ADCP中剖面流速数据处理及误差控制

摘要

声学多普勒流速剖面仪（Acoustic Doppler Current Profiler，简称ADCP）是一种基于水声多普勒原理进行工作的测速声呐设备，在现代水文测验中得到越来越多的应用，对其技术的研究也日益受到人们的关注。在ADCP测量过程中，复杂的水流环境以及测验作业上的误差会给流速数据的质量带来严重影响，如何精确获得剖面流速和流量数据的研究便至关重要。因此本论文将对ADCP流速数据处理过程中遇到的各类误差源进行分析，通过选用和设计合理的算法修正各类误差，进而提高流速流量数据的精度和质量。具体的研究内容如下:
　　首先，对ADCP流速数据处理模块中的数据处理过程进行描述，给出了从多普勒频移数据到断面流量的完整处理流程，详细分析了处理过程中所需要的各种参数。
　　其次，分析了测流过程中对准确性和稳定性等造成影响的误差来源和因素。其中系统误差主要涉及声速计算引入的径向流速误差、载体摇摆引入的误差、ADCP换能器安装偏角引入的误差、盲区和旁瓣导致的顶层和底层流速流量误差;随机误差主要是外界辅助设备（温度传感器、压力传感器、姿态传感器、GPS等）本身的随机误差。详细探讨了各种误差对测流性能的影响。
　　然后，针对各种系统误差，选用和设计合理的修正算法，对其进行补偿，以降低误差对测流性能的影响。仿真实验结果表明，各修正算法有效减小了误差源引入的系统误差，使测流精度显著提高。在以上修正算法的基础上，进一步设计了一套适用于多种误差源的系统误差校准方案，并通过待传输流速数据平均处理降低了随机误差的影响。
　　最后，在以上研究的基础上，将剖面流速数据处理的全过程及其误差校准算法在系统开发板上进行了实时实现。重点阐述了温度传感器和姿态传感器的调试过程和软件设计流程。由于实验条件和项目进展的限制，部分验证了误差修正算法的有效性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 论文背景和意义

1．2 国内外ADCP研究概况

1．2．1 国外ADCP研究概况

1．2．2 国内ADCP研究概况

1．3 研究内容及论文结构

第二章 ADCP流速数据处理

2．1 ADCP流速数据处理的过程

2．2 多普勒测流公式

2．3 ADCP的换能器阵型结构

2．4 波束坐标系到仪器坐标系的转换

2．5 仪器坐标系到大地坐标系的转换

2．6 底跟踪算法计算船速与水深

2．7 断面流量计算

2．8 本章小结

第三章 ADCP流速数据处理中的误差来源及特性分析

3．1 径向流速的误差分析

3．1．1 径向流速误差公式

3．1．2 声速分析

3．2 波束倾斜误差分析

3．2．1 波束倾斜引入的误差

3．2．2 仿真实验与结果分析

3．3 姿态数据误差分析

3．3．1 误差传递公式

3．3．2 姿态测量误差

3．3．3 仿真实验与结果分析

3．4 流量误差分析

3．5 振幅误差和安装偏角误差分析

3．6 本章小结

第四章 ADCP数据处理中的误差修正

4．1 ADCP测量数据的预处理

4．1．1 粗大误差的判别和剔除

4．1．2 数据的内插

4．1．3 数据的平滑

4．1．4 仿真实验

4．2 ADCP中径向流速误差校准

4．2．1 校准原理

4．2．2 仿真实验

4．3 波束倾斜误差校准

4．3．1 校准原理

4．3．2 仿真实验

4．4 表层及底层盲区流速插补建模

4．4．1 非实测区分析

4．4．2 实测区流量计算

4．4．3 流速插补基本原理

4．4．4 仿真实验与结果分析

4．5 ADCP流速数据处理系统总体修正方案

4．6 本章小结

第五章 ADCP流速数据处理软件设计及硬件调试

5．1 系统的软件设计

5．1．1 DSP端软件设计

5．1．2 ARM端软件设计

5．1．3 PC端软件设计

5．2 系统的硬件调试

5．2．1 温度传感器调试

5．2．2 姿态传感器调试

5．3 实验

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 研究总结

6．2 研究展望

致谢

参考文献