基于ADCP測流的方向譜估計技術研究.pdf

1、本文基于RD公司ADCP(聲學多普勒流流速剖面儀)和Nortek公司AWAC(聲學波浪流速剖面儀),研究基于ADCP測流的方向譜估計方法,并進行相關數(shù)據(jù)處理的算法研究。針對現(xiàn)有RD公司的波浪處理軟件在波向估計算法,傾斜較大時傾斜修正門限,背景流較強時的背景流修正門限中出現(xiàn)的問題加以分析并進行改進。
　　ADCP的方向譜估計可以分解為高度譜估計和波向估計。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,ADCP波向估計有2種方法,波束方向測點組成陣列估計和波束中心點處的水質(zhì)點速度估計,影響ADCP方向譜估計的因素主要有:波向估計算法、傾斜較大時的ADCP測點位置修正和背景流較強時的方向譜估計值修正,研究了船載ADCP的方向譜估計方法,通過本文理論研究為后續(xù)的實測數(shù)據(jù)處理的算法研究提供了理論支撐。
　　波向估計是通過含有互譜的方程求逆計算得到的,因為求逆計算有很多種,所以波向估計算法不是唯一的。RD公司和Nortek公司使用

3、的波向估計算法是傅里葉級數(shù)算法(DFTM)和迭代的最大似然算法(IMLM),但主要使用IMLM。IMLM算法在實測數(shù)據(jù)估計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)應用到模型參數(shù)求解中,HGA算法的參數(shù)估計性能好于遺傳算法(GA),表現(xiàn)在跳出局部最優(yōu)解和收斂更快。通過BBADCP(寬帶聲學多普勒流速剖面儀)和

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

5、當ADCP傾斜時,ADCP的測點位置發(fā)生偏移,導致方向譜估計出現(xiàn)較大誤差,所以當傾斜較大時,首先要進行測點位置的傾斜修正。RD公司并沒有給出測點位置修正方法,本文通過旋轉(zhuǎn)矩陣計算給出測點位置修正方法,RD公司在傾斜修正中建議當姿態(tài)角大于10°進行修正。本文仿真表明方向譜估計誤差不只跟姿態(tài)角有關,同時跟ADCP安放深度有關,并通過實測ADCP數(shù)據(jù)驗證了本文仿真結論的正確性。針對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

6、定了一種新的傾斜修正門限,ADCP實測數(shù)據(jù)是否進行傾斜修正需要考慮數(shù)據(jù)的姿態(tài)角和安裝深度。當傾斜帶來的有義波高估計誤差大于指定門限,需要進行修正,有義波高估計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。本文設定的新的傾斜修正門限相對于RD公司的門限更加準確,保證了當ADCP存在較大傾斜時的方向譜估計準確性。
　　當背景流較強時,背景流會影響ADCP的方向譜估計準確性,方向譜估計值要進行背景流修正。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,是明顯不嚴謹?shù)?例如當背景流幅值為0.75m/s,背景流流向和波浪方向夾角為90°時,ADCP方向譜估計值在背景流修正后沒有變化。針對RD公司傾斜門限并不精確,本文設定了一種新的背景流修正門限,ADCP實測數(shù)據(jù)是否進行背景流修正同時考慮了背景流幅值、背景流流向、波浪方向和水深,本文設定當背景流帶來的有義波高估計誤差大于指定門限時