Лабораторная работа № 4. Первичная обработка данных, получаемых с помощью акустического доплеровского профилогрофа (АДП) течений

Литература:

SonTek/YSI ADP. Acoustic Doppler Profiler Technical Documentation. - 2001. - 186 p.

Степанюк И.А. Океанологические первичные преобразователи. -Л.: Гидрометеоиздат, 1986, с.239-245.

Общие пояснения

Acoustic Doppler Current Profiler (ADCP), т.е. акустический доплеровский профилограф течений, измеряет скорость и направление течений, в океане используя эффект, который называется «Доплеровским смещением». Мы знакомы с эффектом Доплера по изменению тона гудка, проходящего поезда. Когда поезд приближается, звук гудка, кажется выше. Когда поезд удаляется, звук гудка кажется ниже. Изменения высоты звука пропорциональны скорости поезда.

АДП излучает ультразвуковые волны с частотой, значительно превышающей частоты, воспринимаемые человеческим ухом. Самая низкая частота, используемая в коммерческих приборах АДП, составляет порядка 30 КГц, а обычный диапазон частот, используемых в океанологии, находится в пределах от 75 до 3000 КГц.

АДП устанавливается на корабле (направленный вниз) или на дне (направленный вверх). Для этого прибора необходимо, чтобы датчик соприкасался с водой для передачи и измерения звуковых импульсов, распространяющихся в водяном столбе. Звуковые импульсы отражаются от небольших взвешенных частиц или пузырьков, движущихся в акустических лучах (рис. 4.1), и вызывают сдвиг передающегося звука, на основе которого рассчитывается скорость.

Это явление, называемое сдвигом Доплера, представляет собой то же самое, что и изменение высоты звука гудящего поезда, проносящегося мимо. Импульсы, посылаемые в разных направлениях,

Аналогия измерения скоростей стандартными гидрометрическими вертушками и АДП (ADCP)

Рис. 4.1. Аналогия измерения скоростей стандартными гидрометрическими вертушками и АДП (ADCP).

или лучи (обычно их 3 или 4 в зависимости от модели АДП) распознают различные компоненты скорости, параллельные каждому лучу. В АДП используется тригонометрическая обработка для преобразования скорости вдоль лучей в три компонента скорости, которые связаны с декартовой системой координат, ориентированной на прибор. При этом принимается предположение однородности течений в слоях с постоянной глубиной. Каждый акустический импульс от АДП производит измерение скорости по всей глубине потока.

Целью лабораторной работы является практическое ознакомление студентов с методикой первичной обработки информации, получаемой с акустического доплеровского профилогрофа течений.

Методика выполнения работы

Теоретические основы

Физические принципы работы

Принцип измерения скорости течений водной среды, реализованный в АДП основан на определении смещения частоты эхо-сигнала, характеризующего скорость движения рассеивателей в объеме измерения вдоль направления луча.

Если точная частота испускаемых волн известна, а наблюдаемую частоту можно определить, то с помощью уравнения (4.1) рассчитывается доплеровское смещение, связанное со скоростью движения источника и наблюдателя относительно друг друга:

Fd=Fs(V/C), (4.1)

где: Fd - частота доплеровского смещения, в Гц; Fs - частота излучения звука из стационарного источника, в Гц; V - относительная скорость между излучателем звука и приемником (скорость, с которой наблюдатель движется в направлении источника звука), в м/с; С — скорость звука, в м/с.

Из уравнения следует, что:

  • 1) если наблюдатель движется быстрее (возрастает Г), то возрастает и доплеровское смещение Fd’>
  • 2) если наблюдатель движется в противоположном звуку направлении (Котрицательна), то доплеровское смещение также отрицательно;
  • 3) при возрастании частоты звука Fs доплеровское смещение Fd также возрастает;
  • 4) с возрастанием скорости звука С происходит уменьшение доплеровского смещения.

Вычисление трехмерного вектора скорости по осям X, Y, Z прямоугольной системы координат требует, как минимум, три акустических датчика. На рис. 4.2 показаны направленный на северо-запад вектор скорости воды и результирующее доплеровское смещение от каждого из трех акустических датчиков.

Направленный на северо-запад вектор скорости и результирующее доплеровское смещение по отношению к гипотетическому локатору с тремя датчиками

Рис. 4.2. Направленный на северо-запад вектор скорости и результирующее доплеровское смещение по отношению к гипотетическому локатору с тремя датчиками.

Поскольку вектор скорости направлен почти под прямым углом к датчику 2, результирующее доплеровское смещение, воспринимаемое этим датчиком, невелико. Вектор скорости направлен практически в сторону датчика 3, следовательно, датчик 3 показывает большое положительное доплеровское смещение. Вектор скорости направлен от датчика 1 почти на одной линии с ним, поэтому датчик 1 регистрирует большое отрицательное доплеровское смещение.

Цикл измерения начинается с излучения зондирующих акустических сигналов вдоль каждого из трех (четырех) лучей прибора, раствор диаграммы направленности преобразователей обычно составляет около 2° по уровню ослабления 3 дБ. После излучения выдерживается пауза (Blank), необходимая для затухания акустических волн в корпусе прибора, возникающих в результате излучения. Значение времени паузы выбирается исходя из конкретных условий; задав этот параметр достаточно малым, можно потерять качество измерений в первом элементе глубины; задав его слишком большим, можно потерять измерения в близком к прибору слое воды. Необходимость некоторой задержки, после излучения предопределяет наличие слоя воды, прилегающего к прибору, в котором измерения проводиться не будут.

Далее следует прием и обработка эхо-сигналов, при этом сигнал разбивается на временные окна, определяемые устанавливаемым значением раз мера элемента измерения по глубине HCell. То есть каждая ячейка (Cell) соответствует данным осредненным для определенного горизонта (рис. 4.3).

Высокая точность измерений скорости обеспечивается в нормальных условиях измерений, то есть когда течение горизонтально однородно и наблюдается умеренная концентрации взвешенных частиц. Плохие условия для изменений складываются: когда в воде мало или совсем нет взвешенных частиц для отражения звуковых импульсов, или присутствуют чрезмерные концентрации взвешенных веществ (например, у дна) которые поглощают звуковые импульсы, рядом с вертикальной стеной, где нарушится допущение об однородности горизонтальных скоростей течений, при наклонах оси прибора выше критического порога.

Принцип выделения горизонтов по показаниям АДП

Рис. 4.3. Принцип выделения горизонтов по показаниям АДП.

В результате цикла измерения во внутреннюю память прибора или на внешний компьютер поступает информация, содержащая следующие основные первичные параметры:

  • - дата, время, номер записи;
  • - температура, давление, угол азимута, крена и дифферента;
  • - профили (значения для каждого элемента глубины): интенсивность эхо-сигнала вдоль каждого луча;
  • - профили корреляции эхо-сигнала вдоль каждого луча;
  • - профили скорости течения в одной из систем: в географической системе координат; в системе координат прибора; вдоль каждого луча.

Основные компоненты и условия эксплуатации прибора

АДП состоит из следующих основных компонент (рис. 4.4.):

  • 1. Головка преобразователей, состоящая из трех симметрично расположенных электроакустических преобразователей, формирующих конфигурацию с углом отклонения луча от продольной оси прибора на 25°. В корпусе головки преобразователей размещается:
    • - плата встроенной flash-памяти;
    • - плата обработки аналоговых сигналов;
    • - плата центрального процессора;
    • - плата связи с внешним компьютером, предохранителем, переключателем формата обмена (RS-232/RS-422) и датчиками угло-36

вой ориентации: азимут (Flux-gate compass); крен/дифферент (Pitch/Roll-inclinometers);

- встроенные датчики температуры и давления

Общий вид головки преобразователей (1) акустического доплеровского профилогрофа с боком батарей(2) на немагнитной платформе

Рис. 4.4. Общий вид головки преобразователей (1) акустического доплеровского профилогрофа с боком батарей(2) на немагнитной платформе.

2. Внешние батареи размещаются в отдельном герметичном корпусе.

Головка преобразователей представляет собой собственно измеритель течений, который может работать как в автономном режиме («self contained») от блока внешних батарей (2) с записью информации на встроенную flash-память, так и под управлением внешнего компьютера с передачей информации в реальном масштабе времени. Питание во втором случае осуществляется от стандартной сети через адаптер. При подключении одновременно внешних батарей и адаптера питание осуществляется от источника имеющего больший потенциал.

Соединение измерителя течений с блоком внешних батарей производится посредством герметичного глубоководного

Т-образного кабеля, входящего в комплект поставки. Соединение с компьютером производится через сот-порт.

Программное обеспечение. ADCP представляет собой многомодульный, программно управляемый прибор. Программное обеспечение можно разбить на два основных раздела:

Системное программное обеспечение - платное недоступное пользователю, поставляемое изготовителем и инсталлируемое в память внутреннего процессора прибора.

Доступное пользователю программное обеспечение, поставляемое на CD.

В него входит, например для АДП SonTek, программа ViewADP - программа визуального представления результатов измерений. ViewADP поддерживает формат данных, полученных в географической системе координат, позволяет преобразовывать данные из двоичного формата в текстовый. Хорошо развитый интерфейс позволяет ориентироваться в программах при наличии общих представлений о работе прибора. Относительное смещение элементов глубины вдоль каждого из лучей, возникающее из-за наклона прибора, учитывается при пересчете полученных профилей в географическую систему координат с использованием показаний датчиков угловой ориентации встроенным программным обеспечением.

Перед тем как перейти к описанию условий обработки полученных данных, сделаем некоторые существенных замечания эксплуатации прибора:

  • - прибор разрабатывался для проведения измерений при относительно медленных собственных движениях, в этих условиях датчики угловой ориентации эффективно измеряют азимут, крен и дифферент (heading, pitch, roll);
  • - датчик азимута (компас, т.е. и сам прибор) нельзя использовать вблизи металлических материалов, таких как корпус судна, которые деформируют естественное магнитное поле Земли;
  • - инклинометры (датчики крена, дифферента) измеряют наклоны относительно оси земной гравитации и не учитывают влияния ускорения собственных движений прибора, которые могут вызывать значительные погрешности измерений;
  • - компас также подвержен действию собственных движений прибора либо непосредственно, либо через его инклинометры.

В целом из приведенных выше замечаний следует, что прибор может наиболее эффективно использоваться в составе автономной буйковой станции. Оптимальным вариантом является использование притопленого буя с целью избежать влияния поверхностных волн, или установке на дне в раме из немагнитного материала. Такое назначение прибора определило характеристики использованных в нем датчиков. Приводимые паспортные характеристики датчиков (включая датчики температуры и давления) получены в статических условиях и не отображают динамических составляющих погрешности, влияние которых при наличии собственных движений прибора может оказаться доминирующим.

Порядок выполнения работы

  • 1. Запустить программу ViewADP.exe
  • 2. Произвести загрузку данных.

Работа с программой начинается с входа в меню File и выбора окна Open (рис. 4.5). Перед вами открывается меню в котором автоматически открываются файлы данных с расширением .adp.

Загрузка данных в программу

Рис. 4.5. Загрузка данных в программу.

На экране появятся графики, отражающие измеренные параметры (рис. 4.6). В верхней левой части экрана отражается Contour Graph. Этот график позволяет вам рассматривать изменяющийся по глубине временной разрез следующих переменных: скорости и направления течения (Velocity), интенсивности амплитуды возвращенного звукового сигнала ADP (Sig Amp), среднеквадратичного отклонения скорости течения (StD/Cor), отношения сигнал-шум (SNR). Выбор переменой и ее компонент определяется путем указания опций в меню Contour Control Box (располагается в правой нижней части экрана). После выбора переменной указывается ее компонента. Beam 1 (or X or East) / Beam 2 (or Y or North) I Beam 3 (or Z or Up) - определяет выбранный компонент в зависимости от выбранной переменой. Для скорости это проекции на восток, север, вверх. Для амплитуды сигнала и отношения сигнал-шум это их интенсивность по каждому лучу. Для скорости возможно отображение модуля (Speed) и направления (Direction), для Амплитуды (мощности) сигнала и отношения сигнал-шум доступны средние значения (Average) по всем лучам.

Название графика Contour Graph в верхнем левом углу показывает, какую переменную и какой компонент отображается. Дисплей верхнему правому углу Contour Graph показывает числовую информацию о ячейке над которой находится курсор. (Когда курсор находится не над временным разрезом, отображается последняя точка, над которой была зафиксирована мышь.)

Справа от временного разреза можно просмотреть отдельный профиль по глубине рассматриваемой переменой. Чтобы выбрать профиль для просмотра в окне Profile Graph надо щелкнуть мышкой по маркеру профиля и перевести его на интересующую позицию профиля располагающийся над верхним краем графика Contour Graph. Ниже временного разреза располагаются два окна Time-Series Graphs на них можно просмотреть изменения выбранных переменных для конкретных горизонтов. Выбор горизонтов производится с использованием маркера располагающегося справа от графика Contour Graph. Установка переменных и параметров графиков осуществляется в опции View-Time Series Display.

График распределения измеряемых параметров

Рис. 4.6. График распределения измеряемых параметров.

3. Проверить настройки пользовательского графического интерфейса (рис.4.7).

Для этого вызвать меню View - Axis Scaling проверить установку масштаба осей. На первичном этапе удобно пользоваться Auto Scaling (выставьте Auto Scaling) для выяснения тонких параметров можно самим задать масштаб (Manual Scaling). Эта опция относится ко всем графикам выбранной переменной.

В меню View -Time Series Display выберите переменную, которую хотите отображать в окне Time-Series Graphs. Выбор производится для верхнего или нижнего графика, как для левой, так и для правой оси. Вы можете выбрать следующие опции: пустой график, значения стандартных переменных описанных ранее, показания датчиков среды, компаса, служебные параметры.

Настройка графического интерфейса

Рис. 4.7. Настройка графического интерфейса.

Выставьте для верхнего графика Velocity с отображением по левой оси. А для нижнего графика Pressure с отображением по правой оси.

Отмасштабируйте Contour Graph в формате времени используя опцию View - Contour X-Axis Display as - Date/Time.

Проверьте наличие галочки напротив View - Show Contour Control Box чтобы подтвердить, что вы хотите его видеть в рабочем окне программы.

  • 4. При загрузке данных надо определить, в какой системе координат они будут отображаться. Опция Processing - Velocity Coordinate System позволяет выбирать Beam, XYZ, ENU. Надо выбрать географическую систему координат (ENU).
  • 5. Произвести отбраковку части профиля, используя выбранные критерии. В меню Processing -Data Screening (рис.4.9) кликом мышки отбракуйте ячейки на основании показаний датчика давления Pressure/Bottom-Track/Range-to-Bottom (рис. 4.8).
Отбраковка данных по показаниям датчика давления

Рис. 4.8. Отбраковка данных по показаниям датчика давления.

Данная опция предлагает выбор параметров, которые позволяют исключить сомнительные данные из процесса обработки. Такими параметрами являются: низкая мощность сигнала, низкий коэффициент сигнал - шум, низкий градиент мощности сигнала. Позволяет устанавливать начальную и конечную ячейку в фильтруемой полосе и порог фильтрации для каждого параметра. Вы можете также решить производить фильтрацию до сглаживания данных или после.

  • 6. Измените вручную масштаб колебаний уровня, кликнув по шкале графика отображающего давление (нижнего из Time-Series Graphs) так чтоб был виден приливной ход уровня.
  • 7. Используя задание вашего варианта, задайте в Profile Graph соответствующий профиль скорости.
  • 8. Сохраните построенные вами графики, в виде картинки. Edit - Copy Screen to Clipboard (Ctrl+C) затем вставьте схороненную картинку из памяти ЭВМ в Microsoft’s Word.
  • 9. Сохраните полученные вами значения профиля скорости в текстовом формате. Для этого выберите опцию File - Export Data перед вами появится меню (рис. 4.9).
Сохранение результатов обработки данных в текстовом формате

Рис. 4.9. Сохранение результатов обработки данных в текстовом формате.

Данное меню позволяет, указать путь куда будут экспортироваться файлы, указать какие из профилей будут сохранены в этих файлах. Можно создавать файл только для выбранной переменной (Export Selected Variable), или создавать файлы для всех выходных переменных одновременно (Export All Variables). Вам надо выбрать последний вариант. Экспортируемые данные будут включать результаты сглаживания и коррекции. В результате будет создана группа файлов со следующими параметрами:

Выходные переменные

Данные конфигурации

Данные заголовка

Уровень сигнала

Ср. кв. отклонение

Скорость

проекции

модуль скорости направление

Расширение

  • *.ctl
  • *.hdr (Все выбранные профили).

Здесь сохраняются данные о времени и дате каждого измерения, показания с датчиков давления, температуры, наклона прибора, компаса и т.д.

  • *.а1,*.а2, *.аЗ (Все выбранные профили).
  • *.sdl,.*sd2,.*sd3 (Все выбранные профили).

Все выбранные профили.

  • *.ve (E-W)/.vl/.vx.
  • *.vn (N-S)/.v2/.vy.
  • *.vu (up-dn)/.v3/.vz
  • *.spd
  • ?.dir

Каждый столбец в файлах это горизонт, строка время. Второй столбец ближний к датчику горизонт, последний самый удаленный.

При этом в первом столбце всех описанных файлов, за исключением файла *.ctl, содержится номер. Связь данных из разных файлов между собой производится через самый первый столбец, отражающий во всех файлах текущий номер измерения.

Исходные данные

В качестве исходных данных используются файл с расширением *.adp. В качестве варианта задается тип переменой (модуль скорости или направление течения) и номер профиля, начиная с

10. Вариант выдает преподаватель.

Составление отчета

В отчет по лабораторной работе входят:

  • 1. Графики описывающие изменчивость заданной переменой за весь промежуток времени и на заданном профиле, сохраненные в виде картинки рабочего окна программы.
  • 2. Таблица включающая глубину, модуль скорости и направление течения на данной глубине для заданного профиля. Составляется по данным полученных текстовых файлов (*.spd, *.din).
  • 3. Анализ полученных результатов, включающий:

описание порядка составления таблицы из п.2 отчета, количество и причину отбраковки данных,

описание связи колебаний уровня и заданной переменой (характеристикой скорости).

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ