聲學(xué)多普勒流速剖面儀近底有效流速數(shù)據(jù)處理初步研究_圖文

1、 聲學(xué)多普勒流速剖面儀近底有效流速數(shù)據(jù)處理初步研究王元葉, 何青(華東師范大學(xué)河口海岸學(xué)國家重點實驗室, 上海200062摘要:通過分析聲學(xué)多普勒流速剖面儀(Acoustic D oppler Current Profiler , ADCP 的聲強(qiáng)垂向剖面分布特征, 利用數(shù)學(xué)極值定理, 確定床面邊界位置, 進(jìn)而確定出ADCP 記錄的所有在水中的流速單元, 將ADCP 處理軟件“丟棄”的部分近底流速數(shù)據(jù)或由于底跟蹤丟失而損失的流速數(shù)據(jù)確定出來。利用“六點法”同時、同高度的電磁海流計流速數(shù)據(jù)對提取出來的ADCP 近底流速數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證。驗證結(jié)果表明, 提取出來的可用。關(guān)鍵詞:聲學(xué)多普勒流速剖面儀;

2、近底流速; 有效單元; 中圖分類號:P33511文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A : 22收稿日期:2007204223基金項目:國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃資助項目(2002C B412403; 2004C B720505 ; 華東師范大學(xué)2006年優(yōu)秀博士生培養(yǎng)基金資助作者簡介:王元葉(1979- , 男, 江西永豐人, 博士, 主要從事河口海岸水動力及泥沙研究。E 2mail :benyy wang 1631com 通訊作者:何青, E 2mail :qinghe sklec1ecnu 1edu 1cn D , , 如N orT ek Aquadopp , RDI ADCP 和S onT ek ADCP ,

3、它具有多種用途, 除了進(jìn)行流速剖面測量外, 還可以根據(jù)水中顆, 建立聲強(qiáng)和懸浮顆粒物特性的關(guān)系, 進(jìn)行懸浮泥沙濃度剖面和粒徑的測量。自20世紀(jì)70年代末以來, ADCP 的觀測技術(shù)得到迅速發(fā)展, 并得到了廣泛的應(yīng)用16。不同發(fā)射頻率的ADCP 具有不同的特性, 如不同的空間分辨率(最小垂向單元分層 、最大測量剖面范圍和盲區(qū)距離等。以S onT ek ADCP 為例, 不同頻率ADCP 的技術(shù)參數(shù)見表17。表1253501400150150701101100110近年來, ADCP 的發(fā)展為流速剖面測量提供了更加有效的觀測手段8。它克服了傳統(tǒng)流速儀難以獲得整個水層連續(xù)、高頻的流速數(shù)據(jù)的缺陷, 可

4、以同時測定多個單元層的流速9。然而, 由于近底區(qū)域受到旁瓣干擾(side 2lobe 的影響, ADCP 附帶的處理軟件將丟棄這部分?jǐn)?shù)據(jù), 不提供給用戶使用。如果ADCP 探頭與垂直方向夾角為25°, 這部分近底盲區(qū)大約為總水深的10%。另外, 當(dāng)床面發(fā)生運動, 如沙波運動, 或者床面層泥沙發(fā)生液化導(dǎo)致垂向密度梯度較小時, 底跟蹤將出錯或丟失10,11。由于這個原因, ADCP 處理軟件給出的有效流速數(shù)據(jù)將大大損失。圖1中那些鋸齒型黑色區(qū)域的單元數(shù)據(jù)均被ADCP 處理軟件視為無效流速數(shù)據(jù)。王愛軍等12基于邊界層理論, 在估算ADCP 水表和底部的觀測盲區(qū)流速作了初步探索。他們利用卡門

5、2普朗特公式外插, 計算ADCP 盲區(qū)的流速。王愛軍等的工作為減少ADCP 盲區(qū)提出了一種比較有效的手段。然而該方法的應(yīng)用有一定的局限性。它要求流速垂向分布符合對數(shù)分布。對于那些不符合對數(shù)流速分布的時段, 又如何盡可能地減小ADCP 的盲區(qū)呢?基于這些原因, 進(jìn)一步分析ADCP 數(shù)據(jù), 有效可靠地分辨出被ADCP 軟件“丟棄”的和因底跟蹤出錯而丟失的近底數(shù)據(jù), 減少ADCP 的近底盲區(qū)。由于近底層水流流速在河口懸沙的水平輸送及底部再懸浮過程的研究中非常重要13, 所以這項研究工作不僅補(bǔ)充了近底流速數(shù)據(jù), 更為動力場中垂線流速分布的完整深入研究及近底泥沙運動臨界過程的發(fā)生機(jī)制研究提供了寶貴的基礎(chǔ)

6、數(shù)據(jù)。這樣, 可以充分有效地挖掘儀器ADCP 流速數(shù)第19卷第3期2008年5月水科學(xué)進(jìn)展ADVANCES I N W ATER SCIE NCE V ol 119,N o 13May , 2008 圖1ADCP (鋸1of of at Qiyakou 據(jù), 延伸重要區(qū)域流速分布值, 為動力場中重要內(nèi)容、垂線流速分布的完整深入研究和與之密切相關(guān)的近底泥沙運動臨界過程的發(fā)生機(jī)制開拓新的途徑。1現(xiàn)場流速觀測2003年7月使用S onT ek 公司生產(chǎn)的115MH z AD 2CP , 在長江口的徐六涇(120°5801E , 31°4748N 和七丫口(121°164

7、9E , 31°3752N 兩個站位進(jìn)行了定點觀測。觀測中, ADCP 懸掛在船舷一側(cè), 探頭位于水下015m 處。S onT ek 115MH z ADCP 儀器主要參數(shù)為:垂線最小單元分層0125m , 盲區(qū)014m , 最大測量剖面水深1525m (表1 。測量時設(shè)置ADCP 01m , 5min 。2ADCP 211底跟蹤算法簡介底跟蹤算法(Bottom T racking Alg orithm , BT A 可以給出海底床面相對于ADCP 的運動速度。通過發(fā)射一種特殊的聲波束(這種聲波的波長比為測量水流速度的聲波波長更短 , 并測量反射回來的回聲強(qiáng)度來確定ADCP 探頭到底

8、部的距離, 進(jìn)而為用戶提供有效或無效的流速單元數(shù)據(jù)(不討論其它影響流速有效與否的因素, 如信噪比、流速標(biāo)準(zhǔn)偏差等 。其中, 反射波信號中那部分后散射信號的多普勒頻移就可以用來確定海底床面相對于ADCP 的運動速度7。當(dāng)聲波在介質(zhì)中傳播時, 因聲波能量被吸收而導(dǎo)致強(qiáng)度隨其傳播距離而減弱。這種能量的吸收與介質(zhì)的密度、粘滯性、導(dǎo)熱性及聲波的頻率等有關(guān), 即不同介質(zhì)的衰減系數(shù)是不同的。聲波在氣體中被吸收最大, 液體中被吸收較小, 固體中吸收最小, 在空氣中的吸收系數(shù)比在水中約大1000倍。且介質(zhì)的吸收系數(shù)又與聲波頻率的平方成正比, 高頻聲波的衰減異常劇烈。水面和海底是兩個發(fā)射和散射界面, 因聲波在水中

9、傳播時, 被水中懸浮顆粒物反射回來的聲強(qiáng)和遇到水表面或床面時被界面反射回來的聲強(qiáng)會有很大的差異14,15, BT A 就是通過尋找聲強(qiáng)剖面的這個差異或尖銳變化來確定ADCP 探頭到界面的位置。聲學(xué)流速剖面儀都是根據(jù)底跟蹤算法來確定界面的位置, 并為用戶提供有效單元數(shù), 即有效水深內(nèi)的流速值。212ADCP 近底流速數(shù)據(jù)處理圖2(a 是ADCP 給出的整個流速剖面示意圖, 其中包含了ADCP 給出的有效單元數(shù)據(jù)和被認(rèn)為無效的單元數(shù)據(jù)(近底盲區(qū)部分?jǐn)?shù)據(jù) ?？煽吹浇酌^(qū)約112m 的流速數(shù)據(jù)被認(rèn)為是無效的流速數(shù)據(jù)。同時, 從圖2(b 中可以看出, 聲強(qiáng)剖面分布有一個明顯的拐點(橫線, 即底床位置

10、。這個拐點實際上反映了兩種不同介質(zhì)的界面(水和固體床面, 包括可動或不動床面, 或水和空氣界面 。為確定出近底盲區(qū), 關(guān)鍵問題是要通過一定的方法尋找到該拐點的位置(橫線位置 , 然后將ADCP 處理軟件沒有給出的那部分近底數(shù)據(jù)提取出來。函數(shù)極值定理告訴我們, 當(dāng)一條曲線在某一點x 0處具有導(dǎo)數(shù), 且在該點x 0處取得極值時, 那么這條曲線在點x 0處的導(dǎo)數(shù)等于0。根據(jù)這一定理, 可對ADCP 測量得到的聲強(qiáng)剖面信號數(shù)據(jù)(圖2(b 求一階導(dǎo)數(shù), 找出一階導(dǎo)數(shù)為零的點的位置, 并結(jié)合聲強(qiáng)剖面垂向分布的特征, 找出聲強(qiáng)剖面的尖銳變化位置。圖2(c 是聲強(qiáng)剖面的一階導(dǎo)數(shù)分布圖。圖中橫線所在位置即是尋找

11、到的拐點位置。這樣可將該拐點以上的流速單元視為有效單元(不包含該位置處的那一個最近底單元 。以2003年7月在長江口的徐六涇和七丫口兩個站位進(jìn)行定點觀測得到的115MH z ADCP 數(shù)據(jù)為例, 得到了圖3593第3期王元葉、何青:聲學(xué)多普勒流速剖面儀近底有效流速數(shù)據(jù)處理初步研究 圖2流速、個探頭接受的聲強(qiáng)的平均值2am and its corres ponding first order differential coefficient所示的ADCP 由圖3可看出, ADCP 處理軟件給出的原始有效單元數(shù)目大, 也就是說通過該方法將近底盲區(qū)部分的流速數(shù)據(jù)尋找出來了。統(tǒng)計結(jié)果表明, 徐六涇提取

12、了近底有效單元數(shù)目為37個, 平均為417個。從圖3(b 可看到, 當(dāng)?shù)赘櫝鲥e或丟失時, 原始ADCP 給出的有效單元數(shù)波動范圍很大, 這些數(shù)據(jù)幾乎是不能用, 而處理后的有效單元數(shù)比較穩(wěn)定地、有規(guī)律地隨潮周期的波動而波動, 實際上是反映了水深或潮位的波動。圖3ADCP 原始有效單元數(shù)和處理后的有效單元數(shù)對比Fig 13Valid cells com paris on between the original numbers and the processed numbers693水科學(xué)進(jìn)展第19卷 213ADCP 近底有效流速數(shù)據(jù)驗證對近底有效流速的提取和床面位置的確定進(jìn)行分析, 并提取得到

13、近底流速數(shù)據(jù), 這部分?jǐn)?shù)據(jù)是否可用, 將對其進(jìn)行驗證。驗證資料使用電磁海流計(electromagnetic current meter , EC M 的同時、同高度的整點觀測資料。電磁海流計得到的底層流速數(shù)據(jù)為距離床面015m 。由于ADCP 單元分層為0125m , 所以取ADCP 距離床面的第三個單元的流速數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證比較。圖4和圖5分別是徐六涇和七丫口使用ADCP 得到的近底流速和使用電磁海流計得到的“六點法”底層流速的比較結(jié)果。從圖中可以看出, ADCP 測量得到的近底流速和電磁海流計測量得到的同時、同高度的流速數(shù)據(jù)符合良好。它們在徐六涇和七丫口的相關(guān)系數(shù)(R 2 分別達(dá)到0196和

14、0198(圖6 。表明ADCP 測量得到的近底流速數(shù)據(jù)是可用的。然而, 用來進(jìn)行驗證的那部分ADCP 近底流速數(shù)據(jù)已被ADCP 處理軟件“丟棄”, 有時候由于底跟蹤丟失也會損失部分近底數(shù)據(jù), 將它們再提取出來, 并證明了這部分近底流速數(shù)據(jù)的可用性, 這是該項工作的意義所在 。圖52003年7月七丫口近底流速驗證(ADCP 和EC M Fig 15Velocity verification of ADCP and EC M near bottom in July , 2003of QYK圖42003年7月徐六涇近底流速驗證(ADCP 和EC M Fig 14Velocity verificati

15、on of ADCP and EC M near bottom in July ,2003of X LJ 圖6同步、同高度的ADCP 近底流速和電磁海流計流速數(shù)據(jù)相關(guān)圖Fig 16Velocity com paris on between the ADCP and EC M793第3期王元葉、何青:聲學(xué)多普勒流速剖面儀近底有效流速數(shù)據(jù)處理初步研究 3討論ADCP 近底盲區(qū)數(shù)據(jù)的利用需小心。雖然ADCP 特意設(shè)計成將發(fā)射能量盡量集中, 但還是有部分能量會向各個不同的方向發(fā)射。那部分以更短的路徑進(jìn)入邊界的能量被反射回來就形成了干擾源。這樣ADCP 發(fā)射的聲波頻率靠近邊界時, 包括水表面或床面, 潛

16、在地存在兩種干擾源:邊界的直接反射和旁瓣能量的反射。盡管旁瓣能量要遠(yuǎn)小于主能量, 然而邊界發(fā)射卻要比水體中的顆粒物反射更強(qiáng)。因此旁瓣反射潛在地影響著流速的測量。對于探頭垂向夾角為25°的標(biāo)準(zhǔn)ADCP , 旁瓣干擾可能影響到流速剖面最后10%的測量。旁瓣能量對流速測量的影響受到多種因素的影響, 如邊界條件、水體的散射回聲強(qiáng)度和傳感器的聲學(xué)屬性等。同時, S onT ek 公司綜合考慮多種因素對傳感器進(jìn)行專門設(shè)計以求盡量減小旁瓣能量。了一定的空間。這也是本文之所以可以進(jìn)行研究的基礎(chǔ)。王愛軍等12基于邊界層理論, 。他們利用卡門2普朗特公式外插, 計算, 。然而該方事實上, 長江口實測觀測

17、資料表明對數(shù)流速分, 流速分布不符合對數(shù)流速分布16。所以, 對于那些不, 為了獲取近底流速數(shù)據(jù), 最終還是要回到儀器測量得到的數(shù)據(jù)上來。盡管驗證結(jié)果相當(dāng)理想, 然而所用來驗證的資料只有一點, 不能說明ADCP 得到的所有近底流速數(shù)據(jù)可靠。如果認(rèn)為越靠近床面的數(shù)據(jù)越不可靠, 這樣驗證結(jié)果只能表明ADCP 得到的近底流速數(shù)據(jù)從第三個單元開始有效, 而下面兩個單元, 即離床面12153715cm 和37156215cm 這兩個流速單元是否有效還需要進(jìn)一步的驗證。另外, 系統(tǒng)誤差也是影響因素之一。電磁海流計與ADCP 都有各自的觀測精度和誤差范圍, 利用電磁海流計來驗證ADCP 盲區(qū)流速的可靠性,

18、這本身就會產(chǎn)生一定的系統(tǒng)誤差。4結(jié)論(1 本文利用數(shù)學(xué)極值定理, 確定邊界位置(床面或水表面 , 進(jìn)而確定出ADCP 記錄的所有在水中的流速單元, 將ADCP 處理軟件“丟棄”的部分近底流速數(shù)據(jù)或由于底跟蹤丟失而損失的流速數(shù)據(jù)確定出來。(2 利用“六點法”同時、同高度的電磁海流計得到的流速數(shù)據(jù)對提取出來的ADCP 近底流速數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證。驗證結(jié)果表明, 提取出來的ADCP 近底流速數(shù)據(jù)可信、可用。近底流速數(shù)據(jù)的再提取不僅補(bǔ)充豐富了近底流速數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)本身, 更為動力場中垂線流速分布的完整深入研究及近底泥沙運動臨界過程的發(fā)生機(jī)制研究提供了寶貴的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。參考文獻(xiàn):1H AY A E , SHE N

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22、底有效流速數(shù)據(jù)處理初步研究 青 399 filer (ADCP near bed1 According to the analysis of the vertical distribution of the signal amplitude with the extremum theo2 rem , the location of the bed is fixed and the velocity data are extracted which was once lost due to the disadvantage of ADCP venient and effective measur

23、ement of the velocity near bed and enriches the vertical velocity data , too1 Key words : Acoustic Doppler Current Profiler ; near bed velocity ; valid cells ; Changjiang Estuary The study is financially supported by the National Key Project for Basic Research (2002CB412403 ; 2004CB720505 1 ta with

24、the same depth of electric current meter1 The data acquirement of valid cells of ADCP near bed provides a kind of con2 software and the errors of the bottom track algorithm1 The validity of the extracted data is verified by using the synchronous da2 5 程 , 高 . ADCP 測量懸沙濃度的可行性分析與現(xiàn)場標(biāo)定 J 1 海洋與湖沼 , 2001

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