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ADP和S4海流计测量结果比较分析

2014/11/13 21:41:44  来源:计测网通讯员 
字号: 13号字 16号字

屈新岳于露宋蕾李卿
(91550部队230所,大连,116023)

    摘要:声学多普勒海流剖面仪(以下简称ADP)和S4海流计是靶场水文测量的重要设备。根据某型试验任务水文测量的实际,简要介绍设备工作原理和测量方法,通过流速测量结果,验证了两型设备的测流性能,并从设备载体、安装条件等方面分析了造成测量误差的原因。
    关键词:海流剖面仪:海流计;测量

    海洋流场的实时监测是海洋学研究、水下工程、航海以及海洋军事活动的重要内容。测流设备种类繁多,按照工作原理的不同可以分为机械式海流计、压力式海流计、电磁式海流计以及声学海流计等。如何正确使用不同类型的海流计并获得可靠的流场信息一直是海洋水文专业人员关心的问题。根据测量设备所在载体的运动状态,流速测量可以分为定点式测量和走航式测量。靶场的特点和条件决定了定点式测量的必然性和实用性。所谓定点式测量就是载体处于静止状态、锚系状态或可忽略速度影响的低漂泊状态。当前我所使用ADP和S4海流计分别由挪威NORTEK AS公司和美国INTER OCEAM公司研制生产,ADP用来测量流速和流向,S4海流计具有流速流向、浪高、温、盐、密等测量功能。分析海洋水文测量数据,除了测量设备的精度有关外,还涉及到海洋气象、载体状况、安装位置、测量条件、资料匹配等各个环节。因此,测量结果的收集整理和比较分析显得尤为重要。

1 测量设备简介

     ADP是利用“多普勒效应”工作的声学海流剖面仪。它通过测定声波经水中微颗粒后向散射的多普勒频移来测量流速和流向。通过一次发射,可以测量一个垂直剖面内不同深度的流速和流向,其测量结果为具有一定厚度流层的流速和流向的均值。工作时,将其固定于载体上并施放到一定深度水中,根据数据量需求确定测量时间的长短,实时或事后得到测量由表及里的整个剖面数据。一般情况下,该设备需在船锚系或低漂泊状态下进行。而S4海流计是一种人工磁场电磁自容式海流计,它以电极间的海水做导体,通过固定在传感器上的电极来测量。工作时,将其与铅鱼捆绑施放到一定深度水中,这样可以尽可能减小海水漂浮力带来的影响。在非人为情况下,它仅能测量施放深度处的单层水文参数,测量同样也在船锚系或低漂泊状态下进行。
    2  海上测量方法
    2.1 设备工作位置及安装
    根据试验任务安排,测量设备载体为约400 t、吃水深度为2.8 m的船。测量时上述两型设备的工作位置如图1所示。

设备标校和设置是测量前的首要工作。施放前,将ADP安装在钢管支架上,施放后钢管支架固定在船的右弦中部。ADP入水深度约为3 m,三个换能器波束与垂线夹角分别为30°,通过电缆与船上终端连接,可实时存储或事后下载所获取的测量信息。S4海流计的安装使用方法可视情而定。一般情况下仅安装一台并固定在船右弦中部的已知深度,以海水的温、盐、密及浪高测量为主,以一层流速流向测量为辅。也可以布放另一台以实现多层流速流向和温、盐、密、浪高测量。不论是单台还是多台测量都得用绳子将它们和铅鱼同时施放。测量结束后,将其提升并下载信息。
     2.2  设备设置与数据采集
     本次任务ADP主要完成不同层的流速流向测量功能。其频率设置为500 kHz,测量方向向下,采样时间和周期为60 s,层数30,层厚2 m,盲区1 m。S4海流计主要完成水温和浪高测量功能,辅助完成单层流速流向测量。其参数设置为:频率设置2 Hz,采样时间1 min,周期2 min。

     3 测量结果与分析
     3.1 测量结果
    本次测量共进行了6次11个测量点的数据录取。图2~图4给出了同地点同时间ADP和S4海流计的测量数据,一次ADP多层测量数据和一次S4海流计的单层测量数据。测量1 9月3日08:40~09:40,测量船在位置一抛锚,ADP程序设置2~50 m层,S4海流计人为施放绳子约20 m层。图2为两型设备在相同时间内20 m层流速随时间变化曲线。(实线为S4海流计,虚线为ADP)。

测量2 9月15日14:20~15:10,测量船在位置二抛锚,ADP按程序设置2~50 m层,每分钟采样一组数据。图3为ADP分别在10 m、20 m、40 m和50 m同一时间不同流层流速随时间变化曲线。

测量3 9月9日08:40~09:30,测量船在位置三抛锚,S4海流计按程序设置,无层数功能,人为施放绳子6 m并固定,每秒采样一组数据。图4为S4在6 m层流速随时间变化曲线。

    3.2 结果分析
    根据海洋学中浅海陆架海流系统中的论述,流速均随离岸线距离的增加而加大,并在某一距离上达到最大值。参考近岸流速分布数据,结合测量点距岸线的最短距离且考虑设备安装条件和船体前后左右移动和摇摆因素,一般海况条件下流速范围为17~80 cm/s,恶劣海况条件下可超过80 cm/s。从以上3次数据来看,ADP和S4海流计处于20 m层时测量结果具有较好的一致性,但S4海流计获取的流速值大于ADP约15~25 cm/s。ADP在10 m、20 m、40 m和50 m不同流层流速的层次明显,体现了不同层深幅度变化的规律和各层流随时间变化的平缓趋势。S4海流计随时间的走向呈上升态势。由于上述三个典型测量并不是在同一天进行,除了海况的影响外,还从下面几个方面来分析所得测量结果的误差。
    3.2.1  ADP和S4海流计在20 m层流速比较分析
   (1)ADP的条件误差
    尽管ADP在理论上有较高测量精度,但它依附于其载体(船)。由于ADP探头与船体的刚性连接,当船体受到风浪影响而产生随机摆动时,ADP探头的参考坐标也将会发生起伏变化,进而使流速测量的精度大为降低。据计算,当风浪引起船5°的角变化时,所产生的相对误差约±15%。这是设备载体所带来条件误差。这种误差目前仍不具备修正手段。
   (2)流层厚度不同
    S4海流计测量是人为施放至某个深度上的单层流速,其取值可能是层表面,也可能是层底面。而ADP测量是某个深度上具有一个层厚的流速平均值,况且还有盲区间隔。由于两种设备的层厚不同,从而会产生两者测量结果有差异。
    (3)设备放置方式不同
    由于ADP是用钢架固定在一定深度的水下,具有一定的钢性。而S4海流计是用绳子和铅鱼施放,无深度指示,只能以绳子的长度作为基准。在流的影响下,绳子有一定的倾角,深度越深,倾角越大,实际深度变小,实测流速值随之增加。这是两者之间产生误差的原因之二。
    (4)参照物不同
    对于S4海流计,工作在水下时,虽然下挂铅鱼,但必定受流的作用而漂浮不定,相对流速是以设备为参照物的;而ADP固定在船上,是以近似不动的船作为参照物,这是两者之间产生误差的原因之三。
    3.2.2  ADP在不同流层上的流速比较分析
    根据海洋学相关理论,风海流的速度和方向随深度而变化。其流速随着深度的增加而减小。由于ADP是钢性固定在船上,无论获取任何层的数据,其条件误差是等同的。因此,从图3的看出,各层的曲线走向基本相似。从流速的幅度上看,各测量值基本在85 cm/s流速范围内,符合流场分布规律。从层与层的关系上看,水层越深,流速越小,水层越浅,流速越大,也符合风海流铅直分布理论。以往多次多点测量中也验证了这规律。当然,产生海流的原因有多种,除了风海流以外,诸如漂流、密度流、潮流等。因此,特殊情况下出现的层与层之间测量数据相互重叠或交错也符合海洋学对海流的定义。所以说,除了3.2.1(1)中所叙述的ADP的条件误差以外,其工作性能稳定,所测量数据具有良好的实用性。
    3.2.3  S4海流计6 m层流速随时间变化分析
    测量结果表明:一是在同层流速随时间变化呈上升势态,它不符合短时间内的流速平缓规律;二是在一般海况的有限测量时间内,所有流速自始至终都超出已知范围。产生这些反常现象的原因可用3.2.1中的(2)(3)(4)来解释。因此,其数据只能起到参考的作用。上述的测量数据并不代表测量数据的全部,但总体上讲ADP和S4海流计所测量数据在质量上都存在不可预见的误差因素,部分测量数据与理论上
近岸流速分布和铅直层流分布规律还难以吻合。但可以肯定:(1)两型设备的工作性能是可靠地;(2)从流速测量而言,ADP优于S4海流计;(3)减小
船体前后移动和左右摆动,消除船身产生的涡流对测流影响,消除船磁影响和改进设备施放方式是提高测量数据精度的重要措施。
   4 结束语
由于目前不具备对设备进行室内实验的条件,而海上测量又受到诸多因素的影响(如船的姿态、海洋气象等),因而确定设备本身的性能有一定的难度。经多次测量试验证明,如果能排除一些误差因素,所获得的测量数据精度要比上述结果好得多。海洋水文测量技术是一项复杂的系统工程。如何对异常测量数据进行判别和处理,仍将是数据质量审查和质量控制中的重要研究课题。
参考文献:
[1]国家海洋局.应用海洋学基础[M].北京:海洋出版社,1998.
[2]刘伯胜,雷家煜.水声学原理[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,1993.

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