ADCP原理(6)

2019-03-23 13:03

对船上固定安装ADCP测量纠正的效果

这一部分包括以下两种不同的运动,这两个运动会限制船上固定安装ADCP的数据质量:

① 在表面波上船的倾斜和翻转运动 ② 与测量的水流相比具有很大的船速

在California的北部海岸上,Kosro (1985)在船上利用ADCP来测量水流和利用一个陀螺仪测量倾斜度和翻转度,结果证明这个倾斜和翻转受影响小。他记录下未处理的ADCP ping同时也记下陀螺仪数据,然后再计算有和没有倾斜和翻转纠正时的水流剖面。他发现以下结论:

① 纠正的和未纠正的水平水流有大约1 cm/s的偏差。未纠正的数据在深

度范围内也是很平缓的,约等于由于倾斜或翻转引起的深度单元的上下移动的距离。

② 纠正和未纠正的垂直水流的不同达到了5㎝/s。

因此,我们得出结论,在下面这些情形下需要倾斜和翻转的纠正:

① 当需要最大可能的数据精度。

② 当这个船期待遭受剧烈的波浪情况下。 ③ 当需要计算垂直速度部分时。

对于船速来说,ADCP数据的纠正能够从相对简单变的相当复杂。当底部追踪的数据可靠时是最简单的纠正。对底部追踪船速的纠正相对容易做好的原因是:

① 底部追踪的速度数据通常情况下比水流剖面数据要精确。 ② 底部追踪速度和水流剖面是在相同的坐标系中测量的。

底部追踪的最大优点是它的很多最大误差与水流剖面的误差完全匹配。当从水流剖面速度中减去底部追踪数据时,共模误差就会完全取消。主要的共模误差包括由声束方向误差引起的罗盘误差和速度偏差。这个优点是由底部追踪和水流剖面在同一个坐标系中这一事实引起的。

相反,船的航行和水流剖面不分担共模误差。例如,在船的陀螺仪中1°或者更大的误差是很正常的。当船以5 m/s的速度航行时,一个1°的罗盘误差引起大约10 cm/s的侧面速度误差。

航向误差由以下原因引起: ① 传感器没有对准。这是由于在船上测量传感器方向的困难引起的。事

实上,传感器不需要在任何特定的方向定位,但是必须知道这个方向。关于更多的关于现场的传感器定位标准请查阅Pollard and Read

(1989) or Joyce (1988)。

陀螺仪误差和不稳定性。这主要依靠回转罗盘的构造和模型。误差的一个来源是Schuler震动,一个具有84分钟和典型幅值是的0.5°—1.0°的方向误差。当船翻转的时候,这个Schuler震动也是很活跃的。

航行纠正的精确度主要依靠所利用的航行。为了全面的精确度和方便的利

用,差分全球定位系统是最好的选择。然而,通常情况下,底部追踪比最好的GPS产生的短期误差还要小。

9 回声强度和剖面范围

回声强度是对从ADCP的发射脉冲返回的回声信号强度的测量值。回声强度有时被用于探测浮游动物或者是悬浮物的集中度。对于绝对的校准宽带反向散射测量还没有制造出程序,但是宽带ADCP(包括载重量大的船)对于有关的测量是很有用的。这一部分介绍了一些涉及到解释和利用反向散射装置数据的因素。

回声强度依靠:

① 吸音作用 ② 束发散 ③ 发射功率

④ 反向散射系数

关于回声强度一个近似等式:

这里:

EI是回声强度(dB)

SL是是发射功率的震源强度(dB) SV是水的反向散射强度(dB) α是吸收系数(dB/meter)

R是从传感器到深度单元的距离(meters)

这个常量也是包括在内的,因为这个测量是相对的而不是绝对的。这就意味着ADCP看到了回声强度的变化,但是与其他ADCPs相比不能有绝对的测量值。2αR这一项计算吸收项,20log(R)这一项计算束发散。

记住,关系到粒子浓度的回声强度主要依靠粒子的大小。这就意味着你应该利用现场测量值对强度和浓度进行校正。当这个粒度分布可变时,不能令人满意的校正这个关系。

ADCP的最大变化范围与这个信号强度下降到与噪声级可比较的位置相对应。超过这个范围,ADCP不能精确的计算多普勒频移。剩下的这部分将回顾一些因素,这些因素既影响了根据ADCP变化范围函数的信号强度,也影响了ADCP的整个变化范围。

吸音作用

吸收减弱了由在水中的物理和化学过程引起的回声强度。在海洋中比在淡水中吸收的速度更快,主要是因为化学反应。当以单位dB测量时,吸收与回声强

度成线性减少关系(与上面的2αR相对应)。这就意味着吸收导致回声强度随着增加的范围成指数形式衰减。

在ADCPs工作的频率范围内(75-1200 kHz; see Table 1 or Urick, 1983).,声吸收与频率成比例迅速增加。这就在频率和变化范围之间产生了一个逆关系。

Table 1.声吸收(At 4oC, 35‰ 在海平面上)和宽带ADCP的标称剖面范围。列出的发射功率是最大的发射功率。这个功率传输时容易受到震动形式的影响。

声吸收的值也在Table 1中给出了,这来源于Urick (1983) and Kinsler, et al. (1980)。

在这个真正的吸收中而不是海洋表现出来的实际值中,这个所示的变化范围更能表现出不确定性。

束发散

根据变化范围束发散是引起回波衰减的几何因素。在上面的Equation 6中,随着变化范围增加的回声强度中,束发散被表述为对数损耗,在这回声强度是以单位dB来测量的。在线性单元中,回声强度与变化范围的平方成一定比例递减。

在Figure 22中对变化范围平方这一行为做了一个解释。与散射粒子之间距离的加倍导致了散射体与声束所有音能的四分之一相交叉。因此,它只反映了能量的四分之一。然而,由于这个声束有它四倍大的面积,为了保持总的反映的能量不变,也应该有四倍多的散射体把声音反射回来。回声强度的减少是传感器与前面反映总能量的四分之一相交叉的结果。

声源电平和功率

宽带信号的声源强度依靠以下因素: ① 功率。ADCP的发射功率正常情况下与发射电压的平方成比例。在ADCP

的高低功率之间最主要的不同是应用于传感器的电压。如果这个电压是有规定的(例如,高功率的宽带),进入传感器的发射功率保持常量不变。然而,主干的ADCP的发射功率直接被直流输入消耗了。因此,它的发射功率与输入电压的平方成比例。发射频率也依赖于所存储的能量。高功率的宽带ADCP利用大容量的电容为长的底部追踪脉冲提供功率。如果ADCP没有足够大的电容,当发射脉冲的时候功率将会下降。

② 传感器的效率。传感器通过它的效率来控制发射功率。典型效率的

变化范围是25-80%。

③ 发射脉冲。较长的发射脉冲把更多的能量放到水中。此外,脉冲代

码也能减少发射的平均功率。正常的情况下,代码仅改变相角(增加±1)但保持功率大小不变,其中代码包括零而不仅仅是±1。然而利用这些代码可以减少平均功率。

④ 震动。当声音强度增加的时候,它会延伸到变成非线性的地方。非

线性的声音(震动形成的)迅速的使声音减弱,有效的减少能量到最大可能没有震动形成的水平。震动形成常常以最主要的300KHz或者更高的频率来限制传播能量。

⑤ 气穴现象。以低频率(150KHz或者更低)的,大幅度的声压波动导

致压力太低以致汽泡迅速形成。这些气泡喧闹的破裂,严重降低了ADCP的性能。在快速运动的船上气穴现象是主要的问题。

散射体

散射体的集中度影响变化范围,因为越多的散射体会反射越多的声音。在ADCP的频数分析中主要的海洋声散射体是大约1毫米的浮游生物(Figure 4指出了一些典型的浮游生物)。其他的散射体也包括悬浮颗粒,碎石和密度梯度(尽管密度梯度是相对较弱的散射体)。

有时,相对于标称范围来说,在水中缺乏散射体可以减小范围。在一个极限的例子中,距离只有标称距离的三分之一(由海洋机构的英国科学家Wormley在毛里求斯航行时利用一个RD-VM0150测量得到的)。这样的距离是不正常的,发生的几率少于当时的10%。

在1200m以下使用的ADCP经常经历这种减少到正常距离的三分之一时的情况。 气泡

在海平面的下面,大浪和碎浪能够产生气泡。当气泡在船体底下经过时,他们作为一个防护罩抑制声音的传播。有时气泡也减少剖面范围,并且在极限的情况下,气泡可以完全阻碍信号。


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