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一种用于声学多普勒流速剖面仪的流场数据校正方法
【专利摘要】一种用于声学多普勒流速剖面仪的流场数据校正方法，声学多普勒流速剖面仪采用声波换能器作为传感器，其发射的声波脉冲通过水体中不同深度单元层的散射体产生散射回波，由声波换能器接收后，经分析处理获取径向水流速度，其特征在于：采用多层流速拟合的流场数据校正方法，对各波束的径向流速数据进行野值剔除，进行多项式拟合，既排除径向流速的异常值，也平滑径向流速随深度的变化曲线，并由此进一步获取较为准确的仪器坐标系下的流速信息。
【专利说明】-种用于声学多普勒流速剖面仪的流场数据校正方法

【技术领域】
[0001] 本发明设及一种用于声学多普勒流速剖面仪（ADCP)的流场数据校正方法，属于 水声信号测量【技术领域】。

【背景技术】
[000引 ADCP是利用声学多普勒原理来测量流速和流量的仪器，不同ADCP换能器的数量 不同，换能器与ADCP轴线成一定夹角，每个换能器既是发射器又是接收器，换能器发射的 声波集中在较窄的范围内，也叫做波束。一台ADCP在工作时相当于若干台传统流速仪， ADCP要获得一个流速剖面，需测量不同水深的流速，该就要设及水流的空间分层问题。ADCP 可时间为尺度，采集空间中不同深度单元层的回波，经过对不同深度单元层的多普勒 频移估计而测算出各层径向流速，再根据波束角计算出需要的仪器坐标下的流速。
[0003] 流速数据的处理是ADCP的关键技术之一，同时也是决定流量计算是否准确的主 要参量。各个波束径向流速的准确性直接关系到最终流速的准确度。由于水体环境复杂多 变，回波信号在经过复自相关算法后，得到的径向流速含有随机噪声甚至野值，若不加W处 理，转换到仪器坐标下的流速时会导致误差的积累，对结果造成更大的误差。


【发明内容】

[0004] 本发明为ADCP测流过程中提供了一种基于多层流速拟合的流场数据校正方法， 该方法通过对各个波束的径向流速数据进行野值剔除，接着进行流速拟合，排除径向流速 信息的异常值，也平滑径向流速随深度变化曲线，从而可获取较为准确的仪器坐标下XYZ 方向流速信息。
[0005] 本发明采用的技术方案如下：
[0006] 一种用于声学多普勒流速剖面仪的流场数据校正方法，声学多普勒流速剖面仪采 用声波换能器作为传感器，其发射的声波脉冲通过水体中不同深度单元层的散射体产生散 射回波，由声波换能器接收后，经分析处理获取径向水流速度，其特征在于；采用多层流速 拟合的流场数据校正方法，W减小多普勒流速剖面仪在测流过程中存在的流速误差，对各 波束的径向流速数据进行野值剔除，进行多项式拟合，既排除径向流速的异常值，也平滑径 向流速随深度的变化曲线，并由此进一步获取较为准确的仪器坐标系下的流速信息，包括 W下步骤：
[0007] (1)根据回波信号处理得到第j个波束的各层多普勒频移信息，由于多普勒流速 剖面仪具备不同换能器阵型结构，为了得到空间=维流速，多普勒流速剖面仪至少要有3 个不在同一平面的波束，假设换能器有M个波束，则j = 1，2,…，M，M > 3,第j个波束的第i 层多普勒频移信息用fji]表示，i = 1，2,…N，其中N为PC机显控界面在实验测量前进行 C- /,.[/] 设置的总层数，利用的计算得到第j个波束的第i层径向流速信息，其中Vj[i] 表示第j个波束的第i层的径向流速，C为声音在水中的传播速度，f。为发射脉冲的频率；
[000引似根据水流环境估算径向流速的范围-fm"? fmay，其中fmay为估测的最大径向流 速，并根据该径向流速范围对各波束的径向流速进行野值剔除，即对于Vji]，i = 1，2,… N，j = 1，2,…，M中不在径向流速范围内的数据进行剔除，假设第j个波束剔除数据为其第 1个深度单元层对应数据VJ1];
[0009] 做采用拟合曲线；Vj= 3如山+…3扣，其中Vj为h的函数，a;为未知参数，K为 拟合曲线的未知阶数。选取计算量与拟合误差均较小所对应的阶数K ;
[0010] (4)对已剔除过野值的实测数据化[i]，Vj.[i])，进行K阶拟合得系数心其中 坤z']=句i = 1，2,…N，且i声1，H。为第一个深度单元层的深度，H为ADCP实 际测量区域的深度。W此获得第j个波束的径向流速Vj随深度h的变化的曲线；
[0011] 妨将h山代入径向流速随深度的变化曲线，求出h山对应的拟合后径向流速信 息V山；
[0012] 做根据拟合后得到的M个波束方向上的径向流速，该M个径向流速是空间流速在 波束方向上的流速分量，令V,[i]，Vy[i]，Vji]分别为空间仪器坐标下X，Y，Z方向的流速， 每个波束径向流速Vji]就可W根据换能器相应配置的几何关系用Vy[i]，Vy[i]，Vji]表 示，得到关于V,山，Vy山，V,山的M个方程，M = 3时，方程的解即为仪器坐标系下XYZ方 向上的流速，M > 3时，求出此超定方程的最小二乘解，得到仪器坐标系下XYZ方向流速。
[0013] 本发明方法的优点是可对径向流速信息进行剔除野值，平滑整个径向流速并可W 降低各种随机性带来的误差，最终使流速数据更准确。

【专利附图】

【附图说明】
[0014] 图1是JANUS配置的ADCP原理图；
[0015] 图2是图1中JANUS配置的ADCP在走航测量时波束1和波束2的平面示意，W及 测量过程中深度单元层的概念；
[0016] 图3是本发明实例的具体实现过程；
[0017] 图4是为了选取具体事例过程中阶数K而作的拟合误差随阶数的变化曲线。综合 拟合误差大小和计算量的大小来选取K ;
[001引图5中的图5a，化，5c，5d分别描述四个波束原始径向流速信息，经过野值剔除后 的径向流速信息和拟合之后的曲线的比较；
[0019] 图6是水平方向的合速度大小随水深变化的曲线，即^[午+!/;时随水深变化的 曲线。

【具体实施方式】
[0020] 参看图1，W四个波束为例，描述了波束1，波束2，波束3，波束4的位置，展示了波 束角即为各波束与中屯、轴线夹角，W及仪器坐标的XYZ轴与4个波束的位置关系。
[0021] 图2示意了 JANUS配置的ADCP在走航测量时波束1和波束2的平面展示，能够对 整个ADCP的测量系统有较为清楚的认识。
[0022] 在东南大学水声实验室进行实验数据测量，使用的仪器为JANUS配置的ADCP，贝。 M = 4,水池长宽高为10X4X7m，此时ADCP的系统频率片=600化z，波束角0为20。， 声速C为1500m/s，ADCP设置的层厚为0. 2m，ADCP入水深度为0. 3m，ADCP本身的盲区为 0. 2m,因此束一层的涂度单兀层li0= 0. 5m,可测涂度H为5. 8m,共测重30层f目息，h i = 0. 5+0. 2 ? (i-1)，i = 1，2,…30,首先通过对回波信号处理，获取四个波束的频移信息，并利 用公式
[0023]

【权利要求】
1. 一种用于声学多普勒流速剖面仪的流场数据校正方法，声学多普勒流速剖面仪采用 声波换能器作为传感器，其发射的声波脉冲通过水体中不同深度单元层的散射体产生散射 回波，由声波换能器接收后，经分析处理获取径向水流速度，其特征在于： 采用多层流速拟合的流场数据校正方法，以减小多普勒流速剖面仪在测流过程中存在 的流速误差，对各波束的径向流速数据进行野值剔除，进行多项式拟合，既排除径向流速的 异常值，也平滑径向流速随深度的变化曲线，并由此进一步获取较为准确的仪器坐标系下 的流速信息，包括以下步骤： (1) 根据回波信号处理得到第j个波束的各层多普勒频移信息，由于多普勒流速剖面 仪具备不同换能器阵型结构，为了得到空间三维流速，多普勒流速剖面仪至少要有3个不 在同一平面的波束，假设换能器有M个波束，则j= 1，2,…，M，M彡3,第j个波束的第i层 多普勒频移信息用fj[i]表示，i= 1，2,…N，其中N为PC机显控界面在实验测量前进行设
示第j个波束的第i层的径向流速，C为声音在水中的传播速度，&为发射脉冲的频率； (2) 根据水流环境估算径向流速的范围-f_?f_其中匕"为估测的最大径向流速，并 根据该径向流速范围对各波束的径向流速进行野值剔除，即对于Vj [i]，i= 1，2,…N,j= 1，2,…，M中不在径向流速范围内的数据进行剔除，假设第j个波束剔除数据为其第1个深 度单元层对应数据'[1]; (3) 采用拟合曲线：￥]_=3(|+3111+?31^，其中￥」为11的函数，3 1为未知参数，1(为拟合 曲线的未知阶数。选取计算量与拟合误差均较小所对应的阶数K; (4) 对已剔除过野值的实测数据（htiLVji])，进行K阶拟合得系数％，其中
际测量区域的深度。以此获得第j个波束的径向流速'随深度h的变化的曲线； (5) 将h[i]代入径向流速随深度的变化曲线，求出h[i]对应的拟合后径向流速信息 Vr j[i]； (6) 根据拟合后得到的M个波束方向上的径向流速，这M个径向流速是空间流速在波束 方向上的流速分量，令Vx[i]，Vy[i]，Vz[i]分别为空间仪器坐标下X，Y，Z方向的流速，每个 波束的径向流速'[1]就可以根据换能器相应配置的几何关系用Vx[i]，Vy[i]，Vz[i]表示， 得到关于Vx [i]，Vy [i]，Vz [i]的M个方程，M= 3时，方程的解即为仪器坐标系下XYZ方向 上的流速，M> 3时，求出此超定方程的最小二乘解，得到仪器坐标系下XYZ方向流速。
【文档编号】G01P21/02GK104502633SQ201410837758
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月29日 优先权日:2014年12月29日
【发明者】方世良, 周翠翠, 韩宁 申请人:南京世海声学科技有限公司