一种海水剖面流速流向观测方法

1.本发明属于海洋环境观测技术领域，具体地说，是涉及一种用于检测海水剖面流速、流向的观测方法。


背景技术：

2.海洋调查中，海流观测是海洋水文观测中的一项重要要素，不仅可以为海洋科学研究提供重要的基础参数，而且可以为海洋工程建设、海洋石油开发、海洋水产养殖、海上安全防务等领域提供所需依据的重要海洋水文数据。因此，如何提高海流观测资料的可靠性，是众多海洋学家、工程技术人员所关注的一项重要课题。
3.声学多普勒剖面海流计(adcp)是目前常用的海流剖面观测仪器，它基于多普勒频移原理，可以进行海水剖面流速和流向的观测。基于浮标和adcp海流计的海流剖面观测方法，是目前常用的海流定点、长期、连续、现场、实时观测的技术方案，相对于船载调查，其可以提供全天候常年实时观测数据；相对于卫星遥感观测，其观测数据的准确度更高；相对于潜标和海床基观测，其浮标所需用电可以由太阳能等自然能源实时补给，海上在位观测时间长。因此，基于浮标和adcp海流计的海流剖面观测方法，具有其独特的优势。
4.在基于浮标和adcp海流计的海流剖面观测技术中，通常直接利用adcp海流计测量海水剖面的流速及流向。但是，目前的adcp海流计都是采用其内置的磁罗盘检测海流计的方位，根据海流计的方位修正海流观测数据。而现有的浮标体多为钢制结构或采用钢制骨架，这些钢制材料会对海流计内置的磁罗盘产生磁性干扰，导致海流计方位检测不准确，进而影响到海流观测结果的准确度。
5.现阶段，解决上述问题的方法之一是让adcp海流计尽量远离浮标体，以尽可能地降低浮标体的铁磁性对海流计内部磁罗盘产生的影响。由前期研究发现，距离浮标体一米以上，铁磁性影响基本可以忽略不计。因而，在目前的很多浮标上，会在浮标体1的钢制仪器井4的底部安装一个无磁支架2，如图2所示。所述无磁支架2位于仪器井4的外部且竖直向下延伸。将海流计3安装在无磁支架2的底部，距离仪器井4一米以上，这样便可有效降低浮标体1的铁磁性对海流计3中的磁罗盘造成的干扰影响。但是，采用这种结构的浮标体1在海上运行的过程中，海流计3很容易被渔网、流绳等外物缠绕、破坏。另外，海流计3中的磁罗盘在长时间使用后，仍然存在被浮标体1磁化的现象，因此，仍然存在影响海流观测数据质量的问题。
6.另外一种方法是定期对海流计中的磁罗盘进行校正，例如，定期将磁罗盘转移至无磁环境中进行自差校准。但是，这种方法对于长期无人值守的浮标设备来说，显然是难以实现的。


技术实现要素：

7.本发明针对adcp海流计中的磁罗盘易受浮标体上的钢制材料磁化影响，而导致方位检测不准确的问题，提出了一种将外置方位传感器与adcp海流计相结合来测量海水剖面
流速流向的观测方法，以提高海流观测数据的准确度。
8.为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：
9.一种海水剖面流速流向观测方法，包括：
10.在浮标体上安装adcp海流计和独立的方位传感器；
11.调整adcp海流计自身坐标系的y轴方向与方位传感器的北向一致；
12.在控制adcp海流计发射声波的同时，采集方位传感器检测到的方位数据θ，并接收adcp海流计采集输出的流速数据v
x
、vy；其中，利用θ指示adcp海流计自身坐标系的y轴相对于地球坐标系的北向的偏转角；v
x
、vy分别表示adcp海流计采集到的流速数据在自身坐标系下的x轴分量和y轴分量；
13.计算地球坐标系下流速的北向分量vn和东向分量ve：
[0014][0015]
利用所述adcp海流计和方位传感器连续采集多次流速数据和方位数据，计算出多组地球坐标系下流速的北向分量vn和东向分量ve后，计算出流速的北向分量的平均值和东向分量的平均值
[0016]
计算海水剖面的流速：
[0017]
计算海水剖面的流向：
[0018]
在本技术的一些实施例中，为了进一步提高海流观测数据的准确性，可以在连续采集多次流速数据和方位数据后，首先对浮标体的姿态或方位剧烈变化过程中采集到的存疑数据进行筛选剔除，然后再计算地球坐标系下的北向分量vn和东向分量ve，以避免异常数据对计算结果造成影响。
[0019]
在本技术的一些实施例中，可以将adcp海流计安装在浮标体的仪器井的入海侧，以保证adcp海流计能够与海水充分接触；在安装方位传感器时，可以在浮标体的甲板上竖立起无磁的上层平台，将所述方位传感器安装在所述上层平台上，并使方位传感器完全脱离浮标体中钢制结构所产生的磁性影响，以保证方位传感器能够准确检测出adcp海流计的方向。
[0020]
在本技术的一些实施例中，为了使adcp海流计自身坐标系的y轴方向能够与方位传感器的北向一致，可以采用以下定位方法：
[0021]
在上层平台上形成方位标识，在将方位传感器安装在上层平台上时，调整方位传感器的北向与所述方位标识同向；
[0022]
根据上层平台上形成的方位标识，采用投影法，在浮标体的甲板上形成同向的方位标识，并指向仪器井；
[0023]
在甲板上安装仪器井法兰盘，在仪器井法兰盘的相对两侧分别布设一个定位销，两个定位销的连线与所述方位标识同向，在仪器井法兰盘的另外相对两侧分别开设一个安装孔，两个安装孔的连线与所述两个定位销的连线垂直；
[0024]
在仪器井的井架上部安装法兰，法兰上形成两个定位销孔和两个装配孔，其中，两个定位销孔与所述仪器井法兰盘上的两个定位销位置对应且装配，两个装配孔与所述仪器
井法兰盘上的两个安装孔位置对应且装配；
[0025]
在井架上安装海流计安装板，并使所述安装板与所述两个定位销孔的连线垂直；
[0026]
在所述安装板上设置定位销和海流计安装卡子，将所述adcp海流计安装在海流计安装卡子上，并将安装板上的定位销垂直插入adcp海流计的定位孔中，这样便可使adcp海流计自身坐标系的y轴方向与甲板上的方位标识方向一致，进而实现方位传感器的北向与adcp海流计自身坐标系的y轴方向同向。
[0027]
在本技术的一些实施例中，优选将所述adcp海流计安装在仪器井的内部，仅使海流计的声学探头露出井口，这样可以避免adcp海流计被海水中的渔网、流绳等外物缠绕破坏，起到保护adcp海流计的作用。
[0028]
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明针对安装在浮标体上的adcp海流计，其内置磁罗盘易受浮标体磁性影响的问题，采用外置方位传感器代替海流计的内置磁罗盘，来检测浮标体的方位，通过将方位传感器检测到的准确的方位数据与adcp海流计检测到的流速数据进行矢量合成，由此可以获得地球坐标系下的海流观测数据，实现了海水剖面流速数据和流向数据的测量，解决了adcp海流计因其内置磁罗盘易受浮标体影响而导致方位检测不准确的问题。
[0029]
结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
[0030]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0031]
图1为浮标体的一种实施例的外形结构示意图；
[0032]
图2为现有技术中adcp海流计在浮标体上的安装方式示意图；
[0033]
图3为将adcp海流计内置于仪器井中的一种实施例的结构示意图；
[0034]
图4为外置方位传感器在浮标体上的安装位置示意图；
[0035]
图5为图4的局部放大图；
[0036]
图6为仪器井法兰盘与方位标识之间的对应位置关系图；
[0037]
图7为井架上部法兰与方位标识之间的对应位置关系图；
[0038]
图8为井架与海流计安装板的一种实施例的装配结构示意图；
[0039]
图9为井架、海流计安装板以及adcp海流计之间的一种实施例的装配结构示意图；
[0040]
图10为adcp海流计在海流计安装板上的安装结构剖视图；
[0041]
图11为外置方位数据与流速数据在进行矢量合成运算时所使用到的坐标系图；
[0042]
图12为利用常规方式安装的adcp流量计采集输出的海水剖面流速数据波形图；
[0043]
图13为利用外置传感器和adcp流量计采集输出的海水剖面流速数据波形图；
[0044]
图14为利用常规方式安装的adcp流量计采集输出的海水剖面流向数据波形图；
[0045]
图15为利用外置传感器和adcp流量计采集输出的海水剖面流向数据波形图。
具体实施方式
[0046]
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细地描述。
[0047]
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶”、“底”等指示方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本发明的限制。
[0048]
此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0049]
本实施例采用外置方位传感器与adcp海流计相结合的方式观测海水剖面的流速和流向，其需要解决的技术问题主要有：
[0050]
(1)空间对准问题。adcp海流计与其内置的磁罗盘是一体式安装的，因此内置磁罗盘的北向很容易与海流计的自身方向对准；而采用外置方位传感器方式时，由于浮标空间尺寸比较大，高度和直径一般在10米左右，故，需要解决adcp海流计的自身方向与外置方位传感器的方向在空间上的对准问题。
[0051]
(2)时间同步问题。adcp海流计基于多普勒频移原理，在对海流进行测量时，需要adcp海流计发射声波的时间与方位采样时间同步。利用adcp海流计内置的磁罗盘测量方位时，声波的发射时间与磁罗盘的方位采样时间可以由adcp海流计统一处理，因此比较容易实现。而采用外置方位传感器方式时，需要实时获取adcp海流计发射测量声波对应时刻的外置方位传感器的方位采样值，并进行计算，故，需要解决时间同步问题。
[0052]
(3)数据融合问题。为了得到准确的海流观测数据，需要将外置方位传感器输出的准确的方向数据与adcp海流计输出的相对于自身坐标系下的流速数据进行矢量合成，以获得真实空间坐标系下的海水剖面的流速数据和流向数据，故，需要设计矢量合成算法。
[0053]
本实施例针对外置方位传感器与adcp海流计的空间对准问题，提出了以下解决方案。
[0054]
如图1所示，在浮标体的甲板10上竖立起一个上层平台20，用于安装方位传感器。所述上层平台20应采用无磁材料制成，其顶面距离浮标体甲板10的高度应保证：在将方位传感器安装到上层平台20的顶面时，方位传感器能够完全摆脱浮标体中的钢制结构所产生的铁磁性影响。在本实施例中，可以将上层平台20的高度设计在10米左右或者10米以上，使方位传感器能够远离浮标体的甲板10，以保证方位传感器检测到的方向数据准确。
[0055]
结合图4、图5所示，在上层平台20上设置方位标识21，例如在上层平台20的顶面画一个箭头，用于指示方位传感器22的北向。在将方位传感器22安装到上层平台20上时，使方位传感器22的北向与所述方位标识21的箭头方向重合或同向，由此完成方位传感器22在上层平台20上的定位。
[0056]
根据在上层平台20上形成的方位标识21，采用投影法，在浮标体的甲板10形成同向的方位标识11。具体方法为：在上层平台20上摆放一根直杆，并使直杆与方位标识21共线；在直杆的两端分别挂重锤，并向甲板10方向垂落；两个重锤在甲板10上形成两个投影
点，连接两个投影点形成直线；在甲板10上形成与该直线重合的方位标识11，例如画一个箭头，箭头的指向与上层平台20上的方位标识21的箭头指向相同，由此便可保证上层平台20上的方位标识21与甲板10上的方位标识11同向。
[0057]
为了便于根据甲板10上的方位标识11对adcp海流计的安装方向进行精准定位，在甲板10上和上层平台20上分别形成方位标识11、21时，优选使方位标识11指向仪器井12的位置，如图4所示。
[0058]
仪器井12是浮标上用于搭载环境要素传感器及其他传感器的仪器安装井，开设在浮标体1上，且上下贯通浮标体1，结合图3所示。在仪器井12中安装有井架14，所述adcp海流计即可搭载在所述井架14上。
[0059]
在将adcp海流计安装到仪器井12中时，为了使adcp海流计的自身坐标系的y轴方向能够与甲板10上的方位标识11同向，本实施例设计了以下定位方法：
[0060]
一方面，如图6所示，在甲板10上设置仪器井12的位置安装仪器井法兰盘13，在仪器井法兰盘13的相对两侧分别安装一个定位销131、132，两个定位销131、132的连线应与甲板10上形成的方位标识11共线或同向。在仪器井法兰盘13的另外相对两侧分别开设一个安装孔133、134，并使两个安装孔133、134的连线与两个定位销131、132的连线垂直。仪器井法兰盘13在甲板10上的焊接方向固定，就可以将安装在仪器井12中的井架14的安装方向固定下来。
[0061]
二方面，如图7所示，在井架14的上部安装法兰15，在法兰15的相对两侧分别开设一个定位销孔151、152，在法兰15的另外相对两侧分别开设一个装配孔153、154。在将法兰15安装到仪器井法兰盘13上时，法兰15上的两个定位销孔151、152与仪器井法兰盘13上的两个定位销131、132的位置彼此对应且装配，由此便可保证法兰15上的两个定位销孔151、152的连线与甲板10上所形成的方位标识11同向。同时，法兰15上的两个装配孔153、154与仪器井法兰盘13上的两个安装孔133、134的位置彼此对应，可以利用螺钉和螺母将二者装配固定，由此可以保证法兰15上的两个装配孔153、154的连线与甲板10上所形成的方位标识11垂直。
[0062]
三方面，在井架14上安装海流计安装板16，并使海流计安装板16的安装面与法兰15上的两个定位销孔151、152的连线垂直。在某些实施例中，可以将井架14设计成三棱柱框架式结构，如图7所示，在将法兰15安装到井架14的顶部时，应使三棱柱框架的其中一个棱面141与法兰15上的两个定位销孔151、152的连线垂直。这样，在将海流计安装板16安装到该棱面141上时，便可保证海流计安装板16的安装面与法兰15上的两个定位销孔151、152的连线垂直。
[0063]
由于海流计在使用时，需要与海水相接触，因此，优选将海流计安装在仪器井的底部。针对海流计的这种安装位置需求，本实施例优选将海流计安装板16安装在井架14的底部位置，如图9所示，以便于在将adcp海流计17安装于海流计安装板16上时，能够使adcp海流计17与海水充分接触，继而满足海流观测要求。
[0064]
四方面，如图8所示，在海流计安装板16上安装垂直于其安装面的定位销161，并开设安装孔162。所述安装孔162可以在海流计安装板16的上部开设两对，在海流计安装板16的下部开设一对，以用于装配海流计安装卡子163，结合图9、图10所示。
[0065]
在海流计安装板16的上部开设两对安装孔162是为了适应不同长度的海流计。根
据adcp海流计17的实际长度，在海流计安装板16的上部选择一对安装孔162装配上一个海流计安装卡子163，在海流计安装板16的下部的安装孔162上装配上一个海流计安装卡子164。将adcp海流计17的上下两端分别卡装在海流计安装卡子163、164上，调整adcp海流计17的角度，使其定位孔与安装板上的定位销161对准且插装，这样，adcp海流计17的自身坐标系的y轴方向便与海流计安装板16的安装面垂直。由于海流计安装板16的安装面与法兰15上的两个定位销孔151、152的连线垂直，而法兰15上的两个定位销孔151、152的连线又与甲板10上所形成的方位标识11同向，因此，只要将adcp海流计17在安装板16上装配到位，即可保证adcp海流计17自身坐标系的y轴方向与甲板10上所形成的方位标识11的方向一致。
[0066]
由于方位传感器22的北向与上层平台20上的方位标识21的方向一致，上层平台20上的方位标识21与甲板10上的方位标识11的方向一致，而adcp海流计17自身坐标系的y轴方向又与甲板10上的方位标识11的方向一致，因此，adcp海流计17自身坐标系的y轴方向与方位传感器22的北向一致。由此，便可利用外置的方位传感器22代替adcp海流计17内置的磁罗盘来检测浮标体的方位，进而与adcp海流计17检测到的流速数据融合，以计算出地球坐标系下的海流观测数据。
[0067]
在本实施例中，结合图3、图10所示，优选将adcp海流计17安装在仪器井12的内部，仅adcp海流计17的声学探头171露出井口，这样不仅可以保证adcp海流计17正常发射声波并接收反射波，满足测量要求，而且可以有效解决adcp海流计17因完全暴露于海水中而易受到渔网、流绳等外物缠绕破坏的问题，切实保障了adcp海流计17在海水中长时间、连续、安全运行，非常适合应用在长期无人值守的浮标设备上。
[0068]
针对adcp海流计17的流速数据与方位传感器22的方位数据同步采集的问题，本实施例优选在浮标的控制系统中配置cpu主频在72mhz以上的高速数据处理器，例如stm32系列的单片机，以实现对流速数据和方位数据的高速、高精度采集。
[0069]
针对adcp海流计17采集输出的流速数据与方位传感器22检测输出的方位数据之间的矢量合成问题，本实施例提出以下矢量合成算法：
[0070]
步骤1：利用浮标上的控制系统在控制adcp海流计17发射声波的同时，通过高速数据处理器采集方位传感器22检测到的方位数据θ，并接收adcp海流计17采集输出的流速数据v
x
、vy，屏蔽adcp海流计17内置磁罗盘采集输出的方位数据，由此得到一组采样时间同步的矢量数据{θ，v
x
，vy}。其中，v
x
表示adcp海流计17采集到的流速数据在自身坐标系下的x轴分量；vy表示adcp海流计17采集到的流速数据在自身坐标系下的y轴分量。
[0071]
图11示出了adcp海流计17自身坐标系与地球坐标系之间的位置关系。其中，yox表示adcp海流计17的自身坐标系；noe表示地球坐标系，且n表示地理北向，e表示地理东向；θ为方位传感器22检测到的浮标体与地球北向之间的偏转角。由于adcp海流计17自身坐标系的y轴方向与方位传感器22的北向一致，因此，θ也表示adcp海流计17自身坐标系的y轴与地球北向之间的偏转角。
[0072]
步骤2：周期性地控制adcp海流计17发射声波，并在每一个周期重复执行步骤1，以得到多组流速数据和方位数据。
[0073]
步骤3：在连续采集多次流速数据和方位数据后，对浮标体的姿态或方位剧烈变化过程中采集到的存疑数据进行筛选剔除。
[0074]
在本实施例中，可以采用两种方式确定存疑数据：一种是，将变化量超限的相邻数
据判定为存疑数据予以剔除，即，将前后采集到的变化剧烈的数据认为是存疑数据；另一种是，将采集到的多组方位数据排序，将最大值和最小值所对应的方位数据以及与该方位数据同步采集的流速数据判定为存疑数据予以剔除。
[0075]
步骤4：将adcp海流计17每次采集输出的流速数据v
x
、vy(这里的流速数据v
x
、vy为剔除存疑数据后的流速数据)投影到地球坐标系下，计算出地球坐标系下流速的北向分量vn和东向分量ve，计算公式如下：
[0076][0077]
由此，便可得到多组地球坐标系下流速的北向分量vn和东向分量ve。
[0078]
步骤5：根据获得的多组地球坐标系下流速的北向分量vn和东向分量ve，分别计算出流速的北向分量的平均值和东向分量的平均值
[0079]
步骤6：利用流速的北向分量的平均值和东向分量的平均值计算海水剖面的流速值v，计算公式如下：
[0080][0081]
步骤7：利用流速的北向分量的平均值和东向分量的平均值计算海水剖面的流向a，计算公式如下：
[0082][0083]
其中，arccot()表示反余切函数。
[0084]
本实施例针对目前adcp海流计安装方式存在的缺陷，设计新的海流计安装结构，将海流计安置于浮标体钢质仪器井的内部，仅海流计的声学探头略微露出井口，由此解决了海流计易受渔网等外力破坏的问题。同时，通过屏蔽adcp海流计内置的磁罗盘，采用外置方位传感器的方式来检测浮标体的实时方位，并通过将方位传感器安装在远离浮标体内钢制材料的上层平台上，由此实现了方位数据的准确检测。另外，通过对外置方位传感器采集输出的准确方位数据以及adcp海流计采集输出的相对于自身坐标系的流速数据进行数据融合，以获取真实空间坐标系下的海流数据，从而解决了adcp海流计因其内置磁罗盘易受浮标体影响而导致方位检测不准确，继而无法获得准确的海流观测数据的问题。
[0085]
具体实例：
[0086]
在浮标上按照现有技术中的常规方式安装一个adcp海流计，如图2所示，并在海上连续运行近1年的时间。然后，在同一个浮标上按照本实施例所提出的改进方式布设一个adcp海流计和一个外置的方位传感器。
[0087]
在相同时间段内，分别采集按照常规方式安装的adcp流量计输出的海流观测数据以及按照本实施例所提出的观测方法计算得到的海流观测数据。经过2天观测，对比两种方法获得的海水剖面流速数据和流向数据，可以发现：
[0088]
采用常规方法和本实施例所提出的观测方法所得到的海水剖面流速数据的一致性较好，如图12、图13所示。其中，图12示出了采用常规方式安装的adcp流量计采集输出的前五层流速；图13示出了采用本实施例所提出的观测方法得到的海水剖面前五层流速数据。
[0089]
采用常规方法和本实施例所提出的观测方法所得到的海水剖面流向数据基本趋势一致，流向具有明显的正弦趋势，一天内有两次转流过程，符合被测海域当地半日潮流的特点，如图14、图15所示。其中，图14示出了采用常规方式安装的adcp流量计采集输出的前五层流向；图15示出了采用本实施例所提出的观测方法得到的海水剖面前五层流向数据。
[0090]
但是，采用本实施例所提出的观测方法观测出的半日潮来流和去流的流向差基本为180
°
，如图15所示，更加符合当地的潮流特性。而采用常规方法观测出的半日潮来流和去流的流向差基本为120
°
，如图14所示，存在较大的观测误差。由此便证明了本实施例所提出的观测方法的有效性。
[0091]
当然，以上所述仅是本发明的一种优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。