走航式ADCP观测误差浅析.docx

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走航式ADCP观测误差浅析

走航式ADCP观测误差浅析

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。

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

1200kHz

600kHz

300kHz

标准工作

模式（Mode1）

盲区（米）

0

0.25

1.0

最小单元长度（米）

0.25

0.5

1.0

最小剖面深度（米）

0.8

1.8

3.5

最大剖面深度（米）

20

75

180

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。

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GPS

ADCP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

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。

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

5结束语

（下转11页）

综上所述，走航式ADCP观测，受影响因素多，从分析误差源入手，才能更好的采取有效的提高精度的措施。

随着技术水平的不断发展，对测验的质量要求也越来越高，如何得到更高质量的测流数据，仍需未来生产实践中，不断探索和总结。

参考文献：

[1]赵国辉,苏敬芳.ADCP流量测验盲区浅析[J].城市建设理论研究,2011（11）.

[2]SL337-2006,声学多普勒流量测验规范,2006.

[3]田淳,刘少华.声学多普勒测流原理及其应用[M].郑州:

黄河水利出版社,2003.