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一、引言 海流测量是物理海洋学基础研究中重要的组成部分。声学多普勒海流剖面仪ADCP是当前进行海流测量的主要船载设备，该设备通过测定声波入射到海水中微颗粒后向散射在频率上的多普勒频移，从而得到不同水层水体的运动速度。
自20世纪末开始，各个国家均对该类型ADCP数据资料的后处理软件开发和应用开展相关研究。其中，美国夏威夷大学基于Linux系统开发了CODAS软件，用于ADCP海流资料的处理与分析，并以此为基础进一步开发了整套数据处理与可视化采集系统UHDAS，该软件目前较为广泛地应用于全球各大涉海科研机构。与此同时，法国海洋开发研究院(Ifremer)的物理和空间海洋学实验室(LOPS)基于MatLab编程语言，开发了整套处理与分析程序Cascade，目前更新至7.2版本，现普遍应用于法国各涉海科研院所。我国某研究所基于各类型海洋仪器资料处理的需要，根据《中华人民共和国国家标准———海洋调查规范第2部分：海洋水文观测》等相关规范，于2005年开发了专用于进行海洋调查资料后处理的某综合处理系统1.1版本(以下简称“综合处理系统”)，其中的ADCP资料处理模块主要用于处理该类型数据。 相对于CODAS和综合处理系统的广泛应用，国内对Cascade的研究和应用还处于相对空白的阶段，本文系统介绍了Cascade7.2的工作流程和设计思路，并对比综合处理系统，开展Cascade7.2处理ADCP资料的初步应用。 % _7 \" ^9 U( W. H6 |5 h
二、Cascade7.2系统介绍 Cascade系统的开发始于1998年LOPS海洋船队首席科学家Kermabon主持的应用型研究项目，后续版本通过增加相对直观的图形界面和更有效的可视化，逐渐发展为适用性和可操作性更强的资料处理系统。该系统与CODAS软件中执行的处理步骤非常相似，并被SISMER(法国海洋数据中心)、Ifremer、IRD(法国海洋发展研究所)和CNRS(法国国家科学研究中心)的研究小组广泛应用。 ⒈安装使用环境 Cascade是基于MatLab程序语言开发的图形用户界面，目前最新版本Cascade7.2要求计算机至少安装MatLab2008b以上版本才能实现其全部功能。 从使用情况看，Cascade7.2在MatLab中添加路径后可正常使用，但偶发部分功能模块无法正常加载的情况，解决办法为重新安装MatLab并添加Cascade7.2路径。Cascade的资源可由以下网站下载并获取：https：//www.umrlops.fr/Technologies/Logiciels/ADCP－de－coque。 ⒉资料处理基本流程 ADCP的长、短平均文件资料处理，重难点在于对资料进行质量控制、船速订正和流速平滑。图1为Cascade7.2资料处理流程示意图。Cascade7.2首先对平均文件进行格式转换并生成.nc格式文件，便于使用MatLab中的nctoolbox进行数据的存储与写入。此后先选择参考层及加载测深数据类型，然后执行“清理”功能，该功能由软件用户设定各类数据过滤项的阈值并执行，经过该项功能处理后即已生成可用的标准文件。同时软件还提供其他数据处理与分析功能，部分功能会在原标准文件基础上生成新的标准文件，用户可自行选择执行与否，最终生成的标准文件格式为.nc。
图1 Cascade7.2资料处理流程示意图 2 Q( o- _# H! G. s
三、主要功能介绍 ⒈“清理”功能 该功能主要用于进行资料质量控制，过滤不满足标准的数据。执行该功能过程中不会直接清除问题数据，而是根据过滤项类型对各点各层数据生成质量标记并写入格式转换中生成的.nc文件。在后续处理或资料应用中，用户可以根据质量标记选择需要的数据。从质量控制的思路出发，该部分的过滤目标包含以下4个方面。 ⑴清除不满足标准的原始数据。由于ADCP的4波束配置及声学设备的固有特性，使得各波束头回波的相关性及良好率、回波强度等可作为数据质量的标准。同时，由于单脉冲深度单元速度测量还存在一定的长期偏置误差和短期随机误差，因此在原始文件中还包括数据标准偏差项，一般来说该项不大于0.2cm/s，利用该功能，同样也可以将VMDAS软件中DataScreening模块中标记为－3276.8的问题数据进行识别。 ⑵检验流速数据平滑性。流速剪切作为检验流速平滑性的指标，分为垂直流速剪切和水平流速剪切。Cascade7.2分别通过速度垂直剪切阈值和中位数测试法，对上述两者进行过滤。前者允许用户直接设定阈值，默认为0.2。后者采用如下方案：首先计算数据点xi与两侧Nb个相邻集合之间的绝对流速的中位数xim。Nb数量大小由用户设置，默认为30。在这些相同的数据点上，计算相对中位数xim的绝对平均距平ECi：
各层流速的流速距平应当小于2Nb×ECi，2Nb由用户自行设定，默认为2.7，若不符合该条件，则认定流速水平剪切过大。实际操作时，同样分别对东、北分量进行检测。图2为Cascade7.2实际执行“清理”功能生成的某一水层的流速北分量过滤图，绿色散点为实测合理流速，蓝色实线代表相邻集合间的中位数，黑色实线代表计算得到的阈值，红色十字散点代表问题数据。
图2 “清理”功能执行时流速北分量过滤示意图 ⑶使用ETOPO全球高程数据对底层“污染区”数据进行识别。“污染区”是由于使用换能器相控阵技术产生的“次级垂直旁瓣”，进而引起的深度测量异常和近海底数据质量较差现象。统计显示，当传感器的声波波束与垂直方向成20°时，旁瓣干扰区域占水深的6%；成30°时，旁瓣干扰区域大约占水深的15%。Cascade7.2提供的解决思路较为直接，即使用ETOPO高程数据进行订正，对于实际高程以下的数据和大于高程的测深，均认为是无效数据。该软件提供不同分辨率版本，最高可至1弧分。 ⑷考虑有无其他水声装备的干扰。Cascade7.2利用待处理数据点与两侧相邻5个数据点确定绝对流速平均剖面，并计算该剖面滑动平均后的最大垂直切变Cm，如果待处理数据点与平滑后的平均剖面偏差超过V，则认为该剖面数据点是可疑的。其中： V＝max［val1×Cm，val2］ (2) 用户可自行设置val1和val2(val1为抗剪切系数，默认为4，val2为与平均剖面的最大偏差，默认为30)。 此外，针对问题数据，Cascade7.2采取数据质量标记而不是直接删除数据的做法，即良好数据标记为1，未通过专家模式的存疑数据标记为2，其他问题数据根据种类标记为3～8，例如，良好率未达标准标记为5，相关性未达标准标记为6等。该做法有利于避免对资料处理过程中误删数据的丢失。 ⒉船速订正功能 针对船速的修正，一般采用参考水层平均的方式：选取流速较为稳定的一层或多层数据，减去船速，进行平均，然后再使用低通滤波器进行滤波，使用去除船速前的参考层速度减去滤波后的参考层流速，反算出较为准确的船速。使用此船速就能够计算出较为准确的海水流速。 Cascade7.2说明书中未对具体的船速计算原理进行说明，但在处理初始阶段也需要选择参考水层，默认为3～5层，并且允许选择上述方式或者底跟踪模式。根据说明书，在LOPS的内部测试中，Cascade7.2所使用船速计算方式优于GPS和底跟踪船速，但说明书和官网中并未给出具体的算法。而在目前的船速修正方案中，一般认为底跟踪船速最为准确，但水深超过底跟踪深度时，使用GPS船速。 ⒊流速平滑功能 滤波与插值规则见表1。 表1 Cascade7.2滤波规则
针对海流的平滑方法，存在多种滤波方式，如综合处理系统就提供了三阶平滑低通滤波法、伯来克曼(Blackman)窗等。由于截断频率等于海流变化周期的一半，所以滤波周期一般选1～3h。 Cascade7.2的滤波方式较为简单，可以选择水平、垂直或者水平与垂直滤波，滤波时可选择质量较好或者可疑的数据，但无法选择有问题的数据。对于这类数据造成的数据不连续空白，采用插值的方式补充，并在滤波后重新分配质量标记，滤波与插值规则见表1。由表1可知，Cascade7.2采用的滤波基本原理为加权三点滑动平均。 ⒋Cascade7.2其他功能 Cascade7.2相对综合处理系统，具备更多功能，现将主要几个功能列举如下。 ⑴添加潮汐订正。Cascade7.2允许对实测海流数据进行潮汐订正，计算与正压潮校正后的、与绝对流速的分量相对应的变量，其中潮汐数据以谐波的形式提供，包括8个主要分潮(M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1)、2个长周期分潮(Mf、Mm)和3个非线性浅水分潮(M4、MS4、MN4)。 ⑵参数校正。针对由换能器安装误差引起的换能器安装偏角，以及换能器相控阵非理想化引起的振幅偏差，存在多种校正方法，如TERRENCE早在1989年就提出采用多个观测样本的脉动误差进行安装偏角的订正方法；刁新源等对这一方法进行了验证，并取得了较好的实验效果。 Cascade7.2则采用“一”字测线法的最小二乘改进，即利用GPS航速航向订正底跟踪航速航向，并使用最小二乘法消除GPS数据中的随机误差，该步骤可直接在数据文件中校正。如图3所示，校正过程中系统会采用原始文件中所有符合使用标准的数据点，根据多个校正值计算95%的置信区间，若校正值小于置信区间长度的一半，则认为该校正值不可信。
图3 Cascade7.2安装偏角校正示意图 ⑶形成断面或站文件并可视化。允许用户单独形成某一测线或某一段时间的.nc文件，用以单独分析断面或者大面站数据。同时提供一维折线图、二维断面图和流矢图等可视化功能。如图4所示，Cascade7.2允许用户同时选择多个想要可视化的航段与深度范围，并在选择的深度范围内进行平均。在成图时，会同时加载ETOPO的高程数据。
图4 Cascade7.2生成流矢示意图 ⑷平均功能。针对调查船进行海上大面站的作业方式，Cascade7.2允许用户对某一时段的数据进行平均并获得单点的折线图，同时可以选择对某一段的数据单独提取形成“站文件”，并进行指定时长的平均与成图。 ! x6 _7 q! X& B
四、资料处理应用与结果比对 考虑到Cascade7.2和CODAS存在相同的开发目的和处理流程，为取得更好的对比效果，本文采用一段实测数据，分别利用Cascade7.2和综合处理系统进行后处理，为保证处理和可视化的一致性，采用了表2所示参数并均使用ODV(oceandataview)软件成图。 比较图5与图6，可以发现两种处理结果较为一致，由于未进行矢量剖面的手动识别，后者在处理过程中还存在底层不良数据未完全删除的问题，具体表现为图6底层流速东分量与近底层存在较大差异。 表2 两类处理软件部分参数设置表
图5 Cascade处理后断面流速东分量示意图
图6 综合处理系统处理后断面流速东分量示意图 从平滑性上看，由于Cascade7.2使用了较为简单的三点加权滑动平均，因此相较综合处理系统略差。结合两类软件处理后的流速北分量断面，见图7、8，可以发现两者处理的效果相近，较为明显的流速东分量与北分量高值中心位置基本一致；由于采用的滤波规则较为简单，前者在流速的负极值区域表现出更多的细微结构，特别是剪切较大的高流速值区域，前者表现出的“毛刺”更多，而后者平滑性更好。
图7 Cascade处理后断面流速北分量示意图
图8 综合处理系统处理后断面流速北分量示意图
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五、结束语 本文简要介绍了几类主要的ADCP资料后处理软件的研发背景，针对国内当前研究和应用法国Cascade处理系统的空白现状，系统性地介绍了该软件处理ADCP资料的基本思路与基本流程，并结合对比综合处理系统，开展了基本应用。 ⑴资料处理流程方面，Cascade7.2利用“清理”功能对资料进行流速剪切、良好率、回波强度等方面的质量控制，并使用ETOPO高程数据识别“污染区”；针对问题数据，采用质量标记做法避免了数据误删现象；选取参考层进行船速订正，并采用三点加权滑动平均进行流速平滑。 ⑵软件功能集成方面，Cascade7.2除资料处理外，还增加了部分数据分析功能，如针对换能器安装偏角和振幅因数的参数校正功能、一体化成图功能、潮汐订正功能以及统计平均功能等，部分涉及对数据进行改动的功能会单独生成新的标准文件，避免原始数据的丢失和误操作的不可逆转。 ⑶从资料后处理效果来看，Cascade7.2与综合处理系统的处理结果较为一致。前者的“清理”功能在处理效率上略高于后者，但后者允许手动清理问题数据，处理精度更高。对比处理后流速分量断面图，由于前者采取较为简单的三点滑动平均，因此流速平滑性较后者略差，但反映出更多的流速细微结构。 8 Q1 E' X. `4 W, L C
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