS）、相位差分定位（RTK-GPS），目前，使用最为普遍的是DGPS，若得到更高质量的数据，应使用RTK-GPS。三种不同模式的GPS的定位精度，如下表2所示。表2三种GPS定位精度列表定位模式定位精度适用范围费用DGPS亚米级沿海免费RTG-GPS分米级全球任何地方信号服务费较高RTK-GPS厘米级距基站约20公里左右范围设备购置费用高.55.上海航道科技2014年8月3.2.2外接罗经ADCP换能器的内置罗经为磁罗经，其载体往往是铁质测船，这会对内置磁罗经造成干扰，使得流向不准，因此，需要外接罗经。常用的外接罗经有电罗经、GPS罗经、光纤罗经；GPS罗经最为常用，它是接收GPS信号，基于卫星相对定位原理解算出指北，启动快、稳性好、精度高、易安装、不受磁场分布影响等优点。美国RDI公司“瑞江”牌ADCP内置罗经精度2°，天宝的GPS罗经，定向精度0.1°，因此，外部罗经能够大大提高测流的定向精度。3.2.3外接测深仪当含沙量较大，无法获取河底深度信息或获取信息不全是，应采用外接测深仪。测深仪安装固定后，要进行声速及深度校准，确保测深准确。3.3仪器安装误差主要包括：ADCP换能器吃水误差、换能器安装偏角引入的误差、外部罗经安装角度偏差引入的误差。3.3.1换能器吃水误差换能器在船体安装牢固后，需要量取换能器静吃水，由于船体载重、波浪等因素影响，使得换能器吃水的量取存在一定的误差，也就给ADCP测量带来层位深度上的误差。当测验历时较长，随着淡水及油料的消耗，船体吃水深度，即换能器入水深度也会随之发生变化，会使测验中的ADCP测流层位深度产生一定的误差。因此，随着测验时间的推移，应该对船舶吃水深度进行定期量测，以减少测量层位误差。3.3.2换能器安装偏角引入的误差通常在进行ADCP换能器安装时，为了使船只的纵、横摇对ADCP产生的影响达到最小，要求ADCP的波束1和波束3中心的连线要与船体龙骨重合，但在实际安装过程当中是难于严格做到的，一般情况下存在一个无法直接测量的安装偏角。走航式ADCP测量系统及资料处理过程中存在着3个坐标系，即测量坐标系、船体坐标系与地理坐标系。ADCP四个换能器代表4个方向，它们构成一个测量坐标系，而最终结果，需要把测量坐标系中的结果转换到地理坐标系中。换能器安装角度偏差，会直接影响测量坐标系到地理坐标系的转换，从而，对最终测量结果产生误差。3.3.3罗经偏角引起的误差在接入罗经信号的过程中ADCP的甲板单元会自动的与罗经电信号进行同步，以使ADCP的罗经值与实际罗经值一致。但是在具体操作当中由于人为的原因或者罗经突然重新启动，会造成ADCP控制单元显示的罗经值与实际罗经值有一个偏差角度。另外，在航行的过程当中由于航程跨度过大还会引入地磁偏差。2014年第2期张继承，等：走航式ADCP观测误差浅析.56.另外，在使用外接GPS罗经的时候，理论上，GPS罗经，两天线头的安装方向应与ADCP换能器3-1连线一致，且与船龙骨方向一致，实际上，有一个偏角存在，需要进行外部罗经校准，从而，得到这个偏角，而这个偏角的精度误差，也将导致测流数据的流向误差。3.4外部环境影响造成的误差走航式ADCP在测验时，外部环境可谓千差万别，影响因素较多，大概分为三类，一类是船体；一类是水体；另一类是动底。3.4.1船体影响现在大多数用于测验的船舶为铁质船，对ADCP内置罗经产生干扰，会产生定向误差。ADCP换能器内部使用内置罗经和倾斜计确定水流、船迹方向。通过磁罗经和倾斜计将ADCP测量坐标系下的数据转换为地理坐标系下的数据，即将相对于ADCP的流速通过它们转换为地理坐标系下流速。如果罗经受船体干扰而引起转换有偏差，也将不能得到正确的流速。3.4.2水体影响当水体含沙量较大时，底跟踪可能失效，因为ADCP依靠回波强度沿水深变化曲线在河底处突起的峰值来识别河底，当水体中含沙量高到一定程度时，水体中颗粒的回波强度会增大到与河底处的回波强度相接近，这时回波强度变化曲线在河底处不出现突起的峰值，导致ADCP不能从该曲线上识别河底的位置。另一方面，水体的温度和盐度在不同地方，不同潮汐，不同时间，都有不同的变化，因此，声速也随之在不断在变化；而船载ADCP进行走航观测时无法同时进行温度或者声速剖面的观测，而只能采用人为输入一个固定声速值进行测量，这就给ADCP的测量带来了另外一种误差：计算深度误差。3.4.3动底影响水底在水流的作用下，有时会发生表层泥沙迁移，即所谓的“动底”。这种情况下，由于受来自水底泥沙运动速度的影响，“底跟踪”方式测得船速相对于河底的速度严重失真，使流量测验不准确。在流量较大时其现象尤其突出，表现为在“底跟踪”时施测的流量偏小。3.5参数配置误差不同型号、不同频率的ADCP，根据不同的水域环境和技术要求，应当配置正确合理的参数，如测层数、层厚、数据平均的个数等。如果层厚设置过小将因采样样本个数不够而导致结果不正确，而层厚过大则会丢失有用的数据。参数配置是否合理，直接影响着最终测量结果，且有些参数设置成功以后，对最终结果的影响是不可逆的。3.6时间不同步误差时间不同步是指，ADCP内置时钟与GPS时间和采集电脑时间不一致，导致记录.57.上海航道科技2014年8月在每一剖面数据中的时间有偏差。4提高观测精度措施为了提高水文测验的质量，提高测流的精度，应采取必要的措施、方法和手段，以达到最大限制的削弱误差，甚至能消除某项误差。4.1降低盲区限制误差首先，根据水深情况，选择适合的型号和频率的ADCP，在固定换能器时，在保证其测验时，不会露出水面的情况下，尽量设置小吃水，并精确量取，以减小顶部盲区；测验时，船体距离左右岸边的距离应精确测量，以减少岸边盲区流量损失。4.2提高外围设备精度误差外接GPS，在使用过程中应该尽量选用高精度差分GPS。底跟踪模式下测量的船速，在数据处理过程中，能够消除系统误差，故能得到较为准确的测量结果；在底跟踪失效的情况下，就需要启动GPS跟踪模式，这样水流的绝对速度是有GPS船速和ADCP测量得到的相对速度计算得来，由于两种设备测量方式和方法不同，系统误差无法消除，固应尽量采用精度更高的星站差分GPS或RTK-GPS。罗经和传感器的轴向综合误差将带来垂直于船体行进方向、与船速成正比的流速误差，船速在5m/s时，1。误差会产生约10cm/s的流速误差。如果采用光纤罗经，不仅能够提供精确的航向，且能够高精度的船体纵横摇信息，也极大程度上简化了流速校正问题，提高了流速分量测量精度。4.3优化仪器安装对于换能器舷外安装，ADCP探头应采用支架加钢缆，垂直固定在船舷中部，纵摇和横摇的偏角控制在≤2°，