走航ADCP数据处理方法

1走航ADCP数据处理国家海洋局第二海洋研究所梁楚进2相控阵系列ADCPOS150kHzOS75kHzOS38kHz美国TeledyneRDI公司3WorkHorse(WH)MarinerWH300kHzMariner4声学多普勒流速剖面仪•Acoustic•Doppler•Current•Profiler51.ADCP基本概念a)多普勒频移b)波束坐标和地球坐标系c)首向(heading)、纵摇(pitch)、横摇(roll)d)层厚e)流速剖面f)同源性g)底跟踪基本概念6基本概念7•ADCP是用于采集流速大小和方向的声学设备•流速剖面视为不同水层(Bin)或深度单元（BepthCell）的流速基本概念8•Acoustic•Doppler•Current•Profiler基本概念9声波发射•ADCP的换能器以固定频率向水里发射一个短的声脉冲•声脉冲由于水里颗粒物存在反射回换能器10声波发射1cm1cm1mmEuphasiidCopepodPteropod11声波发射•ADCP收到悬浮颗粒物反射回来的声波由于悬浮颗粒物的相对速度而产生频移•这就是多普勒效应12多普勒效应•Acoustic•Doppler•Current•Profiler13多普勒频移TRAINAPPROACHES--HigherPitchTRAINRECEDES--LowerPitch14相对速度•悬浮颗粒物与换能器有相对运动才存在“多普勒效应”•如果悬浮颗粒物运动垂直于（90度）换能器则没有“多普勒效应”•知道了悬浮颗粒物与换能器发声方向的角度就可以通过“多普勒”频移推算出悬浮颗粒物的运动速度15相对速度Time0Time1Time18Waves10Waves9WavesTime1AcousticBeamScattersADCPTransducerA8WavesMeasured16流速测量•Acoustic•Doppler•Current•Profiler17流速测量•ADCP通常具有3个以上换能器，同时发射和接受3个波束以上的声信号，获得3个以上的相对速度•信号按波束独立处理并转换成波束向相对速度•利用波速间的角度，将波束向（波束坐标）的相对速度转换为水平和垂向速度（地球坐标）18波束风量和水平分量AcousticBeamADCPTransducerScattererVelocityAScatterers19地球坐标转换20流速剖面•Acoustic•Doppler•Current•Profiler21层厚（DepthCells/Bin）CurrentVelocityVectorDepthCellAveragesVectorWithinCompleteDepthCellAreaMeasuresCurrentOnlyataLocalizedPointintheAreaADCPMooredLineofStandardCueentMeters22ADCP测流的关键假定1.悬浮颗粒物随水流一起运动（无动力）2.ADCP所有波束都是测量同一流速23层厚（DepthCells/Bin）Non-HomogeneousLayer:LargeerrorvelocityCurrentVectorHomogeneousLayer:Zeroerrorvelocity24ADCP测流回顾•Acoustic–以固定频率发射一短脉冲.•Doppler–接受反射回来有“多普勒”频移的声波，通过频移计算波束向的相对速度•Current–应用3（/4）波速向相对速度、波速间夹角、姿态数据（首向heading,纵摇pitch,横摇roll）•Profiler–测量不同层次（depthcell）的流速25走航ADCP测量26底跟踪ShortPulseLongPulseBottomBeamdoesnotcompletelyilluminatebottomatonetime.Beamilluminatesbottomcompletelyatonetime(A)(B)27底和水层的速度关系Vc=Vb-Vraw28ADCP系统NMEA$HDTor$HDGSynchroorStepperGPS-$GGAGPS-$VTGHeading-$HDTHeading-$HDGPitch/Roll-$PRDID3Comports-ADCP-Nav(GPS)-Gyro(NMEA)2Comports-ADCP-Nav(GPS)or29BlockDiagramofWHMarinerGPS-$GGAGPS-$VTGHeading-$HDTHeading-$HDGPitch/Roll-$PRDIDSynchroorStepperH/P/R-$PRDID3Comports-ADCP-Nav(GPS)-Gyro(NMEA)WHMariner30OSTransducerWellInstallation31WHTransducerWellInstallation323334TransducerSideInstallation35TransducerSideInstallation36换能器安装误差•换能器安装误差会导致流速大小和方向的误差，是走航ADCP误差的主要来源.•1度的安装误差回导致~2%速度误差•误差表现为很不合理的流速(由于船速也记录在ADCP内)，以及随着船向东改变，流速大小也方向也随着改变。37安装（罗经）误差估计•假设:–船速=500cm/sec–真实的流速=25cm/sec–换能器安装误差=1degree(1.7%error)•结果:–如果以底跟踪作为参照，那么流速误差约为0.43cm/sec(1.7%error)–如果以GPS为参照，那么流速误差约为8.5cm/sec(34%error)38走航ADCP的后处理目的:•去除航向（安装偏差和罗经）误差•去除噪声•去除船速39坐标关系和速度转换波束坐标系：VB1、VB2、VB3、VB4换能器坐标系：U、V、W、Ve地球坐标系：40标定（计算安装误差）地球坐标系：如果存在安装误差或罗经误差41标定（计算安装误差）浅水区采用“底跟踪法”：122.159122.16122.161122.162122.163122.164122.16530.11630.11830.1230.12230.12430.12630.12830.1330.132LonLatGPSBottomtrack130m•猜测罗经误差值，对底跟踪速度进行校正•利用底跟踪速度计算船的航迹•与GPS航迹进行比较，•多次猜测，得到最接近的安装误差值（标定值）•利用这个标定值对流速观测值进行校正42标定（计算安装误差）深水区采用“水跟踪法”：•猜测罗经误差值，对5-8层速度进行校正•利用船转向期间被测流速不变的条件•多次猜测，最合理的流速时，猜测值为安装误差值（标定值）•利用这个标定值对流速观测值进行校正43标定（计算安装误差）深水区采用“水跟踪法”：•猜测罗经误差值，对5-8层速度进行校正•利用船转向期间被测流速不变的条件•多次猜测，最合理的流速时，猜测值为安装误差值（标定值）•利用这个标定值对流速观测值进行校正LiangCJ.etal,200544标定（计算安装误差）深水区采用“水跟踪法”：•猜测罗经误差值，对5-8层速度进行校正•利用船转向期间被测流速不变的条件•多次猜测，最合理的流速时，猜测值为安装误差值（标定值）•利用这个标定值对流速观测值进行校正LiangCJ.etal,200545数据质量控制WangH.etal,2003•标识需要祛除的底数据•标识受干扰的层•标识噪声•选取合适的质控参量和阈值46数据质量控制•质控参量选取振幅－－－30～120垂向速度方差－－1m/s误差速度－－－30cm/s速度（U、V、W）的二阶导数数据良好率(％)40%47数据质量控制WangHQetal,2005导航资料质控船速采用差分GPS改进48数据质量控制LiangCJetal,2005导航资料质控普通罗经光学罗经49•船速的计算•利用ADCP数据和GPS数据计算船速•利用窗函数平滑参考水层的速度W(t)=0.42-0.5*COS(2πt／T)+0.08*COS(4πt／T)•船位的计算•绝对剖面流速的计算•Vi=Vship+VADCPi船速、船位及绝对剖面速度计算501.数据质量控制2.安装误差标定3.流速校正4.绝对剖面流速的计算•Vi=Vship+VADCPi走航ADCP资料处理方法总结51•夏威夷大学EricFiring教授开发的CODAS处理软件•建议自己编程序后处理软件或程序谢谢！