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随着经济的发展，海洋变得越来越重要，人类的海上活动越来越频繁，海洋灾害造成的损失也越来越严重。海洋是国家安全的屏障。海洋环境参数对海洋军事活动极为重要。目前，海上监控能力已成为海上军事优势的重要组成部分。随着“海上强国”战略的提出和“海上丝绸之路”等重大项目的启动实施，对现有测量设备的需求日益增加，但国内绝大多数海洋仪器仍依赖进口。目前，在国家高技术研究开发计划（863计划）的支持下，国内航行声海流剖面仪（ADCP）经过多年的研究开发，已取得了一定的成果。已安装使用多套，产品初步形成。
根据国内ADCP在测量船上获得的大量测量数据，通过对国内ADCP和GPS测量数据的对比分析，定性评价了国内ADCP在不同航行条件下的性能和可靠性，针对不同的航区和潮流特点，提出改进建议，希望能为用户和厂商提供一些参考。 一、数据获取 本文选取某测量船赴太平洋某海域执行航天测控任务期间的数据。国产ADCP 从2019年7月27日08:00～8月13日14:00连续开机工作，历时18d，总航程11000多km，最远航行至165°E，1°S赤道瑙鲁岛附近。该航次获得的数据文件包括SLC38-1型、SLC150-1型两型ADCP的测量数据。 其中SLC150-1型ADCP为高频测流设备，测量的流层数据相对较浅，但是盲区相对较小；SLC38-1型ADCP为低频测流设备，测量的流层数据相对较深，但是盲区相对较大。本航次测量任务海域深度多为2000m以上，因此文中主要以SLC38-1型ADCP获取的原始测量数据为处理对象，进行分析对比。由于测量船的导航信息报文未向SLC38-1型ADCP设备录取软件提供船载GPS的东北向分量速度、罗经的纵横摇姿态数据，因此本次数据处理关于船速的基于经、纬度位置信息解算。设备连续18d不间断测量，未进行停、关机操作，共获得21个测量数据文件，总大小为2.41G。 二、数据处理 数据处理主要包括：GPS数据处理和ADCP数据处理。其中GPS数据处理是指由定位数据转换到GPS船速数据，方法是使用地球椭圆近似（赤道半径取值6378136m，极地半径取值6356751m），计算局地的经度变化对应的东西方向距离变化，纬度变化对应的南北方向距离变化，利用采样的时间间隔，获得GPS船速的东分量、北分量和矢量速度。 ADCP数据处理是指由ADCP测得的数据进行坐标变换及分量流速计算，获得相对地球局地坐标的流速分量（东分量和北分量），便于与GPS获得的船速数据进行比对分析。 由于原始波束信号不可避免地存在各种噪声，ADCP 数据处理时采用1 min 的时间窗口进行中值滤波处理，能够较好地去除高频的虚假信号，以便与GPS数据进行比对分析。 三、数据分析 为了从不同角度和层面全面分析和考察国产ADCP测量数据的各项性能，有针对性地绘制了各类图件，并进行数据质量、数据有效性、测流精度、测流深度等各方面的分析比对，对国产ADCP做出定性评价。 ⒈流层对比 通过上下流层测量数据的对比，检查仪器在多大深度上的数据有效性，各层数据统一绘制在一张图上，流层对比图反映了测流数据随深度的变化情况，总计210幅。典型图例如图1所示。
图1 某日测量的流层单波束数据图 通过绘制各种流层对比图，对仪表流量测量数据（包括船速）的准确性和合理性进行了测试和分析。其中，原始束流速度图由四束流绘制，形成对比，反映四束流的一致性；GPS船速分量与ADCP海流测量分量对比图反映了GPS船速分量与ADCP海流测量分量的相关性；GPS船速与ADCP航速的数值对比图也反映了GPS航速与ADCP航速之间的相关性。共有31500张图纸。典型图例如图2~4所示。
图2 某日测量的原始四波束速度图
图3 某日测量的GPS与ADCP测量速度分量对比图
图4 某日测量的GPS与ADCP测量速度对比图 ⒉流速对比 通过绘制各流层的流速对比图，检验和分析仪器真实流速的观测精度和合理性。其中，流速分量图反映各个分量的波动变化；流速矢量图反映流场的空间和时间变化特征。该2类图件共计21000幅。典型图例如图5～图6所示。
图5 某日测量的ADCP速度分量图
图6 某日测量的ADCP速度矢量图 ⒊转向和往复航行情况分析 根据全航次的航迹情况分析，本航次存在很多转向和往复航行情况。从对应的流速矢量图中可以看出，SLC38-1型ADCP在整个航次的所有转向和往复运动中测流数据不受影响，典型图例如图7所示。
图7 转向航行时测量的ADCP流速矢量图 ⒋加速和减速航行情况分析 根据全航次的航行情况分析，本航次存在众多加速和减速航行情况。通过对该航次国产ADCP数据处理发现，SLC38-1型ADCP在整个航次的加速、减速过程中表层略有影响，表层以下基本不受影响。通过分析GPS船速和ADCP测流对比图，ADCP测流结果非常理想，特别是持续加减速过程，测流数据质量依然很好。典型图例如图8～图9所示。
图8 加速航行时测量的ADCP流速矢量图
图9 减速航行时ADCP与GPS测量的流速对比图 ⒌高速和低速航行情况分析 在高速航行情况下，受气泡、船体噪声、信号跟踪丢失等影响，测流效果一般会很差，但国产ADCP航行在20kn时，绝大多数测流数据明显具有较高质量。在低速情况下，船只受海浪影响左右摇摆，一般在没有姿态修正的情况下，测流效果会比较差，但国产ADCP在低速航行时，测流效果依然非常理想。典型图例如图10～图11所示。
图10 高速航行时ADCP与GPS测量的速度对比图
图11 低速航行时ADCP与GPS测量的速度对比图 四、讨论 根据海军先前使用美国RDI公司ADCP的经验，当船舶转弯、往复、加速和减速时，数据质量通常较差。在数据后处理过程中，通过质量控制删除该时间段的数据。通过对该航次国产ADCP的数据处理，发现该仪器在整个航次中的所有转向和往复运动均不受影响。 在高速下，由于气泡、船体噪声和信号跟踪损耗的影响，电流测量效果一般很差。通常，ADI的ADCP的当前测量速度不超过12kn。本次航行的大部分国内ADCP航速接近20KN。从目前的测量效果来看，它们中的大多数显然具有较高的质量（不排除母船优越的平台条件）。 可以看出，与美国RDI公司ADCP相比，国产ADCP在转向往复导航、加减速导航、高速导航等方面具有优势；在恒速直接导航测量状态下，速度剖面的测量性能与国外ADCP相当。在20KN及以下航速下，数据质量良好，船舶的转向和往复航行、加减速航行基本不影响数据质量或影响不大。在低速航行条件下，海流测量效果非常理想（因为没有海况数据参考，不排除没有波浪）。 国内ADCP测流数据具有基本的一致性和合理性，能够反映观测海域的基本流场特征，从数据中获得的赤道流和潮流特征较为理想。设备在整个航程的18天内连续工作，没有中断，也没有人为干预。传感器接收信号质量稳定，具有基本的可靠性和稳定性。 五、结束语 本文从不同角度、不同层次对国内航行声流剖面仪的实际数据进行了全面的分析和调查，通过对数据质量、数据有效性、测量精度等方面的分析比较，对剖面仪实测数据的性能进行了定性评价，电流测量精度、电流测量深度等。同时，通过与以往国外同类仪器应用情况的对比分析，发现国产航行声流剖面仪在船舶前后转弯、加速、减速、高速航行时表现较好。 建议设备用户使用高频ADCP（如slc150-1 150 khzpaadcp）进行浅海和大陆架海域的流场观测，使用典型层厚为16m或32m的slc38-1 paadcp进行远距离海域的流场观测，它可以增加设备的最大流量测量剖面深度，并提供完整的姿态信息（航向角、垂直和水平滚动）、GPS位置和速度信息。 建议设备厂家对数据后处理和数据质量控制方法进行研究，为用户准备完整的后处理软件。数据后处理软件应能够读取和分析paadcp记录的数据，并以标准文本格式保存结果数据。 % D! D% c& _$ W' G
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