0 引言

ADCP（Acoustic Doppler Current Profiler）是声学多普勒流速剖面仪的简称，是目前国际公认最主要的海洋流场测量仪器。它通过测量声波经水体悬浮物散射产生的多普勒频移，得到被测水体的流速。其能直接测出断面的流速剖面，具有不扰动流场、测验历时短、测速范围大等特点^[1-3]，在自然环境复杂、宽断面、大流量的数据采集作业中尤能显示其优越性^[4]。目前，ADCP 在海洋/河道水文环境调查、科学考察、工程开发以及海上作战方面都有着很多的应用。

作为重要的海洋科学仪器，ADCP 自身的标检是一切海洋调查观测工作的基础。由于水体中的流速通常较小，使用 ADCP 进行静态测试时测量真值往往与仪器本身的测量误差处于同一量级，因此针对 ADCP 的标检通常选择使用设备自身航行的方式形成设备与水体之间的相对运动，进而评判 ADCP 测量精度。

自身航行的标检方式通常分为 2 种：1）水槽实验，顾名思义是通过室内的实验水槽以及高精度的运动拖车形成测试环境^[5]；2）同步比测，即使用业界具备广泛认可度的同频率及精度的 ADCP 产品进行湖/海上同步测试。水槽实验通过室内的实验水槽形成理想的测试环境，然而由于声学设备的工作特点，通过水槽进行 ADCP 的标检对水槽的长宽、深度以及运动拖车的运动精度都提出了很高的要求。由于低频声波更容易产生回波干扰，实验水槽一般不适合 300 kHz 以上频率的 ADCP 的标检，对于 300 kHz 及以下频率的 ADCP 的标检通常采用同步比测的方式进行^[6]。

20世纪 80 年代，以美国为首的西方国家就开始了 ADCP 的研发工作，作为研究中不可缺少的部分，国外的研究机构进行了大量的比测试验。 HUMMON^[7]在进行了 2 种频率 ADCP 海上比测试验，并分析了在不同海况下的比测结果；HOLLIDAY^[8] 通过跑船试验比较了 2 种声学多普勒流速剖面仪的性能。国内 ADCP 研究起步较晚，以中科院声学所、哈尔滨工程大学、715 所等为代表的声学专业性研究机构都形成了一系列对标国外主流产品的国产 ADCP^[9-11]，由于设计指标趋同，也为国内外设备的比测提供了比测参照。国内周凯^[12]、江帆^[13]、蒋建平^[14]都分别在湖上或者海上进行了国内外 ADCP 产品的比测工作，从试验分析来看，海上比测更容易满足 ADCP 的应用深度和测量范围，但是海上比测受海洋环境影响较大，比测成本高，利用水域条件较好水库进行湖上试验成为此类设备比测的常规方式。本次比测主要针对国产 ADCP 的海上应用需求以及海上试验质量控制要求，在进行 ADCP 海上使用前，利用同精度、同频率的进口 ADCP 与国产 ADCP 进行测流精度比测试验，为海上试验中流速测量数据精度提供有力支撑。

1 试验准备

比测试验中待测仪器为国产 DVLⅡ-300 kHz 型 ADCP，选用 RDI 公司 WHS Sentinel300 kHz ADCP 作为与国产 ADCP 的比测参考仪器。参考仪器的流速测量精度、测量范围以及探底高度都与待测 ADCP 标称指标一致，且其属于市场成熟产品，在国内多个水文调查领域有着广泛的应用，技术状态稳定，数据得到行业认可^[15-16]。

本次比测在千岛湖进行，由于比测试验需要进行大范围长时间的跑船试验，且对于试验区域的水深及深度变化都有具体要求，因此在试验前对既定的试验区域进行了底高摸排。本次试验选择的试验区域如图2 中黄色方框所示，试验区域平均水深≥ 55 m，综合深度变化范围在±5 m 以内。选择的跑船路径为图2 中红色线标注表示，鉴于跑船的水深要求，跑船路径集中在黄色区域的中心主航道位置，单程路线长度约 5 km，根据 ADCP 数据量要求，需要试验船在此路径上进行折返运动。

在试验船的月池采用竖井支架环抱的形式安装国产多普勒测速仪和比测用参考 ADCP，如图3 所示。两者由同步控制器控制，以降低同步比测时 2 台 ADCP 产生的同频干扰，比测布置示意图如 4 所示。

安装时测量了 2 台设备的安装高度差，通过调整流层参数补偿，将 2 台设备所测流层深度保持一致。同时记录 2 台 ADCP 的内置罗盘航向参数，作为其测量的相对流速方向的参考值。工作时通过发送同步信号的方式，使 2 台设备在不产生互相干扰的前提下同步工作，根据现场情况设置了交替工作的时间间隔，以保证测量的是同一流场。

2 数据处理方法

流速测量精度检验试验数据处理方法参考海洋行业标准 HY/T102—2007《声学多普勒流速剖面仪检测方法》^[17]。通过统计方式可以对整个剖面内所有有效流层的测量数据进行精度考核以获得最终的精度统计结果，其中对单层流速采用的 ADCP 测量流速分量的合速度进行比对，具体数据处理流程如下。

2.1 数据时间同步

由于实际操作过程会产生采集时间差异，因此在获得 2台 ADCP数据后需要根据数据时间戳截取同一时间段内的瞬时数据序列。对每个 ensemble 内的测流瞬时数据序列分别利用 3σ 准则去除奇异点并进行平均，每个 ensemble 内的数据点数应不少于 30 个脉冲采样，得到下面数据长度为 n₀ 的结果序列。

记录时刻：$T_1，T_2，\dots ..T_{n_0}$

被测设备结果：$V_C（1），V_C（2），\dots ..V_C\left(n_0\right)$

参考 ADCP 结果：$V_D（1），V_D（2），\dots ..V_D\left(n_0\right)$

2.2 去除奇异点

除了利用 3σ 准则判定奇异点外，将受到底回波的干扰影响的流速数据也判定为奇异点，同时去除 2 台设备相应的奇异点。具体方法如下。

求 2 个分量的均值及相对于均值得到的均方误差：

记

式中：V_Cx 和V_Cy 分别为待测 ADCP 测量流速的 x 和 y 方向分量；$\overline{V_{Cx}}$和$\overline{V_{Cy}}$分别为待测 ADCP 测量流速的 x 和 y 方向分量的平均值；u_cx 和 u_cy 分别为待测 ADCP 测量流速的 x 和 y 方向分量标准差；r_cx 和 r_cy 为待测 ADCP 测量流速的 x 和 y 方向数据有效性判定系数。

如果 r_cx 和 r_cy 中有 1 个值超过 3，则认为第 i 个数据结果是奇异点，同理可以找到参考 ADCP 的所有奇异点。去除这些奇异点，对其余的数据结果再次利用 3σ 准则进行判断。直到去除所有奇异点，计去除奇异点的最终数据长度为 n₁。

记录时刻：$T_1^{\mathrm{\text{'}}}，T_2^{\mathrm{\text{'}}}，\dots \dots T_{n_1}^{\mathrm{\text{'}}}$

被测设备结果：$V_C^{\mathrm{\text{'}}}（1），V_C{}^{\mathrm{\text{'}}}（2），\dots ..V_C^{\mathrm{\text{'}}}\left(n_1\right)$

参考 ADCP 结果：$V_D^{\mathrm{\text{'}}}（1），V_D^{\mathrm{\text{'}}}（2），\dots ..V_D^{\mathrm{\text{'}}}\left(n_1\right)$

剔除后，有效数据总量应不少于 100 组。

2.3 统计精度

分别计算相关系数 r 和回归系数 a、回归系数 b：

其中：

$\begin{array}{c}{L}_{11}=\sum _{i=1}^{n_1}{\left(V_D^{\mathrm{\text{'}}}\left(i\right)-\overline{V_D^{\mathrm{\text{'}}}}\right)}^2\\ L_{12}=\sum _{i=1}^{n_1}\left(V_D^{\mathrm{\text{'}}}\left(i\right)-\overline{V_D^{\mathrm{\text{'}}}}\right)\left(V_C^{\mathrm{\text{'}}}\left(i\right)-\overline{V_C^{\mathrm{\text{'}}}}\right)\\ L_{22}=\sum _{i=1}^{n_1}{\left(V_C^{\mathrm{\text{'}}}\left(i\right)-\overline{V_C^{\mathrm{\text{'}}}}\right)}^2\\ b=L_{12}/L_{11}\\ a=\overline{V_C^{\mathrm{\text{'}}}}-b\overline{V_D^{\mathrm{\text{'}}}}\end{array}$

式中：$\overline{V_C^{\mathrm{\text{'}}}}$和 $\overline{V_D^{\mathrm{\text{'}}}}$分别为剔除无效数据后待测 ADCP 和参考 ADCP 速度均值；L₁₁和 L₂₂ 分别为剔除无效数据后待测 ADCP 和参考 ADCP 速度与各自均值的偏差平方和； L₁₂ 为剔除无效数据后待测 ADCP 和参考 ADCP 速度与各自均值的偏差乘积和。

2.4 单层流速测量精度评价准则

判据 1：选取显著性水平 α=0.01，查相关系数显著性检验表确定自由度 γ=n–2（n 为测量数据组数）时的临界相关系数 $r_{\alpha }$，本次比对实验中 $r_{\alpha }$=0.254。当$r\ge r_{\alpha }$时，认为两者相关，判据 1 成立；当$r<r_{\alpha }$时，判据 1 不成立。

判据 2：计算误差限$\mathrm{\Delta }=\sqrt{{\mathrm{\Delta }}_{P_0}^2+b^2{\mathrm{\Delta }}_{S_0}^2}$，其中${\mathrm{\Delta }}_{P_0}^{}$为被检多普勒测流测速仪流速标称示值误差（0.4% 测量值+0.5 cm/s），${\mathrm{\Delta }}_{S_0}^{}$为标准 ADCP 流速标称示值误差（0.4%测量值+0.5 cm/s）。当 68.3%的 $V_C^{\mathrm{\text{'}}}$满足$a+b\times V_D^{\mathrm{\text{'}}}-\mathrm{\Delta }\le V_C^{\mathrm{\text{'}}}\le a+b\times V_D^{\mathrm{\text{'}}}+\mathrm{\Delta }$时，即 $V_C^{\mathrm{\text{'}}}$落在以回归曲线为中心的$\pm \mathrm{\Delta }$误差带内的概率不小于 68.3%，判据 2 成立；反之，判据 2 不成立。

当判据 1 和 2 同时成立时，即可认为被检 ADCP 在此速度检测点上此深度流层的流速示值误差满足相应的技术要求。

2.5 整体流速精度统计

统计所有有效流层的流速相关系数平均值和所有流速数据落在误差带内的概率，如果平均相关系数不小于临界相关系数 $r_{\alpha }$，且所有流速数据落在误差带内的概率不小于 68.3%，则认为被检多普勒测流测速仪的流速测量精度满足指标要求。

3 试验结果与分析

3.1 2 m 层厚流速比测试验

根据 GB/T24558—2009《声学多普勒流速剖面仪》中所述流速比测时层厚设置规则^[18]，采用对应 300 kHz 工作频率中满足最大测量误差的最小层厚 2 m 作为首次测量的层厚设定值，根据现场水深设定特征设定测流层数为 30 层，设置工作脉冲间隔为 1.2 s，测试船航速为 7 kn。由于本次比测试验所选择的试验场地条件限制，因此本次测试作为试验前的初步测试，主要用来对获取该设置下的底回波强度来获得 2 台设备的同频干扰情况，从而进一步确定层厚设置以及 2台同频率 ADCP的同步控制器触发间隔设置是否合理。

整个试验过程共持续约 10 min，获得的回波强度剖面伪彩图如图5 所示，2 台 ADCP 的流回波强度剖面中都同时出现明显增强的流回波强度条带。此处的强回波现象反映了底回波干扰对此处流回波的干扰，且影响范围呈现无规律分布现象。从强度信息来看，国产 300 kHz ADCP 受干扰的流层明显多于 RDI 300 kHz ADCP。

图6 为用 WinADCP 软件读取的流速大小剖面伪彩图，从 RDI 300 kHz ADCP 和国产 300 kHz ADCP 共有时间段内的数据可以看出 2 台 ADCP 流层回波以及流速测量整体和细节相似度均较高且并未发现明显同频干扰现象可以判断设定的工作脉冲间隔合理可行。

3.2 8 m 层厚流速比测试验

为进一步提升试验数据有效性，合理减少跑船时间，正式比测将层厚设置为 8 m，结合盲区以及水深设定相应的层数为 5 层，工作脉冲间隔仍然为 1.2 s，试验船以 5 kn 的巡航速度在试验区域进行折返运动，测量结果如下。

3.2.1 流速剖面伪彩图比较

图7 为 2 台 ADCP 接收回波的强度剖面图。受水深条件限制，ADCP 近底流层会受到底回波的干扰，从回波强度剖面伪彩图也可以判断受干扰流层主要分布于近底 2 层，未受到明显干扰的流层为 1–3 层，第 3 层的深度范围为 28~36 m。

图8 和图9 为用 WinADCP 软件读取的流速大小剖面伪彩图和流速方向剖面伪彩图。从 RDI 300 kHz ADCP 和国产 300 kHz ADCP 共有时间段内的数据可以看出，2 台 ADCP 流速大小和方向测量结果吻合良好，整体和细节相似度均较高，其中流速方向受到 2 台设备磁罗经的影响，存在固定偏角也与初始磁罗经偏角相吻合。

3.2.2 单层比测图

单层流速比测反映了 2台 ADCP在固定空间分层上测量结果随时间变化的吻合程度。由 3.2.1 节分析可知 2 台 ADCP 共同有效的流层为 3 层，下面绘制了单层流速大小的短时平均比测图，分别如图10 所示，其中误差上下限分别是以 RDI ADCP 作为参考值计算的。由图国产 300 kHz ADCP 与 RDI 同类型测流仪器的各层流速大小吻合良好，流速大小的变化趋势基本一致，分组数据落在误差带内概率。

3.3 数据统计分析

流速精度即测速准确度指标的考核方法参考 HY/T102—2007《声学多普勒流速剖面仪检测方法》，通过统计方式对国产 300 kHz ADCP 测量单一深度流层（单层流速）的精度进行考核，对未受到底回波干扰的所有流层（1–3 层）的测量数据进行精度考核以获得最终的精度统计。

对 2 台 ADCP 的流速结果分别进行分组，在组内利用 3σ 准则去除奇异点，如果组内有效数据点数大于组内总数据点数的 50%，认为该组数据有效，并进行平均。2 台设备分别获得了 147 组数据，其中 1–3 层的有效数据组数分别为 140 组、138 组、 140 组，数据有效率均大于 80%。参试设备和比测设备标称的流速测量精度均为 ±0.4% 测量值 +5 mm/s，根据设备的流速精度指标计算误差限，国产 ADCP 流速大小检验结果如表2 所示。检验结果表明：第 1–3 层流速大小在整个检验期间内均能通过行业标准检验，通过检验的层数其平均相关系数为 0.903，高于行业标准中 0.254 的相关系数门限，落在误差带内概率为 83.43%，高于 68.3%的判决门限，证明国产 ADCP 的流速测量精度达到了±0.4%测量值±5 mm/s 的流速精度要求。

4 结束语

通过与 RDI 公司同类产品的走航测流分时同步比测试验对 300 kHz ADCP 流速测量精度指标进行了考核。受水深条件限制，只有 1–3 层的流回波未受到底回波信号的干扰。

根据比测中数据的分析可以得到如下几点结论：

1）从回波强度可以看出，千岛湖湖区由于水中悬浮物少导致流回波强度整体偏弱；

2）RDI 300 kHz ADCP 接收的回波质量要优于国产 300 kHz ADCP；

3）未受到底回波干扰的流层的流速结果在整个检验时间段内均能通过行业标准规定的流速精度考核方法考核，认为国产 300 kHz ADCP 与 RDI 公司 300 kHz ADCP 测量精度相当。

参考文献