利用高斯滤波提高多普勒流速仪比测率定相关性的应用实例

张照余,张任远

(1.嘉兴市水文站,浙江 嘉兴 314000;2.嘉兴市水利水电勘察设计研究院,浙江 嘉兴 314000)

1 问题的提出

近年来杭嘉湖地区水文测验引进了美国SonTek公司SL侧视固定式声学多普勒流速仪。2003年首次应用于感潮河段的潮流量测验,多普勒指标流速经比测率定后,均可以直接用于资料整编,效果十分理想[2]。固定式多普勒流速仪可以连续不间断测流,测次密,断面流量精度明显提高,而且减轻了流量测验的劳动强度,设备优势明显。之后,多普勒流速仪在感潮河段被广泛应用[3]。接着在清水河段测流断面也安装了多台多普勒流速仪,但由于清水河段断面流速较小、船行波干扰大,多普勒指标流速与流速仪法测验的断面平均流速比测率定,相关点子十分散乱,相关性很差。且存在流速有突跳现象,相邻点流速变差大,计算的瞬时流量代表性差等问题,使整编成果难以达到理想效果。因此,清水河段多普勒流量资料一直没能整编,阻碍了多普勒流速仪在清水河段中的应用和推广。

美国SonTek公司ViewArgonaut软件中设计的高斯滤波器,解决了平原小流量受船行波干扰影响的问题,可以将受干扰较大的船行波在流速信号中通过高斯滤波器进行平滑均值滤波处理。

2 高斯滤波原理

高斯滤波是根据高斯函数的形状来选择权值的线性平滑滤波器。高斯平滑滤波器对去除服从正态分布的噪声很有效,常用一维零均值离散高斯函数 g(x)=e-x2/2σ2,式中:高斯滤波器参数σ决定了高斯函数的宽度,也决定着数据信号的平滑程度。滤波参数σ的大小,根据测站特性及船行波干扰影响程度而定,一般以流速平滑无突变为佳。在流速信号中,通过调节参数σ,可折衷由于船行波所引起的过多的不希望突变量 (欠平滑)。在实际应用中,常用二维零均值离散高斯函数做平滑滤波器,函数表达式如下:

式中:i、j分别为水平方向和垂直方向的二维值。

高斯滤波实质上是一种信号的滤波器,其用途是将多普勒的流速信号进行平滑处理。通俗地讲,高斯滤波就是对整个流速数据进行加权平均的过程,每个流速信号像素点值,都由其本身和邻域内的其它像素值经加权平均而得。

3 实例分析

以王江泾站为例。该站测验断面在苏嘉运河上,断面宽110 m,平均水深2.85 m,断面平均流速在0.25 m/s以下。测验断面地处江浙交界,交通要道,船只过往频繁,船行波干扰十分明显。

安装的多普勒流速仪型号:SonTek公司的 “Argonaut-SL”,系统工作频率为1.5MHz,流速分辨率为0.1 cm/s。流速测验设置为:脉动流速的平均值为60 s;流层起止点2～5 m;采样间隔时间5 min,即5 min测验1次流速数据。SL侧视固定式多普勒流速仪所测流速为指标流速,将多普勒指标流速进行比测系数率定[4],即建立与断面平均流速相关方程式。

取该站2009年6月25至7月9日多普勒测流较为完整连续的4 229组流速数据进行分析。对多普勒指标流速原始信号进行高斯滤波,根据王江泾站多普勒指标流速受干扰影响程度,取滤波器频带宽σ为15,基本消除干扰。

多普勒测验的指标流速原始数据和经过高斯滤波后的滤波数据点绘过程线见图1。

图1 王江泾站2009年6月25日至7月9日多普勒指标流速过程图

6月28日多普勒指标流速过程见图2。

图2 王江泾站2009年6月28日多普勒指标流速过程图

经高斯滤波后的多普勒指标流速基本按原始指标流速数据均值处理,流速呈缓变状态。

王江泾站断面平均流速测验是利用桥孔断面,采用流速仪法5条垂线2点法[5]布置施测。每天08:00、16:00左右各施测1次。6月25日至7月9日实测断面流量30次。现将滤波后的多普勒指标流速与流速仪法测验的断面平均流速建立相关关系,进行指标系数率定。

多普勒指标流速是根据流速仪法测验的起始时间的平均流速摘录。取流速仪法实测断面平均流速,同步时间高斯滤波后的多普勒指标流速见表1。

表1 王江泾站多普勒指标流速与流速仪法断面平均流速同步资料表

续表1

图3 多普勒指标流速与流速仪法断面平均流速相关线图

二者建立相关关系,相关线及相关方程式见图3。

流速仪法实测的30个流速点,相关系数 R2达0.88,相关性显著。现将流速仪法实测断面流量与多普勒测流计算的断面流量进行分析比较,并按SL 247—1999《水文资料整编规范》[6]要求进行相关线3种检验和系统误差评定,即符号检验、适线检验和偏离数值检验,分析成果见表2。

表2 相关线3种检验及系统误差评定表

结果表明,相关线通过3种检验,无系统误差。采用多普勒流速进行资料整编符合规范要求。

4 结 语

利用高斯滤波器进行流速信号滤波后,多普勒指标流速基本消除了受船行波的干扰,断面流速呈缓变的、有较小脉动影响的过程,基本反映了断面水流的实际情况。多普勒指标流速经过比测率定,流速资料能满足SL 247—1999《水文资料整编规范》的精度要求。多普勒流速在清水河段也能实现流量在线监测,及时掌握和了解流量的动态变化,为水资源配置、水环境保护和防汛抗旱提供实时流量信息,值得推广和应用。

[1]王耀贵.图像高斯平滑滤波分析 [J].计算机与信息技术:经验与交流,1994—2009:79-81.

[2]张照余.声学多普勒测流仪在平原感潮河段测验中的稳定性验证 [J].浙江水利科技,2006(6):47-49.

[3]张照余.ADCP在嘉兴市水文测验中的应用 [J].水利与经济,2006(3):20-22.

[4]中华人民共和国水利部.SL 337—2006声学多普勒流量测验规范 [S].北京:中国水利水电出版社,2006.

[5]中华人民共和国水利部.SL 195—97水文巡测规范 [S].北京:中国水利水电出版社,1997.

[6]中华人民共和国水利部.SL 247—1999水文资料整编规范 [S].北京:中国水利水电出版社,2000.