ADCP数据质量控制方法研究

郭冉 韩礼波

（第七一五研究所，杭州，310023）

ADCP是一种利用声学多普勒原理进行工作的声呐设备，主要用于海水流速和流向的测量，同时也可测量载体的对地速度[1]。该仪器的工作原理是利用水声换能器发射特定频率的声脉冲信号，接收海底反射或海水散射体反射的回波信号，通过分析波束回波信号的多普勒信息，得到海底和海水相对仪器的运动速度和方向，以及仪器距离海底的深度[2，3]。实际应用中，复杂的水声环境及水流特性会对测量数据的质量带来严重影响，为此，本文提出了三种对ADCP测量数据进行质量控制的方法，即底后虚流消除技术、相关系数门限法和波束速度差异控制。

1 底后虚流消除

ADCP剖面测流模式下，用户设置的最大观测距离大于当前海底深度时，设备会接收浅底多次反射回波，超过海底深度的某几层剖面流速数据输出有效，同时会产生虚假的流速数据，即ADCP剖面测流模式下出现的底后虚流现象。为了消除底后虚假剖面流速给用户带来的困扰，可以采用以下步骤将大于海底深度的流层速度信息做无效处理。

● 发射底跟踪ping，获取每个波束海底深度信息；

● 发射水跟踪ping，根据用户设置的层数（WN）、层厚（WS）、盲区（WF）计算海底之前的有效剖面层数W，W=(floor(H-WF)/WS)，H为当前海底深度值。

● 对W层及以后的数据，不做解算处理，直接输出层流无效标志。

图1给出了采用底后虚流消除前后的剖面流速伪彩图对比，可以看出二次及多次底回波信号解算出的虚假剖面流速信息可以被消除。

图1 底后虚流消除前后流速剖面对比图

2 设置相关系数门限

假定含有多普勒信息的复数观测信号记为s(t)，其自相关函数和功率谱密度函数分别表示为Rs(τ)和Ss(f)[4，5]。根据维纳-辛钦定理，信号的相关函数和功率谱互为傅里叶正逆变换：

可以用相关系数替代信噪比作为判断波束测量数据有效性的判据。根据自相关函数的定义：

对于某一波束某一剖面单元的回波信号，可以根据式（1）求出参与复自相关运算的两段时延为m（采用宽带信号时，m应为一个完整的宽带编码信号单元对应时长整数倍；采用窄带信号时，m应为采样间隔的整数倍）的复信号的互相关值。

由式（1）、（2）得到相关系数r(m)的计算公式：

选取合适的相关系数门限作为判断波束速度数据有效性的判据，即可将信噪比较低时测量得到的较为杂乱的无效数据剔除掉。

图2给出了4个波束某一时刻速度及相关系数随剖面作用距离变化的曲线图。可以看出，相关系数的值可以反映速度测量的精确度。选取合适的相关系数门限就可以将杂乱无章的无效测量数据剔除掉。图3给出了38 kHz ADCP在大深度处采用相关系数质控前后剖面流速和GPS速度比对图。可以看出，采用相关系数质控后，偏离真值（GPS速度测量值）较大的无效数据可以被剔除掉。

图2 波束速度/相关系数随剖面距离变化曲线图

图3 质控前后剖面速度和GPS速度比对图

3 设置波束速度差异阈值

如图4所示，采用4波束Janus冗余结构的ADCP，四波束在同一剖面层的投影具有对称结构，统计学意义上，同一平面流场的均匀性决定了：

图4 四波束Janus冗余结构

实时单次测量过程中，水体中散射体的不均匀分布会导致某个或某部分深度单元层的回波信号强度过低而被噪声淹没，此时，测得的对应深度单元层的某一波束速度无效。另外，当有一个波束的发射信号遇到河海中的鱼虾等浮游生物时，采集得到的散射信号中含有的多普勒频移信息对应的速度是浮游生物本身的速度，也会得到异常的波束流速数据。因此，可以采用四波束速度的差异来剔除掉某一波束信噪比过低或者受到干扰所导致的无效测量值。

定义波束速度差异变量为BError，由公式（6）可知，流场均匀，无干扰时，BError采用下面两种计算公式时，均应取一较小值。

图5给出了无安装偏角或安装偏角较小时波束速度差异按式（7）、（8）计算得到的序列值。图6给出了在较大安装偏角时，波束速度差异按式（7）、（8）计算得到的序列值。可以看出用式（7）计算会将V1↔V3方向与V2↔V4方向的不均匀性误差抵消，从而不能正确反映真实的波束不均匀性。选择式（8）作为计算波束速度差异的计算方法，设置合适的阈值，当四波束速度差异大于该阈值时，认为此次测量无效，这样可以将因某一波束信噪比过低或者是遇到鱼虾等浮游生物导致的速度异常值剔除掉。

图5 波束速度差异序列（无偏角）

图6 波束速度差异序列（较大偏角）

4 结论

鉴于以往海流观测时难以判断测量数据有效性的问题，本文提出了对ADCP测量数据进行质量控制判断其有效性的新方法，并用海试数据验证了方法的实用性：通过底后虚流消除技术可以避免误将底回波、二次底回波及多次底回波作为流层回波信号解算给出流速信息，消除虚假剖面流速信息；相关系数门限判决方法对实际流层测量数据的有效性进行了判决（判决门限17），剔除低信噪比下测量得到的错误速度信息，即偏离真值（GPS速度测量值）较大的无效数据，保证了测量数据的精度和有效性；四波束Janus冗余速度信息计算出四波束速度差异，设置阈值-1～1 m/s，剔除由于某一波束受到干扰造成的速度野值点。

本文提出的对测量数据进行质量控制的方法可以保证测量数据的有效性，保证海流观测的正确性。后续将通过理论仿真与实际数据相结合的方法，开展系列ADCP设备门限阈值的确定工作，在保证数据正确性基础上保留尽量多的数据。