[发明专利]一种用于声学多普勒流速剖面仪的流场数据校正方法

摘要

一种用于声学多普勒流速剖面仪的流场数据校正方法，声学多普勒流速剖面仪采用声波换能器作为传感器，其发射的声波脉冲通过水体中不同深度单元层的散射体产生散射回波，由声波换能器接收后，经分析处理获取径向水流速度，其特征在于采用多层流速拟合的流场数据校正方法，对各波束的径向流速数据进行野值剔除，进行多项式拟合，既排除径向流速的异常值，也平滑径向流速随深度的变化曲线，并由此进一步获取较为准确的仪器坐标系下的流速信息。

主权项

一种用于声学多普勒流速剖面仪的流场数据校正方法，声学多普勒流速剖面仪采用声波换能器作为传感器，其发射的声波脉冲通过水体中不同深度单元层的散射体产生散射回波，由声波换能器接收后，经分析处理获取径向水流速度，其特征在于：采用多层流速拟合的流场数据校正方法，以减小多普勒流速剖面仪在测流过程中存在的流速误差，对各波束的径向流速数据进行野值剔除，进行多项式拟合，既排除径向流速的异常值，也平滑径向流速随深度的变化曲线，并由此进一步获取较为准确的仪器坐标系下的流速信息，包括以下步骤：(1)根据回波信号处理得到第j个波束的各层多普勒频移信息，由于多普勒流速剖面仪具备不同换能器阵型结构，为了得到空间三维流速，多普勒流速剖面仪至少要有3个不在同一平面的波束，假设换能器有M个波束，则j＝1,2,…,M,M≥3，第j个波束的第i层多普勒频移信息用fj[i]表示，i＝1，2，…N,其中N为PC机显控界面在实验测量前进行设置的总层数，利用计算得到第j个波束的第i层径向流速信息，其中Vj[i]表示第j个波束的第i层的径向流速，C为声音在水中的传播速度，f0为发射脉冲的频率；(2)根据水流环境估算径向流速的范围‑fmax～fmax，其中fmax为估测的最大径向流速，并根据该径向流速范围对各波束的径向流速进行野值剔除，即对于Vj[i],i＝1,2,…N,j＝1,2,…,M中不在径向流速范围内的数据进行剔除，假设第j个波束剔除数据为其第l个深度单元层对应数据Vj[l]；(3)采用拟合曲线：Vj＝a0+a1h+…+aKhK，其中Vj为h的函数，ai为未知参数，i＝1，2…K，K为拟合曲线的未知阶数，选取计算量与拟合误差均较小所对应的阶数K；(4)对已剔除过野值的实测数据(h[i],Vj[i])，进行K阶拟合得系数ai，其中且i≠l，H0为第一个深度单元层的深度，H为ADCP实际测量区域的深度，以此获得第j个波束的径向流速Vj随深度h的变化的曲线；(5)将h[i]代入径向流速随深度的变化曲线，求出h[i]对应的拟合后径向流速信息V′j[i]；(6)根据拟合后得到的M个波束方向上的径向流速，这M个径向流速是空间流速在波束方向上的流速分量，令Vx[i]，Vy[i]，Vz[i]分别为空间仪器坐标下X，Y，Z方向的流速，每个波束的径向流速Vj[i]就可以根据换能器相应配置的几何关系用Vx[i]，Vy[i]，Vz[i]表示，得到关于Vx[i]，Vy[i]，Vz[i]的M个方程，M＝3时，方程的解即为仪器坐标系下XYZ方向上的流速，M＞3时，求出此超定方程的最小二乘解，得到仪器坐标系下XYZ方向流速。