一种用于声学多普勒流速剖面仪的流场数据校正方法.pdf

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1、(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201410837758.0 (22)申请日 2014.12.29 G01P 21/02(2006.01) (71)申请人 南京世海声学科技有限公司 地址 211100 江苏省南京市江宁区天元东路 1009 号 (72)发明人 方世良 周翠翠 韩宁 (74)专利代理机构 南京经纬专利商标代理有限 公司 32200 代理人 奚幼坚 (54) 发明名称 一种用于声学多普勒流速剖面仪的流场数据 校正方法 (57) 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。

2、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。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书3页 附图4页 (10)申请公布号 CN 104502633 A (43)申请公布日 2015.04.08 CN 104502633 A 1/1 页 2 1.一种用于。

3、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。

4、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 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设 置的总层数， 利用计算得到第 j 个波束的第 i 层径向流速信息， 其中 Vji 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， f0为发射脉冲的频率 ； (2)根据水流环境估算径向流速的范围-fmaxfmax其中fmax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。

5、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 l 个深 度单元层对应数据 Vjl ； (3) 采用拟合曲线 ： Vj a 0+a1h+aKh K， 其中 V j为 h 的函数， ai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 ； (4) 对已剔除过野值的实测数据 (hi,Vji)， 进行 K 阶拟合得系数 ai， 其中 i 1， 2，N, 且 i l， H0为第一个深度单元层的深度， H 为 ADCP 实 际测量区域的深度。以此获得第 j 个波束的径向流速 。

6、Vj随深度 h 的变化的曲线 ； (5) 将 hi 代入径向流速随深度的变化曲线， 求出 hi 对应的拟合后径向流速信息 V ji ； (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 Vxi， Vyi， Vzi 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 Vji 就可以根据换能器相应配置的几何关系用 Vxi， Vyi， Vzi 表示， 得到关于 Vxi， Vyi， Vzi 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。

7、坐标系下 XYZ 方向流速。 权 利 要 求 书 CN 104502633 A 2 1/3 页 3 一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 本发明涉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 0002 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。

8、同水深的流速， 这就要涉及水流的空间分层问题。 ADCP 可以以时间为尺度， 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， 若不加以处 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。

9、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， 以减小多普勒流速剖面仪在测流过程中存在的。

10、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 ： 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j1,2,M,M3， 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 设置的总层数， 利用计算得。

11、到第 j 个波束的第 i 层径向流速信息， 其中 Vji 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， f0为发射脉冲的频率 ； 说 明 书 CN 104502633 A 3 2/3 页 4 0008 (2)根据水流环境估算径向流速的范围-fmaxfmax， 其中fmax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 l 个深度单元层对应数据 Vjl ； 0009 (3) 采用拟合曲线 ： Vj a 0+a1h+。

12、aKh K， 其中 V j为 h 的函数， ai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 (hi,Vji)， 进行 K 阶拟合得系数 ai， 其中 i 1， 2，N, 且 i l， H0为第一个深度单元层的深度， H 为 ADCP 实 际测量区域的深度。以此获得第 j 个波束的径向流速 Vj随深度 h 的变化的曲线 ； 0011 (5)将hi代入径向流速随深度的变化曲线， 求出hi对应的拟合后径向流速信 息 Vj i ； 0012 (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。

13、速在 波束方向上的流速分量， 令 Vxi， Vyi， Vzi 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 就可以根据换能器相应配置的几何关系用 Vxi， Vyi， Vzi 表 示， 得到关于 Vxi， Vyi， Vzi 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以 降低各种随机性带来的误差， 最终使流速数据更准确。 附图说明 0014 图 1 是 JANUS 。

14、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， 以及 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 ； 0018 图 5 中的图 5a， 5b， 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， 即随水深变化的 曲线。 具体实。

15、施方式 0020 参看图 1， 以四个波束为例， 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心轴线夹角， 以及仪器坐标的 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， 则 说 明 书 CN 104502633 A 4 3/3 页 5 M 4， 水池长宽高为 1047m， 此时 ADCP 的系统频率 f0 。

16、600khz， 波束角 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， 因此第一层的深度单元层 h0 0.5m， 可测深度 H 为 5.8m， 共测量 30 层信息， 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 0024 计算各波束径向流速数据， 先经过野值剔除过程， 在该环境下， 对径向流速 在 -1.5m/s 1.5m/s 之外的数据进行剔除， 利用拟合曲线误差随阶数的变化确定阶数 K 9， 再进行 9。

17、 次多项式拟合， 最后利用拟合得到的径向流速及 JANUS 换能器配置的 ADCP 几何 关系列出超定方程， 得到最小二乘解为 ： 0025 0026 0027 0028 其中 为波束角， V1 i， V2 i， V3 i， V4 i 分别表示拟合后第 1， 2， 3， 4 波 束的第 i 层径向流速， Vxi、 Vyi、 Vzi 分别为仪器坐标系下第 i 层的 X 方向流速、 Y 方 向流速、 Z 方向流速。 0029 图 3 所示即为本文前已表述的发明步骤。 0030 图 4 中描述具体实例中 K 值的选取过程， 通过四个波束的拟合误差随拟合阶数的 变化， 各波束拟合误差在阶数 9 时相对。

18、较小且此时计算量适中， 因而阶数可取 K 9。 0031 图 5 中的图 5a， 5b， 5c， 5d 分别展示了波束 1， 波束 2， 波束 3， 波束 4 的原始径向流 速、 经过野值剔除的径向流速以及 9 阶拟合后径向流速的对比。观察到野值剔除过程中舍 弃了 -1.5m/s 1.5m/s 的数据， 拟合后的径向流速曲线较为平滑。 0032 由图 6 可以看到， 不管是否经过多项式拟合的过程， 水平方向上合速度随深度变 化曲线大致变化趋势相同， 比较符合该环境的特征， 均为顶层流速较大于中下部流速， 同时 可以明显看出， 未经拟合处理的数据处理带来的现象是流速在水流上层和近底部的流速差 距。

19、过于明显， 不符合自然界水流连续性变化的特性， 而经过拟合的数据虽然有陡峭变化， 但 基于其最大流速在 0.20m/s 左右 , 相对流速变化很小， 比较符合水流基本特征。从实验数 据的处理结果可以得出结论， 多项式拟合方法可以提高流速数据的准确度。 说 明 书 CN 104502633 A 5 1/4 页 6 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 104502633 A 6 2/4 页 7 图 3 说 明 书 附 图 CN 104502633 A 7 3/4 页 8 图 4 图 5 说 明 书 附 图 CN 104502633 A 8 4/4 页 9 图 6 说 明 书 附 图 CN 104502633 A 9 。