声学多普勒流速剖面仪海上比测试验研究

周 凯，孙云鹏，赵士伟，魏 磊

（32217 部队，山东 烟台 264100）

海流是海洋水文环境的主要参数之一，海流的测量是海洋调查和环境监测的重要内容。随着海洋科学技术的发展，ADCP 已成为主流的海洋环境测流仪器[1-2]。ADCP 是一种基于声学多普勒原理测量水流的仪器，通过控制换能器发射声波和接收散射体返还的回波信号，利用回波频率的多普勒频移和罗盘计算得到不同水层水体的流速流向[3-4]。ADCP从用途上分为定点（自容）式、走航（直读）式和下放式，而定点安装方法主要分为浮标安装和坐底安装[5]。

目前，美国TRDI（Teledyne RD Instruments）、Sontek 和挪威Nortek 等公司的ADCP 占据市场销量主流，其测量性能也得到国际认可，其中TRDI 公司的ADCP 在国内海洋调查领域应用最为广泛[6-7]。国内从20 世纪70 年代开始声学多普勒测流技术研究，相关的研发机构有中国科学院声学研究所、哈尔滨工程大学、中国船舶集团第七一五研究所等，在国家海洋开发战略支持下，我国自主研制的多型ADCP 产品量化生产[8]。

海上试验是海洋仪器设备研发向工厂量化生产的关键环节，是研发的海洋仪器性能是否达到技术指标的重要检验方法，仪器测量性能比测是海上试验的主要内容[9]。21 世纪以来，国内相关机构相继开展了多次ADCP 海上比测试验。刘轲等[10]设计了基于潜标的ADCP 同步比测试验方法，开展了多次长时间序列的比测试验；江帆等[11]在南海海域开展ADCP 海上比对试验，完成对ADCP 关键测量性能试验分析；夏岚等[12]基于锚泊式试验平台探索声学多普勒流速剖面仪的海上测试方法。前人针对ADCP 海上比测开展的研究未具体分析影响试验结果的因子，本文基于浮平台和坐底平台的ADCP 海上比测试验是在借鉴国内同行经验基础上开展的，旨在通过实践验证基于浮平台和坐底平台开展ADCP 海上比测试验效果和找到影响海上比测试验结果的因子，为进一步完善国内ADCP 测试检验机构检测能力提供依据，促进国产ADCP 产品测量性能的进一步提升。

1 平台及参试设备

本文试验在国家海洋综合试验场（威海） 试验海域进行，选用海上浮平台（图1）和坐底平台（图2）。浮平台为钢质漂浮式结构体，重量约200 t、总排水量为432 t，采用双浮体船型，长30 m，宽21 m，型深4.5 m，设计吃水2.2 m。平台无自航能力，采用双锚泊系统定位，是一个固定式的海上综合试验系统，具有一定的稳定性和抗风浪能力。坐底平台可安装一台ADCP，并配备声学释放器，可保障ADCP 的测量和回收。

图1 海上浮平台

图2 坐底平台

参试设备均为TRDI 公司研制的ADCP，包括两台600 kHz 自容式声学多普勒流速测量仪（Work Horse Sentinel ADCP，WHS ADCP）、一台1 200 kHz WHS ADCP。不同型号ADCP 主要技术指标见表1。

表1 参试ADCP 主要技术指标

2 海上试验

为保证比测ADCP 测量的是相同或相近水体的海洋流场，海上比测试验通常采取同船或同站位搭载ADCP 进行测量比对。

2.1 试验设计

试验分两个阶段进行，第一阶段为坐底平台比测试验，将两台WHS 600 kHz 的ADCP 安装在两个坐底平台上，布放到相邻位置的海底，同步测量垂直方向海水的流速、流向；第二阶段为浮平台比测试验，将3 台ADCP 安装在同一个浮平台上，在相近或相同的时间内测量该平台所在海区海水的流速、流向。

为更好地分析基于坐底平台和浮平台ADCP 海上比测试验的效果及比测试验的影响因素，试验选取了技术指标和测量性能相近的3 台TRDI 公司研制的自容式ADCP，其中两台工作频率为600 kHz（16239#、19777#）、1 台1 200 kHz（21477#）。坐底平台比测试验时，两台600 kHz 的ADCP 设置相同参数、同一时间开始测量。浮平台比测试验时，为避免相同频率ADCP 测量时相互干扰，通过设置参数使相同频率ADCP 交替测量；为使16239#和21477#采样时间基本相同，让二者同步开始测量，以分析采样时间差异对ADCP 比测结果的影响。通过分析不同海况条件下ADCP 的测量数据，研究海况（平台稳定性）对ADCP 测量性能比测结果的影响。

2.2 试验过程

（1）第一阶段

2021 年10 月23—26 日，基于坐底平台开展16239#和19777#ADCP 海上比测试验。具体步骤如下：淤拆卸两台ADCP 顶盖，连接固定电池包，安装顶盖；于连接电脑对两台ADCP 进行时间校准、罗盘校准和参数设置（盲区、层厚、层数、Ping、采样间隔、开始测量时间等参数相同）；盂将两台ADCP 安装到不同的坐底平台上，使用船舶将两台ADCP 布放在相邻位置；榆测量48 h 后回收坐底平台，拆卸清洗ADCP，连接电脑回传观测数据。

（2）第二阶段

在浮平台附近海域布放波浪骑士MK-III 浮标监测海域有效波高。2021 年12 月11—15 日，在浮平台开展21477#、16239# 和19777#ADCP 比测试验。具体步骤如下：淤拆卸3 台ADCP 顶盖，连接固定电池包，安装顶盖；于连接电脑对3 台ADCP进行时间校准、罗盘校准和参数设置，主要参数设置详见表2；盂工作顺序为19777#工作50 s，休息130 s；21477# 休息60 s，工作100 s，休息20 s；16239# 休息60 s，工作50 s，休息70 s；循环进行；榆分别将3 台ADCP 固定在浮平台比测支架上，如图3 所示；虞分别将3 套比测支架安装到平台相邻位置处，ADCP 间距离在1.5~2.0 m，如图4所示；愚测量72 h 后，分别回收3 套支架，拆卸回收清洗ADCP，连接电脑回传观测数据。

表2 参试ADCP 主要参数设置值

图3 比测支架安装ADCP

图4 ADCP 在平台固定位置分布

3 试验结果研究

通过ADCP 自身相关性、回波强度和误差限设置分别剔除ADCP 测量异常值，获取试验比测数据。

3.1 数据处理方法

试验选取的比测设备为同类型、同型号的仪器，约定比测设备的测量值互为真实值，分层统计比测数据的相关系数和均方根误差。

相关系数r反映两个变量之间相互依赖性的度量，它等于两个变量间的协方差除以各自方差之积的正平方根，如式（1）所示。

式中，xi为被测设备测量结果；yi为xi对应的约定真值；为测量样本的平均值；为约定真值样本的平均值。均方根误差S反映测量值与约定真值之间的偏差，如式（2）所示。

式中，n为样本数。

比测设备默认一致，对得到的均方根误差进行误差分离，得到单台设备的均方根误差s如下。

3.2 比测试验结果

3.2.1 整体趋势

（1）坐底平台比测

按照数据处理要求得到坐底平台比测的两台ADCP 测试数据，选取两台设备的第8 层和第16 层测得流速、流向数据进行对比分析。图5 至图8 为两台ADCP 海上试验期间第8 层、第16 层的流速和流向变化曲线图，可以看出两台ADCP 的流速、流向变化趋势和大小都存在一定的偏差。

图5 坐底平台比测ADCP 第8 层流速随时间变化曲线

图6 坐底平台比测ADCP 第16 层流速随时间变化曲线

图7 坐底平台比测ADCP 第8 层流向随时间变化曲线

图8 坐底平台比测ADCP 第16 层流向随时间变化曲线

（2）浮平台比测

按要求处理后得到浮平台上试验的3 台ADCP的测试数据，选取第8 层和16 层3 台ADCP 测得流速、流向数据进行对比分析。图9 至图12 为3台ADCP 海上试验期间第8 层、第16 层的流速和流向变化曲线图，可以看出3 台ADCP 在相同深度的流速大小和流速流向的变化趋势基本吻合，而3 台ADCP 流向存在一定的偏差。图13 至图16 为3 台ADCP 海上试验期间两个时次（12 月14 日1 时58分、12 月15 日8 时1 分）流场深度剖面变化曲线图，3台ADCP 测量的流速和方向在4~24 m 的测量剖面内吻合良好，数值大小和变化趋势基本一致。

图9 ADCP 第8 层流速随时间变化曲线

图10 ADCP 第16 层流速随时间变化曲线

图11 ADCP 第8 层流向随时间变化曲线

图12 ADCP 第16 层流向随时间变化曲线

图13 12 月14 日1 时58 分ADCP 流速剖面分布

图14 12 月14 日1 时58 分ADCP 流向剖面分布

图15 12 月15 日8 时1 分ADCP 流速剖面分布

图16 12 月15 日8 时1 分ADCP 流向剖面分布

3.2.2 坐底平台和浮平台比测结果对比

选取参与两个阶段试验的19777#与16239#ADCP比测数据进行对比分析。表3、表4 分别列出两台ADCP 坐底平台和浮平台比测统计值。如表所示，坐底平台和浮平台比测得到的流向相关系数接近，而坐底平台较浮平台比测得到的流速相关系数小20%、流速均方根误差大110 mm/s、流向均方根误差大7°。浮平台比测效果优于坐底平台比测，分析主要受两个因素影响：一是坐底平台布放过程中的不可控因素多，操作难度大，很难保证设备水平；二是为保证安全，两个坐底平台位置不能很近，而近海受潮流影响，流场的时空变化大，两台设备所测的相近流场也反映在比测数据中。

表3 坐底平台19777#与16239#ADCP 第8 层和16 层比测统计值列表

表4 浮平台19777#与16239#ADCP 第8 层和16 层比测统计值列表

表5 19777#与21477#ADCP 第8 层和16 层比测统计值列表

3.2.3 采样时间对试验结果的影响

浮平台比测试验16239#和21477#ADCP 同步测量，19777#ADCP 采样时间与16239#和21477#ADCP岔开1 min。统计3 台ADCP 流速、流向两两比对的相关系数和均方根误差，见表4 至表6。如表所示，流速比对相关系数最高的是16239# 与21477#ADCP 的第16 层为0.984 1，相关系数最低的是19777#与16239#ADCP 的第16 层为0.949 5；流速比对均方根误差最小的是16239# 与21477#ADCP 的第16 层为26.65 mm/s，均方根误差最大的是19777# 与16239#ADCP 的第16 层为46.90 mm/s；流向比对相关系数最高的是16239#与21477#ADCP 的第8 层为0.948 7，相关系数最低的是19777#与16239#ADCP 的第16 层为0.839 4；流向比对均方根误差最小的是16239#与21477#ADCP第8 层为21.90°，均方根误差最大的是19777#与16239#ADCP 的第16 层为43.58°。同步测量的16239#与21477#ADCP 流速、流向比对结果的一致性最好，相同频率、采样时间不同的19777# 与16239#ADCP 流速、流向比对结果一致性最差。

表6 16239#与21477#ADCP 第8 层和16 层比测统计值列表

3.2.4 海况对试验结果的影响

图17 为ADCP 海上浮平台比测试验期间波浪骑士浮标监测的有效波高数据变化曲线。如图17所示，试验过程中，一次天气过程让海面有效波高在12 月11 日夜间显著增大，12 月13 日14 ：30 前有效波高基本在0.5 m 以上，此后有效波高逐渐变小，基本在0.5 m 以下。根据3.2.3 节结果分析，选取一致性最好、同步测量的两台ADCP 观测数据来分析不同海况对比测试验的影响。分别计算12 月11 日16 ：00 至13 日14 ：30 和12 月13 日14 ：30至15 日13 ：00 两个时间段16239#与21477#ADCP海上比测流速、流向数据的相关系数和均方根误差，见表7 至表8。如表所示，Hs<0.5 m 时流速比对相关系数较Hs>0.5 m 时高0.02 左右，Hs<0.5 m时流速比对均方根误差较Hs>0.5 m 时小12 mm/s左右；Hs<0.5 m 时第8 层流向比对相关系数与Hs>0.5 m 时相近，Hs<0.5 m 时第16 层流向比对相关系数较Hs>0.5 m 时高0.05 左右，Hs<0.5 m 时第8 层流向比对均方根误差较Hs>0.5 m 时小9.65°、第16 层流向比对均方根误差较Hs>0.5 m 时小5.52°。海况好（Hs<0.5 m）时比测试验的流速、流向比对结果一致性优于海况差（Hs>0.5 m）时。

表7 不同海况条件下16239#与21477#ADCP 第8 层和16 层比测相关系数列表

表8 不同海况条件下16239#与21477#ADCP 第8 层和16 层比测均方根误差列表

图17 试验海域有效波高随时间变化曲线

3.3 试验结果分析

梳理和分析海上比测试验数据可得出以下试验结果。

（1）坐底平台试验比测ADCP 流速、流向大小和随时间变化趋势都存在一定偏差；浮平台试验比测ADCP 流速大小和随时间、剖面深度的变化趋势基本一致，流向随时间、剖面深度的变化趋势基本吻合，但流向大小存在固定偏差。

（2）不同频率、同步测量的ADCP 测量数据一致性优于同频率、采样时间不同的测量数据一致性，表明不同工作频率的ADCP 同时测量的一致性较好，而流场的瞬时变化影响了不同时段比测的结果。

（3）Hs< 0.5 m 时浮平台比测的ADCP 流速、流向比对统计结果要优于Hs>0.5 m 时，应是浪高增大时对平台冲击造成平台摇晃对ADCP 测量产生影响造成的。

（4）最优的比测结果是基于浮平台在Hs<0.5 m的海况条件下同步测量的ADCP 第8 层比对得到，流速、流向比对相关系数分别为0.992 7 和0.9990，流速、流向比对均方根误差分别为14.21mm/s和12.26°。

（5）本文ADCP 比测试验中浮平台比测效果优于坐底平台，在今后开展海上ADCP 比测试验时，可优先考虑选用浮平台在Hs<0.5 m 的海况条件下开展同步比测。

4 结 论

本文验证了基于不同平台开展声学多普勒流速剖面测量仪海上比测试验的可行性和影响比测试验结果的因素。通过不同平台的试验数据对比，发现浮平台试验效果优于坐底平台，流速比测结果最为明显。相较于坐底平台，浮平台比测试验除数据一致性结果较好外，浮平台距岸边近、稳定性高，拥有较强的抗风浪能力，而且实验设施齐全、信息传输和供电便利，是海洋仪器设备试验与测试更为理想的平台。ADCP 采样时间、试验海况条件和比对剖面深度等因素对海上比测试验结果有一定影响，为保证比测的客观性，海上比测试验应尽可能在低海况（Hs<0.5 m）时基于尽可能静止的浮平台上进行，待测ADCP 与比测标准ADCP 安装尽可能靠近、采样时间尽可能一致，还应选择合适比对深度的数据进行处理分析。

受限于试验条件，没有在试验前对3 台ADCP的测量性能通过静态性能测量试验来确认，希望在日后的试验中能够进一步完善相关工作。作为检测国产ADCP 测量性能的重要手段，还需开展大量的ADCP 海上比测试验来完善，并在试验的过程中进一步提出对ADCP 测量性能、特别是海上现场测量性能进行评价的具体标准，为ADCP 海上比测试验标准的建立提供参考。