基于ADCP測流的方向譜估計(jì)技術(shù)研究.pdf

1、本文基于RD公司ADCP(聲學(xué)多普勒流流速剖面儀)和Nortek公司AWAC(聲學(xué)波浪流速剖面儀),研究基于ADCP測流的方向譜估計(jì)方法,并進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)處理的算法研究。針對(duì)現(xiàn)有RD公司的波浪處理軟件在波向估計(jì)算法,傾斜較大時(shí)傾斜修正門限,背景流較強(qiáng)時(shí)的背景流修正門限中出現(xiàn)的問題加以分析并進(jìn)行改進(jìn)。
　　ADCP的方向譜估計(jì)可以分解為高度譜估計(jì)和波向估計(jì)。其中高度譜可以分別利用ADCP波束速度值、ADCP測深值和ADCP上壓力數(shù)據(jù)來

2、估計(jì),ADCP波向估計(jì)有2種方法,波束方向測點(diǎn)組成陣列估計(jì)和波束中心點(diǎn)處的水質(zhì)點(diǎn)速度估計(jì),影響ADCP方向譜估計(jì)的因素主要有:波向估計(jì)算法、傾斜較大時(shí)的ADCP測點(diǎn)位置修正和背景流較強(qiáng)時(shí)的方向譜估計(jì)值修正,研究了船載ADCP的方向譜估計(jì)方法,通過本文理論研究為后續(xù)的實(shí)測數(shù)據(jù)處理的算法研究提供了理論支撐。
　　波向估計(jì)是通過含有互譜的方程求逆計(jì)算得到的,因?yàn)榍竽嬗?jì)算有很多種,所以波向估計(jì)算法不是唯一的。RD公司和Nortek公司使用

3、的波向估計(jì)算法是傅里葉級(jí)數(shù)算法(DFTM)和迭代的最大似然算法(IMLM),但主要使用IMLM。IMLM算法在實(shí)測數(shù)據(jù)估計(jì)中可分辨單向和雙向波浪,但無法抑制其他方向上噪聲帶來能量,本文針對(duì)IMLM算法的問題,引入了固定的方向分布模型,有效地解決了噪聲帶來能量分布,并將一種混合遺傳算法(HGA)應(yīng)用到模型參數(shù)求解中,HGA算法的參數(shù)估計(jì)性能好于遺傳算法(GA),表現(xiàn)在跳出局部最優(yōu)解和收斂更快。通過BBADCP(寬帶聲學(xué)多普勒流速剖面儀)和

4、NBADCP(窄帶聲學(xué)多普勒流速剖面儀)的仿真分析表明,HGA算法的估計(jì)性能好于IMLM算法,HGA算法的方向譜估計(jì)誤差更小。通過ADCP實(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)比分析,本文IMLM算法,HGA算法估計(jì)結(jié)果與RD、Nortek公司的軟件估計(jì)結(jié)果是一致的,證明了本文基于ADCP測流的方向譜估計(jì)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)是正確的;HGA算法、IMLM算法都能準(zhǔn)確地分析單向和雙向波浪,但HGA算法有效消除了實(shí)測數(shù)據(jù)中噪聲帶來能量分布,使得波向估計(jì)更加準(zhǔn)確。
　　

5、當(dāng)ADCP傾斜時(shí),ADCP的測點(diǎn)位置發(fā)生偏移,導(dǎo)致方向譜估計(jì)出現(xiàn)較大誤差,所以當(dāng)傾斜較大時(shí),首先要進(jìn)行測點(diǎn)位置的傾斜修正。RD公司并沒有給出測點(diǎn)位置修正方法,本文通過旋轉(zhuǎn)矩陣計(jì)算給出測點(diǎn)位置修正方法,RD公司在傾斜修正中建議當(dāng)姿態(tài)角大于10°進(jìn)行修正。本文仿真表明方向譜估計(jì)誤差不只跟姿態(tài)角有關(guān),同時(shí)跟ADCP安放深度有關(guān),并通過實(shí)測ADCP數(shù)據(jù)驗(yàn)證了本文仿真結(jié)論的正確性。針對(duì)RD公司的傾斜修正門限不考慮ADCP安放深度是不合理的,本文設(shè)

6、定了一種新的傾斜修正門限,ADCP實(shí)測數(shù)據(jù)是否進(jìn)行傾斜修正需要考慮數(shù)據(jù)的姿態(tài)角和安裝深度。當(dāng)傾斜帶來的有義波高估計(jì)誤差大于指定門限,需要進(jìn)行修正,有義波高估計(jì)誤差可以通過事先仿真得到,這樣使得傾斜修正判斷更加簡單。本文設(shè)定的新的傾斜修正門限相對(duì)于RD公司的門限更加準(zhǔn)確,保證了當(dāng)ADCP存在較大傾斜時(shí)的方向譜估計(jì)準(zhǔn)確性。
　　當(dāng)背景流較強(qiáng)時(shí),背景流會(huì)影響ADCP的方向譜估計(jì)準(zhǔn)確性,方向譜估計(jì)值要進(jìn)行背景流修正。RD公司的背景流修正方

7、法中涉及背景流幅值、背景流流向、波浪方向和水深,但RD公司的背景流修正門限只考慮背景流幅值,即0.75m/s,是明顯不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?例如當(dāng)背景流幅值為0.75m/s,背景流流向和波浪方向夾角為90°時(shí),ADCP方向譜估計(jì)值在背景流修正后沒有變化。針對(duì)RD公司傾斜門限并不精確,本文設(shè)定了一種新的背景流修正門限,ADCP實(shí)測數(shù)據(jù)是否進(jìn)行背景流修正同時(shí)考慮了背景流幅值、背景流流向、波浪方向和水深,本文設(shè)定當(dāng)背景流帶來的有義波高估計(jì)誤差大于指定門限時(shí)