基于频偏应答的ADCP流速现场校准方法研究

郭世旭， 杨枭杰， 王月兵， 叶晓同， 赵 鹏

(中国计量大学 计量测试工程学院，浙江 杭州 310018)

1 引 言

声学多普勒流速剖面仪(acoustic doppler current profiler, ADCP)是20世纪80年代初发展起来的一种新型测流设备[1，2]。它利用多普勒效应原理进行流速测量，是目前国内外测量多层剖面海流的最有效方法，在海洋科学研究和水资源的应用开发方面得到了广泛应用。其性能好坏直接影响流速测量的准确性，因此对其进行校准工作尤为重要。而目前普遍使用的性能校准标准对校准环境要求严格、历时长、成本高,且均无法实现现场校准[3，4]。

2002年，加里·默多克提出了DGPS检测法，此方法仅是针对底跟踪进行检测，无法对剖面测量进行有效分析；李占桥等通过将基于差分ADCP底跟踪船速与差分GPS测量船速进行比较，统计分析了ADCP测速精度，结果表明300 kHz ADCP误差随船速呈线性增加[5]；吴炳昭等在某海域针对水下移动平台安装的ADCP和船载ADCP进行了比测试验，通过误差计算，试验结果合格[6]；姜松燕等进行了试验水槽检测ADCP方法理论研究，证明了水槽拖车试验的可行性[7]；易志强等提出了一种可代替ADCP实测信号的球面散射水层回波模型[8]；马龙等提出了一种测试ADCP的声学仿真方法，模拟ADCP接收到的实际后向散射信号，对ADCP进行了标定[9]；申连洋等进行了ADCP陆上检测装置的设计与研究，通过对接阵模拟深度和速度信息，对比ADCP的返回值和ADCP陆上检测装置设定值达到检测的目的，结果表明该模拟装置使用效果良好[10]；陶乐文提出了一套基于任意波发生器的ADCP对接式陆上检测装置方案，进行了实验室内无水环境下与ADCP的对接，对ADCP的流速剖面测量、深度测量和流向测量进行了检测，验证了ADCP的流速测量能力[11]。

本文研制了一套基于频偏应答的ADCP流速现场校准装置，可对ADCP流速以及ADCP换能器电声参数进行现场校准，并以频率为溯源量，实现流速校准。在实验室消声水池条件下，以四波束JANUS阵型结构的300 kHz自容式ADCP为校准对象，利用应答器阵列中心的收发换能器回发带频偏的声波信号，模拟1～2 m/s的流速，通过比较流速模拟值和ADCP流速输出值，对ADCP的流速测量精度进行校准，验证了这种校准方法的可行性并进行了不确定度分析。

2 ADCP工作原理

2.1 流速测量原理

ADCP换能器发射频率为f0的声波信号在水中传播时，有一部分能量经随水流而动的散射体散射回来，这些回波信号经ADCP换能器接收，处理后可得其频率为f1，根据多普勒测流原理可得：

Δf=2f0v/c

(1)

式中：Δf=f1-f0为多普勒频偏；v为ADCP单波束径向流速；f0为ADCP工作频率；c为声波在水中的传播速度。

2.2 深度测量原理

ADCP声波发射以后，从不同深度的水层返回的回波时间是不同的，它与某些水层相对应，其关系式为：

(2)

式中：D为水层深度；Dt为换能器下放深度；t为ADCP发射声信号与接收声信号之间的延时；c为声波在水中的传播速度；α为ADCP的声束角。

3 校准原理与校准系统设计

3.1 校准原理

由式(1)可得ADCP径向测流公式为：

(3)

由式(3)可知，ADCP径向流速测量的准确性与多普勒频偏Δf、水中声速c有关，且对应任意一组多普勒频偏和水中声速值，具有唯一的一个径向流速值。

校准系统的工作流程如图1所示，通过应答器阵列中心的收发换能器接收ADCP发射的声信号并将声信号转换为电信号，通过NI PXI采集卡以一定速率进行A/D采集，在PXI机箱内部对采集的信号进行处理后，通过NI PXI-5441发射卡回发，经D/A转换后回发，可产生相对于ADCP发射信号具有频偏和延时的声波信号，以模拟相应水层的流速，通过比较流速模拟值与ADCP流速输出值，可对ADCP的流速测量精度进行校准，并对采集到的ADCP信号片段和带频偏的回发信号频率进行校准，实现频率的溯源。

图1 校准系统的工作流程

信号处理的流程图如图2所示，应答器阵列中心的收发换能器接收ADCP发射的声信号并将声信号转换为电信号，对信号进行采集，然后对采集的信号进行重采样和插值处理，并进行信号的截取、时域延拓、衰减，经过一定延时，经D/A转换后以与A/D采集相同的速率对信号进行回发，可得到相对ADCP信号具有一定频偏和延时的声波信号，以此模拟ADCP实际回波信号，ADCP接收回波信号经处理可得到流速信息。其中，频偏与采集频率和重采样频率的关系[13]为：

(4)

式中：fd为多普勒频偏；f0为ADCP工作频率；fs为采集频率；fh为重采样频率。根据式(4)可以产生一路高精度带延时、频偏的回波信号。

图2 信号处理流程图

频率校准使用的方法为多周期同步测频法[14]，其波形时序图如图3所示，以被测信号周期的整数倍作为闸门时间，对闸门内的被测信号和标准信号进行计数，被测信号频率可表示为:

(5)

式中：Fx为被测信号频率；F0为标准信号频率；Nx为被测信号个数；N0为标准信号个数。

图3 多周期同步测频法波形图

由于实际闸门时间为被测信号周期的整数倍，故Nx不存在±1的计数误差，而N0可能存在±1的计数误差，因此频率分辨率为：

(6)

式中：Fx为被测信号频率；F0为标准信号频率；Tp为闸门时间。可以看出，闸门时间越长，标准信号频率越大，分辨率就越高。

校准过程是通过NI PXI-5122采集卡对ADCP发射的信号以及回发的声信号进行采集，以波峰检测方式对采集信号进行计数，以采样率作为标准信号频率，对采样点数进行计数以此判定标准信号个数，由式(5)可得ADCP发射的信号频率及回发的声信号频率。

3.2 校准系统设计

如图4所示，校准系统由NI PXIe-1065机箱、NI PXI-5122信号采集卡、NI PXI-5441信号发射卡、应答器阵列、校准装置、PC机、四波束ADCP等硬件组成。以NI PXI-5122信号采集卡对ADCP发射的信号进行采集，以NI PXI-5441信号发射卡回发具有频偏和延时的声波信号。

图4 校准系统

图5 校准装置

校准装置如图5所示，底部存在三角形支架设计，其与水平面的夹角与ADCP声束角相同，可使ADCP各个换能器中心依次对准应答器阵列中心收发换能器；应答器阵列为21阵元收发合置，经校准其中心收发换能器谐振频率为300 kHz，灵敏度为-200 dB@300 kHz，通过其接收到的ADCP信号声压值，可对ADCP换能器的发送电压响应进行校准；两侧的接收水听器可覆盖ADCP换能器波束宽带为19°，由21个接收水听器接收到的声压推算出以ADCP换能器为圆心、半径为0.6 m处的声压，根据标准测量法绘制指向性图，对ADCP换能器的指向性进行校准；ADCP的单个换能器表面与应答器阵列表面的垂直距离为0.6 m。

整套装置使用不锈钢和表面氧化处理的硬质铝材质，具有良好的耐腐蚀性与强度；重量为25 kg(不含ADCP)，尺寸为φ500 mm×950 mm，易于拆装，具有良好的便携性；装置上部安装吊环，为现场校准提供了便利。

4 实验研究与不确定度分析

4.1 实验研究

实验以四波束JANUS阵型结构的300 kHz自容式ADCP作为流速校准对象，其出厂时标明的流速测量不确定度为±0.5%真实流速值±0.005 m/s，实验环境为5 m×3.5 m×3.5 m的实验室消声水池。

通过行车将校准装置悬挂于实验室消声水池当中，通过ADCP显控软件设置测量水层为100层，测量层厚为1 m，启动ADCP发射声波信号，将同步信号接到NI PXI-5122信号采集卡和NI PXI-5441信号发射卡作为触发信号，应答器阵列中心收发换能器接收到声波信号后通过NI PXI-5122信号采集卡对信号进行采集，对采集到的ADCP信号片段进行重采样和插值处理，并进行信号截取、时域延拓、衰减，经过一定延时，通过NI PXI-5441信号发射卡对信号进行回发，以模拟相应水层深度的流速。

实验对采集的ADCP信号处理后，进行10倍的时域延拓并设定延时，以模拟水层深度为90～100 m的流速，模拟ADCP1#换能器的径向流速范围为 1～2 m/s， 对采集信号和回发信号进行监测，信号如图6所示。

图6 信号监测

将ADCP存储的水层深度为90～100 m的 1 500 组流速数据导出，计算其平均值，通过比较模拟值与ADCP流速输出平均值对ADCP的流速测量性能进行校准，实验结果如表1所示。

由表1可知，该校准方法可以完成测试水层的流速模拟，但测试结果存在误差，最大误差为0.015 m/s，分析其误差来源，主要有：

(1) 回发信号的频率精度会对流速输出的准确性造成影响；

(2) 实验所用ADCP存在系统误差，会对流速输出的准确性造成影响。

表1 ADCP流速检测实验1 500组数据结果

4.2 不确定度分析

由式(1)可知，对流速测量不确定度影响的因素主要有：ADCP工作频率、回发信号频率、水中声速[15]以及流速测量的重复性，而水中声速主要受温度和水深的影响。水中声速(盐度忽略不计)与温度、水深的关系为：

c=1 449.2+4.6T-0.055T2+0.000 29T3+(1.34-0.01T)(S-35)+0.016D

(7)

式中：T为温度；D为水深；S为盐度，忽略不计。

针对模拟流速为1 m/s时的流速校准进行不确定度评定。

A类不确定度主要来源于ADCP流速测量的重复性，采用贝塞尔方法进行传感器的A类不确定度评定。

(8)

可得由流速测量重复性引入的A类流速不确定度uA为0.017 m/s。

B类不确定度主要来源为ADCP工作频率、回发信号频率以及声速。

由式(7)可知，声速主要与温度和换能器下放深度有关。

使用多周期同步测频法对ADCP发射信号频率、回发信号频率进行校准，根据式(6)可得对ADCP发射信号以及回发的声信号校准时的频率分辨率为(1/1.5)×105Hz。得到ADCP发射信号频率、回发信号频率引入的不确定度分量分别为0.01 Hz、 1 Hz， 由此可得由ADCP发射信号频率、回发信号频率引入的流速不确定度uB1、uB2分别为4×10-7， 4×10-5m/s。

查阅ADCP温度传感器说明书，可知其示值误差范围为±0.01 ℃，取均匀分布，

(9)

由上式得温度测量不确定度为0.006 ℃，由此可得由温度引入的流速不确定度uB3为1×10-5m/s。

查阅ADCP深度传感器说明书，可知其示值误差范围为±0.1 m，取均匀分布，由式(9)得深度不确定度为0.058 m，由此可得由深度引入的流速不确定度uB4为6×10-7m/s。

因不确定度分量相互独立，按式:

(10)

得合成不确定度u=0.017 m/s，即1%模拟流速 +7 mm/s。

同时对模拟流速为1.2，1.4，1.6，1.8，2.0 m/s的流速校准进行不确定评定，列出各个模拟流速时引入的流速不确定度的分量与合成不确定度，结果如表2所示。此方法对流速校准的不确定度达到1%模拟流速值+7 mm/s，主要由测量的重复性引起。可以看出，此方法流速校准不确定度高于出厂时标明的流速校准不确定度，主要是由于实验室水池混响严重造成的，需要大型水池或开阔水域进行进一步验证。

表2 不同流速校准不确定度

5 结 论

本文介绍了ADCP的流速现场校准方法以及校准系统的结构与工作流程。这种校准方法通过对回波延时和多普勒频偏的设定，实现了任意水层深度和流速的模拟，并进行了流速校准实验与不确定度分析。实验验证了这种校准方法的准确性和可行性，在工程使用中，该装置与方法可在海上对长时间使用的ADCP实现流速的现场校准，且可对换能器在长时间海水浸泡后的实际电声参数进行现场校准，大大减小校准周期和校准成本，为ADCP的流速现场校准提供了可行性方案。