声学多普勒速度仪安装误差校准方法

•手持式声学多普勒流速仪操作手册流速跟踪者手持式ADV 操作手册首先感谢您的购买。

我们相信你会发现该仪器作用大、精度高、性能可靠，而且使用方便。

如果你有问题或需要注释，请与我们联系。

1）建议阅读●我们建议阅读有关该仪器的运行原理。

它将提供关于原理、使用和数据分析的十分有价值的背景资料。

●如果需要关于该仪器的硬件及软件的具体资料，请查阅该仪器的操作手册。

●看该仪器操作手册的第3 部分以便获得更多的提示。

2）快速开始●打开仪器后盖将电池装入。

●按on/off 键1 秒钟开机，按住4 秒钟关机。

●从主菜单按1 可进入参数设置菜单。

o 按Enter 键可以进行多屏的功能显示转换。

o 用菜单中的条款可以改变影响数据收集的参数。

●在主菜单里按2 可以进入系统功能菜单。

o 按Enter 键可以进行多屏的功能显示转换。

o 用菜单中的条款可以进入该仪器的诊断程序。

●收集试验数据的设置。

o 从参数设置菜单中选择数据收集的方式（普通/流量）。

2o 从主菜单按3 开始数据收集。

o 随着屏幕的快速显示，用Next Station 键和Prev.Station 键，选择测量地点，用Set 键设置各种参数。

o 看仪器操作手册第4.5 部分，描写了普通测量和流量测量的过程。

3）计算机软件的安装●软件用于从仪器下载文件，给ASCⅡ文本数据文件，并且可以执行系统诊断。

●将仪器的软件CD 放入计算机光驱。

●放入后，计算机将自动显示一个安装菜单。

o 如果放入后几秒安装窗口没有出现，键入Start|Run 并且输入d:/install.exe.这里的d 指的是计算机的光驱。

●在菜单中，按FlowTracker Software Instalation 键。

●随屏幕上的安装指令操作。

●看仪器操作手册第6.1 部分可以获得详细的介绍。

4）从仪器下载数据文件●用电源/通讯电缆线连接流速仪和计算机。

●用Start|Programs|SonTek Software|FlowTracker 开始运行仪器软件.●用SonRecW 运行数据下载软件。

声学多普勒流速剖面仪1 范围本标准规定了声学多普勒流速剖面仪产品的类型和组成、要求、试验方法、检验规则，以及标志、包装、运输、贮存。

本标准适用于声学多普勒流速剖面仪（简称流速剖面仪）的设计、生产和使用。

2 规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。

其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。

GB/T2828.1-2012 计数抽样检验程序第1部分：按接收质量限(AQL)检索的逐批检验抽样计划GB/T 10250-2007 船舶电气与电子设备的电磁兼容性GB/T 13972-2010 海洋水文仪器通用技术条件GB 18523-2001水文仪器安全要求GB/T 32065.2-2015 海洋仪器环境试验方法第2部分：低温试验GB/T 32065.3-2015 海洋仪器环境试验方法第3部分：低温贮存试验GB/T 32065.4-2015 海洋仪器环境试验方法第4部分：高温试验GB/T 32065.5-2015 海洋仪器环境试验方法第5部分：高温贮存试验GB/T 32065.6-2015 海洋仪器环境试验方法第6部分：恒定湿热试验GB/T 32065.11-2021 海洋仪器环境试验方法第11部分：冲击与碰撞试验GB/T 32065.14-2019 海洋仪器环境试验方法第14部分:振动试验GB/T 32065.15-2019 海洋仪器环境试验方法第15部分:水压试验HY/T 042-2015海洋仪器设备分类、代码与型号命名JJG 763-2019温盐深测量仪检定规程3 术语和定义下列术语和定义适用于本文件。

3.1声学多普勒速剖面仪 acoustic doppler current profiler利用声学多普勒原理，测量分层水介质散射信号的频移信息，并利用失量合成方法获取海流垂直剖面水流速度的水声仪器。

[优质文档]《声学多普勒流速仪测流标准》20060304 ICS 17.120P 12SL中华人民共和国水利行业标准SL337—2006声学多普勒流量测验规范 Code for discharge measurement of acoustic Doppler current2006-04-24发布 2006-07-01实施中华人民共和国水利部发布中华人民共和国水利部关于发布《声学多普勒流量测验规范》SL377—2006的通知水国科〔2006〕×××号部直属单位，各省、自治区、直辖市水利(水务)厅(局)，各计划单列市水利(水务局)，新疆生产建设兵团水利局:经审查，批准《声学多普勒流量测验规范》为水利行业标准，并予以发布。

标准编号为SL ×××—2006。

本标准自2006年×月×日起实施。

标准文本由中国水利水电出版社出版发行。

二,,六年××月××日前言根据水利部水利水电技术标准制定计划，按照《水利技术标准编写规定》(SL1—2002)的要求，编制了《声学多普勒流量测验规范》(SL×××—2006)。

《声学多普勒流量测验规范》共7章79条和4个附录，主要技术内容有: ——声学多普勒流量测验要求;——声学多普勒流速仪安装方法;——走航式声学多普勒流量测验方法及规定;——定点式声学多普勒流量测验方法及规定;——流量测验误差分析及精度控制;——仪器检查与保养规定。

本标准为全文推荐。

本标准批准部门:中华人民共和国水利部本标准主持机构:水利部水文局本标准解释单位:水利部水文局本标准主编单位:水利部长江水利委员会水文局本标准参编单位:水利部黄河水利委员会水文局水利部珠江水利委员会水文局广东省水文水资源勘测局本标准出版、发行单位:中国水利水电出版社本标准主要起草人: 刘东生金兴平朱晓原周凤珍魏进春李平叶德旭蒋建平胡国栋高键田淳姚章明郑道贤王志毅黄双喜张留柱原金勇宋政峰田水利本标准审查会议技术负责人:姚永熙本标准体例格式审查人:曹阳目次1 总则 ..................12 声学多普勒流量测验总体要求 .2 2.1 走航式流量测验的一般要求 ...... 2 2.2 定点式流量测验的一般要求 ...... 3 2.3 操作的一般要求 ................ 4 3 声学多普勒流速仪的安装 .....6 3.1 走航式声学多普勒流速仪的安装 .. 6 3.2 定点式声学多普勒流速仪的安装 .. 7 4 走航式声学多普勒流量测验 ...8 4.1 准备工作 ...................... 8 4.2 现场操作 ...................... 8 4.3 流量测验 (11)4.4 流速流向测验 ................. 11 4.5 流量测验文件编制和存档 .......12 5 定点声学多普勒流速仪流量测验15 5.1 船测多线法流量测验 ...........15 5.2 垂向代表线和横向流量测验 ..... 15 6 流量测验误差来源及精度控制 17 6.1 声学多普勒流速仪流量测验误差来源17 6.2 声学多普勒流速仪流量测验精度要求18 7 声学多普勒流速仪检查与保养 21 附录A 声学多普勒流速仪专用名词23 附录B 测验成果记载表格式 ....25 附录C 走航式声学多普勒单次流量计算方法32 附录D 声学多普勒流量测验比测分析报告编写要求36标准用词说明 .................39 条文说明 . (41)1 总则 1.0.1 为统一声学多普勒流量测验与分析计算等方面的技术要求，规范其在水文资料收集中的应用，保证测验成果精度，满足水文资料整编要求，特制定本标准。

声学多普勒速度仪安装误差校准方法曹忠义;郑翠娥;张殿伦【摘要】在安装使用声学多普勒速度仪前,准确估计声学基阵与载体间的安装偏角是影响速度仪输出精度的关键问题,针对该问题,提出了一种任意航迹下的航迹校准法.该方法基于最小二乘算法,通过姿态补偿建立GPS轨迹与速度仪航迹间的观测方程,实现安装误差的精确校准.通过仿真实验分析了航迹偏差、测量设备精度以及横纵摇安装偏角对安装误差校准性能的影响.最后进行了海试试验,并将航迹校准法与平均速度法进行了比较.试验结果表明:在任意航迹下,航迹校准法的校准精度能够达到0.05°,降低了校准试验条件要求；实现单航次校准成功,提高了校准效率.【期刊名称】《哈尔滨工程大学学报》【年(卷),期】2013(034)004【总页数】6页(P434-439)【关键词】声学多普勒速度仪;安装误差校准;安装偏角;航迹校准法;最小二乘算法【作者】曹忠义;郑翠娥;张殿伦【作者单位】哈尔滨工程大学水声技术国家级重点实验室,黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工程大学水声技术国家级重点实验室,黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工程大学水声技术国家级重点实验室,黑龙江哈尔滨150001【正文语种】中文【中图分类】TN911.7声学多普勒速度仪利用多普勒效应测量载体的绝对或相对速度，作为一种海洋观测仪器，在海洋研究与开发等领域发挥着重要作用.然而在基阵安装时，由于安装误差的存在而无法保证基阵轴与载体艏艉线一致，会造成测速误差.例如，若安装误差为2°，直线航行带来的相对测速误差约为0.06%，但在转弯时(横轴10 kn，纵轴5 kn情况下)带来的测速误差达到了6.9%，因此必须对该误差进行修正.多普勒速度仪声学基阵安装误差校准方法主要有精密无线电导航定位法、水下声呐定标法、平均速度校准法等［1-13］，综合考虑校准方法的复杂性和实际效果，平均速度校准法应用比较广泛.文献［4-5］对平均速度校准法进行了初步研究，在忽略横纵摇角情况下给出安装偏角校准公式，其校准精度为0.2°;文献［6］进一步完善了校准公式，并分析了横纵摇角对测速的影响;文献［7］利用最小二乘法，通过建立速度仪平均速度与GPS平均速度间的观测方程，实现安装误差偏角的校准.但以上研究存在2点不足:1)要求校准过程中试验船的航行姿态保持不变;2)为降低GPS定位误差影响，要求试验场水域面积足够大以进行长距离直线航行.而实际校准过程受载体本身、海况等因素影响，以上2个条件很难保证，往往需要进行多次校准以获得较为准确的校准结果，降低了校准效率.为进一步提高校准精度和校准效率，本文提出了一种基于最小二乘法的改进校准算法，采用高精度GPS和姿态装置，建立GPS轨迹与多普勒速度仪推算航迹间的观测方程，实现任意航迹、任意航速下的安装误差校准，降低了试验条件限制要求，仿真与试验结果验证了校准算法的有效性.1 校准方法校准涉及到的3个笛卡儿坐标系，如图1所示，其中:X'、Y'为基阵坐标系(OX轴与基阵的前后波束轴方向相同);X、Y为船坐标系(OX轴代表船-艏艉线方向);N、E轴为大地坐标系(ON轴指向正北方向).γ为船载航姿仪测量的航向，α为声学基阵的安装误差偏角.图1 各坐标系的关系示意Fig.1 Schematic diagram of the relationship among different coordinates1.1 平均速度校准法设载体按预定航线OB匀速航行，受海流影响其实际航迹为OC，测线点A1，A2，…，Ai为测线起点，测线点C1，C2，…，Ci为测线终点，如图2所示，分别记录各点的GPS位置、姿态、速度仪和时间等信息.根据式(1)计算出各测线的αi值［4-6］，取其平均值作为声学基阵安装偏角.式中:vxi'、vyi'分别为 A1C1、A2C2、…AiCi区间的 GPS北向平均速度、东向平均速度;vxi、vyi分别为 A1C1、A2C2、…AiCi区间的速度仪声学基阵坐标系下的艏向平均速度和侧向平均速度;κ、φ分别为 A1C1、A2C2、…AiCi区间船载航姿仪的纵摇平均角度、横摇平均角度.图2 平均速度校准法测线示意Fig.2 Schematic diagram of the survey line in average velocity calibrating method1.2 航迹校准法载体的GPS实时测得的大地坐标为PG=(XG，YG，ZG)T，多普勒速度仪实时测得基阵坐标系下的速度为 VD=(vx，vy，vz)T，基阵中心与 GPS 天线中心的位置偏差为d=(△x，△y，△z)T.根据 GPS输出的位置信息并结合接收天线中心与声学基阵中心之间的位置偏差d，可知第i时刻声学基阵中心的坐标为式中:PG(i)为第时刻GPS输出的位置信息，RU(i)为第i时刻大地坐标系到载体坐标系的旋转矩阵:最小二乘算法中的估计算法函数为式中:k为速度仪的比例因子，RO为航偏角误差旋转矩阵:对式(3)展开整理得到f(α，i)中参数α的显式形式:而最小二乘法的目的是找到参数α使f(α，i)接近于测量值r(i)，二者之间的差值反映了参数α选择的不准确性，差值△β表示为设系数矩阵，估计参数向量X=(cos α，sin α，1)T，得到残余误差为为获取最小的残余误差，由最小二乘准则有式中:P为加权矩阵，因此可以求出安装偏角α的三角函数最优解.2 校准性能影响因素仿真实验2.1 航迹偏差对校准性能的影响在校准过程中，实际航线常偏离预设航线，本文首先分析航迹偏离对校准性能的影响.设载体按照半正弦航迹运动，如图3所示.图4为取测线长度为1 km时的最大航迹偏离值与安装偏角校准结果关系曲线，可以看出平均速度法校准结果受航迹偏离影响较大，校准结果随着偏离幅值的增加而逐渐偏离真实值，反映出了该校准方法的不足;而航迹校准法校准结果与航迹无关，能够在任意航迹下实现安装误差校准.图3 仿真航行轨迹示意Fig.3 Schematic diagram of the simulating trajectory图4 航迹偏差对校准性能的影响Fig.4 Impact on the calibrating performance caused by track deviation2.2 测量设备对校准性能的影响由安装误差校准过程可以看出，安装误差估计精度受GPS定位精度、姿态传感器精度、速度仪测速精度以及位置偏差测量精度等因素有关，本文采用蒙特卡洛统计方法仿真分析各测量误差对安装偏角α校准精度的影响，仿真条件如下:1)载体水平方向以10 kn速度航行，垂直方向速度服从vz(i)=0.1sin(2πi/20)kn正弦规律变化，航程5 km;载体的三维姿态起伏均服从N(0°，0.2°)的高斯分布; 2)安装偏角α=3°.图5给出了GPS、航姿仪、速度仪及位置等测量精度对α校准精度的影响，可以看出:1)校准精度与测量设备精度成正比例关系，2)速度仪测速精度对校准精度的影响是其他测量设备的10倍，因此安装偏角α的校准精度主要由被校准速度仪的自身精度决定.目前，高精度GPS能够提供厘米级定位精度，高精度航姿仪能够提供航向0.05°和横摇0.01°的姿态精度，而高精度速度仪也已能够提供厘米级测速精度［14-15］，因此本文提出的航迹校准法能够满足高精度海洋观测等领域对α校准精度的要求.图5 测量设备精度对校准精度的影响Fig.5 Impact on the calibrating precision caused by measuring equipment accuracy2.3 横纵摇安装偏角对校准性能的影响图6 偏角β和γ对校准性能的影响Fig.6 Impact on the calibrating performance caused by misalignment angle β and γ安装过程中除了存在航向安装偏角α，还要考虑横摇偏角β和纵摇偏角γ，由于速度仪的垂向速度是零均值的小变化量，对β和γ的校准效果并不理想，但β和γ偏角对测速结果影响较小，所以人们更关心安装偏角α的校准问题.仿真条件:假设不存在测量误差，安装偏角α=8°，图6给出了β和γ对α校准性能的影响关系曲线，可以看出:在β、γ＜3°时，α 的最大校准误差不超过0.05°，该误差能够满足工程实际需求.通常经过精确安装，β、γ可以控制在1°以内，因此可以忽略其对α校准的影响.3 外场试验验证3.1 试验场景及设备安装为验证航迹校准算法的实际性能，作者在渤海进行了海上试验验证.试验船吃水2 m，最大航速20 kn;试验设备:试验选用哈尔滨工程大学研制的HEU300型宽带多普勒速度仪，测速精度0.4% ±2 mm;选用Trimble公司生产的DSM232天线接收机进行试验船航迹测量，工作在海域差分模式;选用IXSEA公司生产的Octans200高精度姿态仪可以提供航向0.1°、纵横摇0.01°的姿态精度;声学基阵安装在船底安装井中，安装偏角固定不变;GPS天线架设在基阵上方的甲板平面上(安装示意图如图7).图7 设备安装示意Fig.7 Schematic diagram of the equipment installation 3.2 试验结果与分析3.2.1 直线航行校准试验1:试验船以固定航向行驶(航向角为213°±0.5°)，其航迹称为测线1，测线长度 4.5 km.图8是测线1的航迹校准法和平均速度法校准性能对比曲线，航迹校准和平均速度校准的最终校准结果分别为8.369 1°、8.372 7°.由图 8 可以看出:1)2种校准方法校准结果均比较理想，GPS航迹与校准后航迹重合度较好，但平均速度校准法需要长距离航行来降低GPS单次定位误差对平均速度估计的影响;2)未经校准补偿的航迹随着航线长度的增加而按照某固定角度偏离实际航线，该角度即是速度仪与试验船之间的安装偏角α，2条航迹之间存在一个安装偏角旋转变换.因此安装误差校准是有必要的，校准后能够明显改善速度仪输出数据质量.图9是2种校准方法的实时导航误差曲线，图中各向实时导航误差均不大于17 m，这也进一步证明了校准结果的正确性.图9中出现导航误差不稳定现象，这是由于此次试验采用的GPS存在单次定位误差较大所致，若采用更高精度的GPS即可改善校准结果.图8 测线1校准前/后轨迹对比Fig.8 Trajectory comparison of before and after calibration for survey line 1图9 测线1导航误差Fig.9 Navigation error of survey line 1图10 测线1校准结果Fig.10 Calibration result of survey line 1图10是测线1的航迹校准法和平均速度法实时校准结果曲线，可以看出:1)平均速度法的校准结果随时间变化起伏，最大起伏幅度约为0.3°，这说明该方法校准不稳定;2)平均速度法在直线航行校准情况下仍需要长距离航行以降低GPS定位精度影响，且需要多次校准取平均值，其校准效率低、精度稍差;3)航迹校准法校准结果稳定，400 s后即可获得较准确的校准结果.3.2.2 曲线航行校准试验2:试验船航向不定，其航迹称为测线2，测线长度3.5 km.图11是测线2的航迹校准法和平均速度法校准性能对比曲线，航迹校准和平均速度校准的最终校准结果分别为8.094 1°、54.063 5°.由图11 可以看出:航向变化会严重影响平均速度法的校准结果，甚至出现校准错误;而航迹校准法未受到航向变化影响.图11 测线2校准前\后轨迹对比Fig.11 Trajectory comparison of before and after calibration for survey line 2图12是2种校准方法随航行时间变化的实时导航误差曲线，可以看出:在400～600 s区间，航迹校准法的导航误差出现波动，这是由于位置偏差d的测量误差较大所致，但在整个航程中，其航迹与GPS航迹间误差是最小的，仍然能够得到较理想的安装误差估计结果.图12 测线2导航误差Fig.12 Navigation error of survey line 2图13是测线2的航迹校准法和平均速度法实时校准结果曲线，可以看出:在0～300 s间的直线航行段，平均速度法能够给出正确的校准结果，但随着航向角的变化，出现校准错误，其校准结果远远偏离真实偏角，受航向变化影响严重;而航迹校准法在整个航程均能得到较为理想的校准结果，受航向变化影响很小，这是该方法的最大优点.图13 测线2校准结果Fig.13 Calibration result of survey line 23.2.3 其他航线校准性能表1给出了其他几组航向变化测线情况下校准结果，航程为4～5 km.从表1中同样可以看出在航迹不理想情况下，航迹校准法校准效果明显优于平均速度法航迹校准法，前者校准结果波动较小，能够反映真实安装偏角，进一步证明了该校准算法的有效性.表1 其他测线校准结果及终点坐标偏差Table 1 Calibrating results and endpoint coordinates deviation of other survey lines注:ΔE和ΔN分别为校准后航迹终点的东向和北向坐标与GPS坐标之间的距离.测线校准方法α/(°)ΔE/mΔN /m曲线1 航迹校准法8.294 1 9.2 -8.6平均速度法14.063 5 -71.7 -2.9曲线2 航迹校准法8.283 8 12.7 16.9平均速度法2.443 7 64.1 -3.0直线1 航迹校准法8.3191 -13.4 -3.3平均速度法8.3027 -13.3 -3.63.2.4 航迹校准法校准精度试验3:试验船航向不定，测线长度约230 km，航速约为10 m/s，称为测线3.按照不同航程将测线3划分为不同数据段，相邻2个数据段重叠1/3倍航程，为了降低GPS定位误差的影响并保证统计样本数量，取最大数据段长20 km，其航行轨迹如图14，统计得到航迹校准法的校准精度结果如图15.可以看出校准精度与校准测线长度成正比，在20 km航程时校准精度为0.05°，因此实际校准过程中，应尽量增加测线长度以获得更高的校准精度.图14 测线3轨迹Fig.14 Trajectory of survey line 3图15 测线3校准精度Fig.15 Calibrating precision of survey line 34 结论本文针对声学基阵安装误差的校准问题进行了分析讨论，提出了一种航迹校准法，对影响其校准性能的各种因素进行了仿真分析，并与平均速度法的校准性能进行了对比，得出结论如下:1)航迹校准法受测量设备精度的影响较小，α校准精度主要取决于被校准速度仪的自身精度;在β和γ偏角不超过3°的情况下，对α的校准影响可以忽略.2)航迹校准法的最大优点是校准结果与实际航迹线无关，能够实现任意航迹下的安装误差校准，提高了校准效率、降低了校准试验条件要求.3)校准精度与测线长度成正比，在20 km测线情况下的校准精度达到0.05°.本文的研究是在二维平面进行的，声学基阵在三维条件下的高精度校准较为复杂，这将是今后的研究重点.参考文献:【相关文献】［1］ISHII H，MICHIDA Y.Effects of ship＇s velocity determined from GPS data on current velocity measured by shipmounted ADCP［J］.Report of Hydrographic and Oceanographic Researches，2006(42):89-100.［2］SNYDER J.Doppler velocity log(DVL)navigation for observation-class ROVs［C］//OCEANS 2010 IEEE.Sydney，2010:1-9.［3］吴胜权，刘永志.水下运动目标的测速技术研究［J］.测试技术学报，2002(16):322-326.WU Shengquan，LIU Yongzhi.Technology research for measuring the speed of underwater moving target［J］.Journal of Test and Measurement Technology，2002(16):322-326.［4］TERRENCE M.On in situ“calibration”of shipboard ADCPs［J］.Atmospheric and Oceanic Technology，1989，29(2):169-172.［5］POLLARD R，READ J.A method for calibration shipmounted acoustic Doppler profiler and the limitation of gyro compasses［J］.Journal of Atmospheric and Oceanic Technology，1989，6(6):859-865.［6］ALDERSON S G，CUNNINGHAM S A.Velocity errors in acoustic Doppler current profiler measurements due to platform attitude variations and their effect on volume transport estimates［J］.Journal of Atmospheric and Oceanic Technology，1999，16(1):96-106.［7］刘德铸，郑翠娥，张殿伦，等.传感器安装误差在声学多普勒计程仪中的校准［J］.传感器与微系统，2009，28(11):71-73.LIU Dezhu，ZHENG Cuie，ZHANG Dianlun，et al.Calibration of transducer＇s installation error for acoustic Doppler velocity log［J］.Transducer and Microsystem Technologies，2009，28(11):71-73.［8］OSIN＇SKI R.The misalignment angle in vessel-mounted ADCP ［J］.Oceanologia，2000，42(3):385-394.［9］JI Daxiong，LIU Jian，LIU Kaizhou.Log sensor calibration using m-estimate［C］//OCEANS 2010 IEEE.Sydney，2010:1-3.［10］TRUMP C L，MARMORINO G O.Calibrating a gyrocompass using ADCP and DGPS data［J］.Journal of Atmospheric and Oceanic Technology，1997，14(1):211-214.［11］OBERG K.In search of easy-to-use methods for calibrating ADCP＇s for velocity and discharge measurements ［J］.American Society of Civil Engineers，2002，4:1-11. ［12］TRUMP C L.Calibration of ADCP alignment offsets using single-beam velocity and depth data［J］.Journal of Atmosphere and Ocean Technology，1997，14(5):1252-1255. ［13］YUAN Lei，WU Hansong .Simulation and design of fuzzy sliding-mode controller for ship heading-tracking［J］.Journal of Marine Science and Application，2011，10(1):76-81.［14］DOISY Y.Theoretical accuracy of Doppler navigation sonars and acoustic Doppler current profilers［J］.Journal of Oceanic Engineering，2004，29(2):430-441.［15］FONG D A.Evaluation of the accuracy of a ship-mounted，bottom-tracking ADCPin a near-shore coastal flow ［J］.Journal of Atmospheric and Oceanic Technology，2004，21(7):1121-1128.。

声学多普勒ADCP海上测试及误差来源分析作者：汪连贺来源：《航海》2016年第05期摘要：本文主要介绍流速流向数据采集方式以及声学多普勒流速剖面仪ADCP工作原理，介绍了对新购置的ADCP性能以及海上验收情况，对采集数据的误差和异常情况进行了分析，在此基础上对ADCP的应用提出了指导性意见。

关键字：声学多普勒ADCP 罗经校准走航测量潮流观测0引言从养殖捕捞、防灾减灾到能源开发，凡与海洋有关的事务均需海洋环境要素的观测和相关的数据。

海洋潮流流向、流速尤其是航道演变、维护改造、船舶航行安全的重要参考依据。

潮流流速、流向传统测量一般采用浮标观测法，该方法就是在浮标漂浮在海面，海面以下2米左右连接以悬浮物，保证该物体随海流漂移。

在测量时，根据适当的流程每隔一段时间测量出浮标的一个平均位置，测量完成后，在图纸上标出测量点并按顺序连接，根据测量点的时间和之间的距离计算出两点间的平均速度，标注到图上，即可得到流速流向图。

该测量方法测量精度低、劳动强度大，而且受到通视、天气的影响，对于长距离的测量需要大量的人力和设备投入。

ADCP（AcousticDoppler Current Profiler，声学多普勒流速剖面仪），利用声学多普勒原理，测量分层水介质散射信号的频移信息，并利用矢量合成方法获取海流垂直剖面水流速度，即水流的垂直剖面分布。

对被测验流场不产生任何扰动，也不存在机械惯性和机械磨损，能一次测得一个剖面上若干层流速的三维分量和绝对方向，是一种新型水声测流仪器。

1声学多普勒ADCP的工作原理声学多普勒流量计的测量原理是以物理学中的多普勒效应为基础的。

根据声学多普勒效应，当声源和观察者之间有相对运动时，观察者所感受到的声频率将不同于声源所发出的频率。

这个因相对运动而产生的频率变化与两物体的相对速度成正比。

在超声波多普勒流量测量方法中，超声波发射器为一固定声源，随流体一起运动的固体颗粒起了与声源有相对运动的“观察者”的作用，当然它仅仅是把入射到固体颗粒上的超声波反射回接收据。

基于多普勒效应的声速测量实验构建-声学论文-物理论文——文章均为WORD文档，下载后可直接编辑使用亦可打印——摘要：利用多普勒效应来测量声速是大学物理中的一个重要的实验。

本文介绍了设计性实验超声多普勒效应测量声速, 利用多普勒效应综合实验仪, 设计出一套超声多普勒效应测量声速的实验装置, 并利用该实验装置测量声速。

关键词：超声多普勒效应; 声速; 设计性实验;Abstract：Using the doppler effect to measure the sound velocity is an important experiment in college physics.It introduces the design of experiments ultrasonic doppler effect measuring sound velocity, using the doppler effect experiment instrument, design a set of ultrasonic doppler effect measurement of sound velocity experiment device, and by using the experimental device measuring the speed of sound.Keyword：ultrasonic doppler effect; the sound velocity; design experiment;当波源和接收器之间有相对运动时, 接收器接收到的波的频率与波源发出的频率不同的现象称为多普勒效应。

多普勒效应在科学研究, 工程技术, 交通管理, 医疗诊断等各方面都有十分广泛的应用。

例如:原子, 分子和离子由于热运动使其发射和吸收的光谱线变宽, 称为多普勒增宽, 在天体物理和受控热核聚变实验装置中, 光谱线的多普勒增宽已成为一种分析恒星大气及等离子体物理状态的重要测量和诊断手段。

大学物理多普勒效应实验报告一、实验目的1、观察并理解多普勒效应现象。

2、测量声速，并通过实验数据验证多普勒效应公式。

3、掌握使用多普勒效应测量物体运动速度的方法。

二、实验原理多普勒效应是指当波源和观察者之间有相对运动时，观察者接收到的波的频率会发生变化。

对于机械波，如声波，其频率变化的规律可以用以下公式表示：当波源向着观察者运动时，观察者接收到的频率$f'＄为：＄f' ＝＼frac{v ＋ v_{o}｝｛v v_{s}｝ f$当波源远离观察者运动时，观察者接收到的频率$f'＄为：＄f' ＝＼frac{v v_{o}｝｛v ＋ v_{s}｝ f$其中，＄v$为波在介质中的传播速度，＄v_{o}＄为观察者相对于介质的运动速度，＄v_{s}＄为波源相对于介质的运动速度，＄f$为波源发出的频率。

在本实验中，我们使用超声发射器作为波源，接收器接收超声信号。

通过测量接收器接收到的频率变化，来研究多普勒效应。

三、实验仪器1、多普勒效应实验仪，包括超声发射器、接收器、导轨、小车等。

2、数字频率计，用于测量频率。

3、计算机及相关软件，用于数据采集和处理。

四、实验步骤1、仪器调节将超声发射器和接收器安装在导轨上，并确保它们对准。

打开实验仪和数字频率计的电源，预热一段时间。

调节实验仪上的增益旋钮，使数字频率计上显示的频率稳定且清晰。

2、测量声速让小车静止在导轨上，记录此时接收器接收到的频率$f_{0}＄。

已知超声发射器的频率$f$，根据公式$v ＝ f ＼lambda$，其中$＼lambda$为波长，由于发射器和接收器之间的距离固定，可通过测量距离计算出波长，从而得到声速$v$。

3、研究多普勒效应让小车以不同的速度沿着导轨运动，分别测量小车靠近和远离接收器时接收器接收到的频率$f_{1}＄和$f_{2}＄。

记录小车的运动速度$v_{s}＄，根据多普勒效应公式计算理论上接收到的频率，并与实验测量值进行比较。

一种多普勒雷达前向测速误差的修正方法本文介绍了一种多普勒雷达前向测速误差的修正方法。

根据飞行数据样本计算出补偿因子，将补偿因子折算到雷达天线波束指向角中，通过修正天线波束指向角完成对雷达前向测速误差的修正。

标签：多普勒雷达，前向测速误差，天线波束指向角;1 引言多普勒测速雷达主要测量飞机或导弹等载体坐标系下的三轴向速度，供惯导系统实现惯性/多普勒组合导航功能。

现有多普勒雷达多用于飞机上，对雷达测速精度要求不是很高，随着技术的发展和改进，多普勒雷达开始应用于弹用领域，对其体积、重量、特别是精度的要求更高，其精度指标要高于飞机上一倍左右。

弹用多普勒雷达的测速误差，包括内部和外部两种因素。

内部因素主要有发射机的频率稳定度、频率跟踪器的跟踪精度、有限波束宽度引起的误差、天线轴线精度。

内部因素是在雷达设计制造过程中产生的误差，在雷达设计时可对这些误差进行估计和控制。

频率跟踪器的跟踪精度除了设计中元器件产生的误差还有在调试中人为的因素，因此在调试中需要控制每部产品频率跟踪器的跟踪误差，保证将每部产品频率跟踪器的跟踪误差降到最小，这样可以确保每部产品的一致性。

外部因素主要有天线波束指向角测量误差、不同地貌散射引起的误差，外部因素在设计时无法对其进行准确估计。

弹用多普勒雷达安装在载体底部，采用“X”形配置四波束分时收发方式，每个波束有两个波束指向角α和λ，天线测试时需要分别测量这两个波束指向角，根据多普勒雷达速度公式，天线波束指向角参与雷达速度计算，因此天线波束指向角的测量精度直接影响着雷达的测速精度。

雷达天线的测量采用平面近场测量技术，天线波束指向角的测量误差有场地校准误差，扫描架Z向位置误差，电缆相位误差，方向图峰值位置，探头安装准直，多次反射，扫描架热变形，其中场地校准误差可以计算出来，其余误差随机性较大，无法准确修正。

雷达的电磁波照射在各种不同地貌之间，照射的地表散射系数存在很大的变化。

地貌偏差引起的速度误差量级公式如下：通过公式〈1〉可以看出，速度误差量级公式与波束宽度、反射系数及载体速度有关，波束宽度在雷达设计时已固定，因此不同的地貌反射系数与载体速度会产生速度误差，弹用多普勒雷达在飞行中侧向速度很小，引起的误差可以忽略不计，但前向速度很大，其速度约是飞机上的数倍，因此较小的地貌偏差都會引起量级的误差，如果不进行修正则会引起弹用多普勒雷达的前向测速误差增大。

声学技术▏声学多普勒测速仪标校技术研究船载多普勒测速仪通过对多普勒频移信息进行解算进而得到对海水或者对海底的速度信息，进一步可以得到载体航速、航迹等信息。

相比于全球定位系统(GPS)需要利用卫星定位，多普勒测速仪可以自主得到航迹航速，在进行水下探测时具有GPS所没有的优势。

测速仪的主要误差在于基阵安装时的安装偏角，无论人为如何精确地对准，包括前期的基阵设计和后期的基阵安装，测速基阵总会与载体艏向、横向和纵向间存在安装误差，该误差从空间上看是三维的误差，即与载体艏向误差、载体横向误差以及载体的纵向误差。

在安装时，我们希望GPS导航仪、姿态传感器和测速基阵的坐标系在空间上全部对齐，但是安装误差会以恒定偏移的形式添加到解算的载体速度上，从而使得画出的航迹路线与实际航迹偏离得越来越远。

虽然安装误差角度较小，并且下文可以看到的横摇偏差和纵摇偏差对载体运动的影响远小于航偏误差，但是使用多普勒测速仪估计对水速度时，偏移误差就显得非常重要，0.1°的纵摇误差会让船体运动的0.5%变成垂直分力，0.1°的航偏角误差会让船体运动的0.5%变成侧向分力。

偏差速度与船体运动速度相比较小，但是当研究对水速度时，由于水的运动速度通常比较小，而安装的误差保持不变，对水流测速的影响就会越来越大。

本文将介绍如何利用多普勒测速仪的对底测量速度校准航偏角，通过和GPS 的航迹比对，得到测速基阵安装的航偏角。

再利用纵向剖面的几何关系，进一步校准横摇偏角和纵摇偏角。

一、三维空间校准⒈航偏角校准首先对航偏角与横摇角和纵摇角做出说明：载体行驶时与大地坐标系下正北方向的夹角为航偏角；水平方向上，载体纵倾与水平面的夹角为纵摇角；载体横摇时与水平面的夹角为横摇角，此为普遍意义上的定义。

而在研究多普勒测速仪时，航偏角、纵摇角和横摇角的定义如下：安装时多普勒测速仪与载体之间存在安装偏角，与载体艏向的夹角为航偏角α，与载体纵向的夹角为纵摇角β，与载体横向的夹角为横摇角γ。

声学测试仪器校准方法说明书一、背景介绍声学测试仪器在各个领域中被广泛应用，如音频设备测试、噪声测量、声学检测等。

由于测试仪器的准确性对于实验数据和测量结果的可靠性至关重要，因此需要进行定期校准。

本文将详细介绍声学测试仪器的校准方法，并提供相应的说明以确保校准的准确性。

二、校准器材准备在进行声学测试仪器校准之前，需要准备以下器材：1. 校准源：用于提供已知的声压信号，通常使用标准声音发生器或者其他标准声源。

2. 麦克风：用于接收校准源产生的声压信号。

3. 连接线：用于将校准源与麦克风连接。

三、校准步骤1. 准备工作a. 将校准源与麦克风通过连接线连接。

b. 确保校准源和麦克风之间的连接稳固可靠。

2. 确定校准源输出a. 将校准源设定为特定的声压水平，通常选择94分贝(dB)。

b. 确定校准源的频率范围和频率分辨率，根据需要选择合适的校准源。

3. 调整麦克风位置和方向a. 将麦克风放置在待测设备的位置，使其与待测设备的声源位置相同。

b. 调整麦克风的方向，使其正对待测设备的声源。

4. 启动校准过程a. 打开声学测试仪器，并选择校准模式。

b. 确认麦克风接收到校准源产生的声压信号。

c. 调整声学测试仪器的增益设置，使麦克风接收到的声压信号达到预设的目标值。

d. 确认校准过程中的各项参数，并记录相关数据。

5. 结束校准a. 关闭声学测试仪器的校准模式。

b. 断开校准源与麦克风的连接。

c. 将声学测试仪器恢复为正常测试模式。

四、校准结果评估完成校准步骤后，需要对校准结果进行评估，以确保测试仪器的准确性。

评估的方法包括：1. 频率响应评估：通过测试仪器进行频率扫描，记录响应曲线并与标准曲线进行比较。

2. 噪声评估：测量环境中的背景噪声，与标准范围进行比较。

3. 音频失真评估：使用标准音频信号进行测试，记录失真程度并与标准要求进行比较。

五、校准周期和记录校准周期的确定应根据实际需求和设备要求进行。

通常情况下，建议定期进行校准，时间间隔可根据使用频率和设备精度要求灵活调整。

便携式多普勒流速仪/流量计使用说明书V1.4江苏通达仪表有限公司目录第1章产品概述 (1)1.1原理与特性 (1)1.1.1原理 (1)1.1.2特性 (1)1.2性能指标 (2)1.2.1手持机性能 (2)1.2.2传感器性能 (2)1.3应用领域 (3)第2章仪器组装连接 (4)2.1组装说明 (4)2.2电气连接 (5)2.3传感器寄存器表 (6)第3章手持机使用方法 (7)3.1页面说明 (7)3.2开机/关机 (9)3.3充电 (9)第1章产品概述图1-1流速仪声学多普勒流速仪是应用于河流、明渠及管道等工况的流速流量检测仪器。

其采用超声波探测技术，测量精度高、稳定性好、受环境因素影响小，无转动件、维护频次低、工作可靠性高，是便携流速流量测量的首选产品。

1.1原理与特性1.1.1原理多普勒效应，发射和接收的超声波频率差与流速建立关系，超声波发射与接收的时间差与液位建立关系，静压式液位用于需要测量液位量程较大的工况，环境温度测量用于修正超声波实际传播速度。

1.1.2特性✓传感器支持瞬时流量与累计流量功能✓能测静止水的流速✓能测非满管、满管及明渠的流量✓能测矩形、圆形、梯形、三角形截面的流量✓流速测量范围宽，0~10m/s，双向✓流速测量精度高，1mm/s误差✓超声测量液位精度高，误差1mm（2m以内）✓纯物理方法测量，免标定，免校准✓支持静压测液位✓支持温度补偿流速测量与液位测量✓ModbusRTU协议✓传感器防护等级IP68，支持长期水下工作✓便携式方案：传感器+手持机+测量杆，手提箱容纳所有配件✓手提箱尺寸：435*320*135mm1.2性能指标1.2.1手持机性能手持机尺寸187*91*30mm重量0.3kg存储温度-20℃~60℃相对湿度5%~85%（无冷凝）防护等级IP67充电方式直充待机时长持续工作8小时显示参数流速、液位、温度、流量现场显示带背光的 4.3寸触摸屏数字接口RS485接口，Modbus协议。

声学测量仪器的校准和质量保证声学测量仪器在现代科学研究、工程设计和环境监测等领域中起着重要作用。

然而，为了确保测量结果的准确性和可靠性，声学测量仪器的校准和质量保证显得尤为重要。

本文将讨论声学测量仪器校准的重要性、常见的校准方法以及质量保证的措施。

声学测量仪器校准的重要性不言而喻。

声学测量仪器的校准是指通过与已知标准进行比较，验证仪器的准确性和精度。

只有经过校准的仪器才能提供可信赖的测量结果，从而保证科学研究和工程设计的准确性。

例如，在建筑声学领域，声学测量仪器的校准可以确保建筑物的隔声性能符合规定标准，从而保证室内环境的舒适性和安全性。

常见的声学测量仪器校准方法包括比较法、回归法和追踪法。

比较法是最常用的校准方法之一，它通过将待校准仪器与已校准的标准仪器进行比较，确定待校准仪器的偏差和误差。

回归法是一种基于统计学原理的校准方法，它通过建立待校准仪器与标准仪器之间的数学模型，推断待校准仪器的准确性和精度。

追踪法是一种相对较新的校准方法，它通过追踪待校准仪器的测量结果与已知标准之间的差异，判断待校准仪器是否需要调整或修复。

除了校准方法，质量保证也是确保声学测量仪器准确性和可靠性的重要措施。

质量保证包括仪器的选择、仪器的维护和定期的校准验证。

首先，选择合适的声学测量仪器对于保证测量结果的准确性至关重要。

不同的测量任务需要不同类型的仪器，因此在选择仪器时应考虑其适用性和准确性。

其次，仪器的维护是确保仪器长期稳定性的关键。

定期的清洁、校准和维修是维护仪器性能的重要措施。

最后，定期的校准验证可以确保仪器的准确性和精度。

校准验证应由专业的机构或实验室进行，以确保结果的可靠性。

在声学测量仪器校准和质量保证方面，还有一些挑战需要克服。

首先，由于声学测量仪器的复杂性和精密性，校准过程可能比较繁琐和耗时。

其次，校准结果的可追溯性也是一个重要问题。

为了确保校准结果的可信度，校准过程应具有可追溯性，即校准结果可以追溯到国际或国家标准。