一种简便的ADCP流量校准方法及系统与流程

本发明涉及消除底质流动对adcp底跟踪船速的影响，实现adcp流量的精确校准技术方案，属于水文测量和水利工程领域。

背景技术：

声学多普勒流速剖面仪(acousticdopplercurrentprofiler，adcp)借助水跟踪获得的相对流速剖面减去底跟踪获得的船速即可实时获取三维流速剖面，具有速度快、精度高、不干扰流场等优势，在流速观测和流量测验中被广泛采用。adcp底跟踪速度是传统的走航式adcp流量测量的船速基准。然而，在存在底质流动的情况下，adcp底跟踪获得的船速会比实际要小，进而导致流量测量结果也比实际的要小。目前国内外学者一般采用gps前后历元的定位信息计算出速度，并对底跟踪船速进行替换。

式中，下标x、y代表地理坐标系的东、北分量；dx,gps/dy,gps为相邻历元之间的东/北分量坐标差；b2为当下历元的大地纬度；b1为上一个历元的大地纬度；l2为当下历元的大地经度；l1为上一个历元的大地经度；e＝6378137m，是地球(wgs-84椭球)的平均半径；ε＝1/298.257223563是地球(wgs-84椭球)的扁率；δt为前后两个历元的时间间隔；vx,gps/vy,gps为利用相邻历元的gps坐标计算的gps船速的东/北分量。

然而，一方面，底跟踪船速精度通常优于1cm/s，远高于利用gps定位信息，特别是单点定位信息计算出来的船速的精度，直接的船速替换将有损底跟踪数据有效时绝对流速的测量精度；另一方面，若采用gps速度作为船速基准，由于adcp水跟踪获得的相对流速和gps船速的坐标参考系统存在差异，较小的gps定位误差都将导致矢量相减得到的绝对流速的大小和方向均产生显著偏差。因此，传统的采用单一gps船速对底跟踪船速进行直接替换未能根本解决底质流动引起的adcp底跟踪船速不准问题，进而引起流量计算结果出现偏差。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是利用低精度的gps动态定位信息对底跟踪船速进行改正，进而实现adcp流量的准确校准。

本发明的技术方案提供一种简便的adcp流量校准方法，包括以下步骤，

步骤1，计算由底跟踪船速推导的坐标矢量差δpbt和由gps定位信息推导的坐标矢量差δpgps之间的差值δp，包括以下子步骤，

步骤1.1，利用各历元的底跟踪船速计算adcp走航过程中的航迹终点和航迹起点的坐标矢量差δpbt，

步骤1.2，利用各历元的gps定位信息计算adcp走航过程中的航迹终点和航迹起点的坐标矢量差δpgps，

步骤1.3，利用步骤1.1所得δpbt和步骤1.2所得δpgps，得到二者的矢量差δp，实现如下：

δpx＝δpx,bt-δpx,gps，δpy＝δpy,bt-δpy,gps

其中，δpx/δpy为矢量差δp的东/北分量，δpx,bt/δpy,bt为坐标差δpbt的东/北分量，δpx,gps/δpy,gps为坐标矢量差δpgps的东/北分量；

步骤2，根据各历元底跟踪船速的大小，将δp分配到各历元的底跟踪船速中，实现由底质流动引起的底跟踪船速偏差改正，包括以下子步骤，

步骤2.1，将δp和各历元底跟踪船速vbt建立联系，实现如下，

设v’bt为改正后的底跟踪船速，n为历元总个数，i为历元标号，由δp＝δpbt-δpgps，得到进而得到

其中，vbt,i为第i个历元的底跟踪船速，v’bt,i为改正后第i个历元的底跟踪船速，δti为第i个历元和第i-1个历元间的时间间隔；

步骤2.2，设dbt,i为基于底跟踪船速计算的第i个历元和第i-1个历元间的距离间隔，dgps,i为基于底跟踪船速计算的历元i和i-1间的距离间隔，由于adcp走航过程中船速基本保持均速，根据各历元的航迹长度，按比例将δp分配到各历元的底跟踪船速vbt中，实现如下：

步骤2.3，计算改正后的底跟踪船速v’bt，实现如下：

其中，vx,bt,i/vy,bt,i为第i个历元的底跟踪船速的东/北分量，v′x,bt,i/v′y,bt,i为第i个历元的改正后的底跟踪船速的东/北分量；

步骤3，对断面流量q进行校准，包括以下子步骤，

步骤3.1，利用adcp水跟踪获得的相对流速vwt和改正后的底跟踪船速v’bt，计算改正后的绝对流速vws，vws＝vwt-v’bt；

步骤3.2，根据改正后的底跟踪船速v’bt和改正后的绝对流速vws，计算校准后的断面流量，实现adcp流量校准。

而且，步骤1.1，利用各历元的底跟踪船速计算adcp走航过程中的航迹终点和航迹起点的坐标矢量差δpbt，实现方式如下，

设n为走航过程的总的历元数，δt为前后两个历元的时间间隔，vx,bt/vy,bt为底跟踪船速vbt的东/北分量，利用底跟踪船速vbt计算最后一个历元到第一个历元的坐标差δpbt，

其中，δpx,bt/δpy,bt为坐标差δpbt的东/北分量。

而且，步骤1.2，利用各历元的gps定位信息计算adcp走航过程中的航迹终点和航迹起点的坐标矢量差δpgps，实现如下：

设be为最后一个历元的大地纬度，bs为第一个历元的大地纬度，le为最后一个历元的大地经度，ls为第一个历元的大地经度；e是地球的平均半径，ε是地球的扁率，得到航迹终点和航迹起点的坐标矢量差δpgps，

其中，δpx,gps/δpy,gps为坐标矢量差δpgps的东/北分量。

而且，步骤3.2，根据改正后的底跟踪船速v’bt和改正后的绝对流速vws，计算校准后的断面流量，实现如下：

设k为垂直方向上的单位向量，t为断面走航的总时间，zl(t)和zu(t)分别为各历元获得的流速剖面的底部和顶部深度，t为观测时间，dz为沿水深方向上的微分，dt为时间上的微分，得到校准后的断面流量q，

其中，vx,ws/vy,ws为绝对船速的东/北分量，v′x,bt/v′y,bt为改正后的底跟踪船速的东/北分量。

本发明还提供一种简便的adcp流量校准系统，用于如上所述简便的adcp流量校准方法。

本发明的方法针对传统的采用gps船速对底跟踪船速进行直接替换存在的易受gps定位精度影响而导致走航式adcp流量计算精度不高的问题，利用低精度的gps船速和底跟踪速度计算各自的航迹终点和起点的坐标差值，将两个坐标差值进行相减并根据各历元的实际船速大小对底跟踪船速进行改正，有效地消除了底质流动对流量计算的影响，显著提高了走航式adcp断面流量测量的精度(相对精度优于2％)。本发明技术方案利用低精度的gps动态定位结果消除了底质流动对底跟踪船速的影响，实现了adcp流量测量精度的有效提高，非常适用于水文测量和水利工程领域。

附图说明

图1是本发明实施例adcp流量校准的流程示意图。

具体实施方式

为了更清楚地了解本发明，下面结合附图和实施例具体介绍本发明技术方案。

本发明实施例提供走航式adcp流量校准方法，提供利用低精度的gps动态定位数据对底跟踪船速进行改正的方案，对走航断面的流量q进行校准。本发明的技术方案包括利用adcp底跟踪速度计算测量船航迹终点和起点的坐标矢量差，利用gps动态定位获得的大地坐标计算测量船航迹终点和起点的坐标矢量差；计算两者之间的差值，并根据各历元底跟踪速度的大小，等比例分配到各历元的底跟踪速度，实现了底跟踪船速的偏差改正，消除底质流动或悬沙浓度较高对底跟踪船速的影响；利用adcp水跟踪获得的相对流速和改正后的底跟踪船速重新计算流量，实现流量校准。

如表1，实施例选取了长江口水域的某一断面ab，在2009年11月9日对断面ab进行了往返共6个测次的走航式adcp测量。流量观测仪器采用rdi公司生产的瑞江系列300khzadcp，深度单元长度为1.0m，水跟踪和底跟踪配置分别采用watermode1和bottommode5。在走航测量过程中，导航定位采用天宝dsm232型号的gps进行单点定位。为保证采集数据的有效性，对走航式adcp测量进行质量控制：(1)航迹控制在断面两侧10m宽的范围内，以保证各测次走航观测值的一致性；(2)控制船速为2～3m/s，以保证流速测量的精度。实施例中，底跟踪船速精度优于1cm/s，gps动态定位精度约为20～50cm，gps船速相对于底跟踪船速的精度约为10cm/s。

表1实施例中6个走航测次参数统计

参见图1，本发明实施例提供的一种简便的adcp流量校准方法，包括以下步骤：

步骤1，计算由底跟踪船速推导的坐标矢量差δpbt和由gps定位信息推导的坐标矢量差δpgps之间的差值δp，包括以下子步骤：

步骤1.1，利用各历元的底跟踪船速计算adcp走航过程中的航迹终点和航迹起点的坐标矢量差δpbt，实现如下：

设n为走航过程的总的历元数，δt为前后两个历元的时间间隔，下标x、y代表地理坐标系的东/北分量；vx,bt/vy,bt为底跟踪船速vbt的东/北分量，可利用底跟踪船速vbt计算最后一个历元(终点位置)到第一个历元(起点位置)的坐标差δpbt：

其中，δpx,bt/δpy,bt为坐标差δpbt的东/北分量。

步骤1.2，利用各历元的gps定位信息计算adcp走航过程中的航迹终点和航迹起点的坐标矢量差δpgps，实现如下：

设be为最后一个历元(终点位置)的大地纬度；bs为第一个历元(起点位置)的大地纬度；le为最后一个历元(终点位置)的大地经度；ls为第一个历元(起点位置)的大地经度；e＝6378137m，是地球(wgs-84椭球)平均半径；ε＝1/298.257223563是地球(wgs-84椭球)的扁率。可得到航迹终点和航迹起点的坐标矢量差δpgps，

其中，δpx,gps/δpy,gps为坐标矢量差δpgps的东/北分量。

步骤1.3，利用步骤1.1计算的δpbt和步骤1.2计算的δpgps，得到二者的矢量差δp，实现如下：

δpx＝δpx,bt-δpx,gps，δpy＝δpy,bt-δpy,gps(3)

其中，δpx/δpy为矢量差δp的东/北分量。

尽管动态gps定位精度较低，但对于总航迹(一般大于100m)来说相对误差较小；虽然底跟踪船速精度较高，但是受底质流动影响，采用式(1)计算的坐标矢量差明显存在误差累积，因而利用公式(2)计算的坐标矢量差精度要远高于式(1)计算的坐标矢量差。

步骤2，将δp分配到各历元的底跟踪船速中，包括以下子步骤：

步骤2.1，将δp和各历元底跟踪船速vbt建立联系，实现如下：

由于底质流动的速度和水流速度基本成正比例关系，由此直接引起底跟踪船速偏差，利用公式(2)计算的坐标矢量差和式(1)计算的坐标矢量差存在差异就是由此产生的。因此，可以利用δp对底跟踪流速进行改正。

设v’bt为改正后的底跟踪船速，n为历元(采样)总个数，i为历元标号，用于标识第i个历元，由于δp＝δpbt-δpgps，结合式(1)可得：进而推导得到：

其中，vbt,i为第i个历元的底跟踪船速，v’bt,i为改正后第i个历元的底跟踪船速，δti为第i个历元和第i-1个历元间的时间间隔。

步骤2.2，设dbt,i为基于底跟踪船速计算的第i个历元和第i-1个历元间的距离间隔，dgps,i为基于底跟踪船速计算的历元i和i-1间的距离间隔，由于adcp走航过程中船速基本保持均速，可根据各历元的航迹长度，按比例将δp分配到各历元的底跟踪船速vbt中，实现如下：

其中，→表示导出。

步骤2.3，计算改正后的底跟踪船速v’bt，实现如下：

其中，vx,bt,i/vy,bt,i为第i个历元的底跟踪船速的东/北分量，v′x,bt,i/v′y,bt,i为第i个历元的改正后的底跟踪船速的东/北分量。

步骤3，对断面流量q进行校准，包括以下子步骤：

步骤3.1，利用adcp水跟踪获得的相对流速vwt和改正后的底跟踪船速v’bt，计算改正后的绝对流速vws，实现方式为：vws＝vwt-v’bt。

步骤3.2，计算校准后的断面流量q，实现如下：

设k为垂直方向上的单位向量，t为断面走航的总时间，zl(t)和zu(t)分别为各历元获得的流速剖面的底部和顶部深度，t为观测时间，dz为沿水深方向上的微分，dt为时间上的微分，vx,ws/vy,ws为绝对船速的东/北分量，v′x,bt/v′y,bt为改正后的底跟踪船速的东/北分量，可得校准后的断面流量q：

为便于了解本发明技术效果起见，采用传统方法和本发明方法计算的流量结果进行对比，实现如下：

设qbt1为未受底质流动影响的真实流量，qbt2为受底质流动影响的流量，qbt3为采用本发明方法校准后的流量，qgps为传统的利用gps船速替代底跟踪船速计算的流量，为底质流动引起的流量相对误差，为采用本发明方法校准后的流量相对误差，为传统的gps船速替换方法的流量相对误差，6个测次的流量结果及相对误差如表2所示。

表2利用不同方法获得的6个测次的流量结果及相对误差(流量单位为：m³/s)

由表2可以看出，底质流动引起的对流量相对误差可达10％；传统的gps船速直接替换方法的流量相对误差在2.3％～14.5％之间，平均相对误差为6.7％；采用本发明方法校准后的流量相对误差在0.3％～2.1％之间，平均相对误差仅为1.0％，校准后的流量精度显著优于传统的船速替换方法，相对精度提高了5％以上。对于长江这种大型河流，5％的相对精度的提高效果显著。

具体实施时，本发明技术方案提出的方法可由本领域技术人员采用计算机软件技术实现自动运行流程，运行方法的系统装置例如存储本发明技术方案相应计算机程序的计算机可读存储介质以及包括运行相应计算机程序的计算机设备，也应当在本发明的保护范围内。

上述实施例描述仅为了清楚说明本发明的基本技术方案，但本发明并不仅限于上述实施例；凡是依据本发明的技术实质上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明的技术方案的保护范围之内。