单点多普勒海流计校准
单点多普勒海流计校准
一、测量原理与量值关系
单点多普勒海流计通过换能器向水体发射声脉冲，接收水中悬浮散射体产生的回波，由回波的多普勒频移计算沿声束方向的径向流速，再依据各声束的空间夹角合成流速矢量与流向。测量结果是位于换能器前方一段距离处采样体积内水体的平均流速，该采样体积与仪器本体的空间位置不重合。
二、技术依据
| 类别 | 文件 | 适用内容 |
|---|---|---|
| 国家计量检定规程 | JJG1166—2019《声学多普勒海流单点测量仪检定规程》 | 适用流向测量范围（0~360）°、流速测量范围（5~300）cm/s的仪器，规定首次检定、后续检定和使用中检查 |
| 不确定度评定 | JJF1059.1—2012《测量不确定度评定与表示》 | 校准结果的A类、B类不确定度评定与合成 |
| 术语 | GB/T15920—2010《海洋学术语物理海洋学》 | 流速、流向等量的定义 |
| 水槽方法参考 | GB/T21699—2008《直线明槽中的转子式流速仪检定/校准方法》、ISO3455《Hydrometry—Capbrationofcurrent-metersinstraightopentanks》 | 直线明槽流场条件、拖车法技术要求 |
检定属于法制计量活动，依据检定规程执行并给出合格判定；校准属于量值溯源活动，依据校准规范或委托方约定的方法执行，出具校准证书并给出示值误差、修正值与测量不确定度，不作合格判定。量程、结构与JJG1166—2019适用范围不一致的仪器（如低于5cm/s或高于300cm/s的测速需求），按校准方式溯源。
三、校准项目
流速示值误差：各检定点仪器示值与标准流速值之差。
流速测量重复性：同一检定点连续多次测量值的离散程度。
流向示值误差：各方位点仪器流向示值与标准方位角之差。
辅助参数：温度传感器示值误差、声速换算正确性、罗经（方位）示值误差、倾角传感器示值误差、压力（深度）传感器示值误差。辅助参数不直接参与流速合成，但通过声速、坐标变换与磁偏角修正影响最终流速、流向结果。
四、标准器与配套设备
| 设备 | 主要技术指标 |
|---|---|
| 流速标准器（检定拖车车速测量系统） | 测速范围（5~300）cm/s，最大允许误差±1cm/s |
| 流向标准器（磁方位角测量系统） | 扩展不确定度优于U=0.5°，k=2 |
| 流速检定水槽 | 直线明槽，由加速段、稳定段、检定（测量）段和制动段组成，槽壁上方铺设拖车轨道 |
| 流向检定水槽 | 无磁材料制作，工作段可绕其几何中心水平旋转；流速不小于100cm/s，10min内流速变化低于10cm/s，空间流速差异小于30cm/s；工作段尺寸不小于宽1.4m、长2.8m、深0.4m |
| 声速/温度/盐度测量设备 | 用于实测水体声速，或由温度、盐度、压力计算声速 |
| 激光多普勒测速仪（LDV） | 循环水槽法中作为工作段流速基准，用于替代拖车车速作为标准值 |
| 声学频偏应答装置 | 接收并回发带频偏与时延的模拟回波，以频偏作为溯源量 |
五、校准方法
5.1拖曳水槽（拖车）法
将海流计经测杆固定在拖车入水端，拖车以设定速度在静止水槽中匀速运行，车速即仪器与水体之间的相对流速标准值。这是目前应用最广的方法，其优点是标准速度由位移与时间直接测得，可溯源至长度和时间基准，且速度范围覆盖现场常见流速区间；美国地质调查局水文仪器设施（USGSHIF）的拖曳水池长450ft、断面12ft×12ft，拖车速度0~18ft/s。
该方法的局限已在多项研究中记录：静水中缺少悬浮散射体，需人工投放且难以保证分布均匀；水体无流速剪切；槽壁与槽底存在边界干扰；拖车驱动系统可能引入磁场干扰，影响仪器内置磁通门罗经读数。
5.2循环水槽+激光多普勒测速仪法
以立式循环水槽产生连续可调的稳定流速，用激光多普勒测速仪标定工作段流速作为基准值，再与被校海流计比对。一项公开研究在0.01~3m/s范围内，工作段流速的合成测量不确定度不大于4.4mm/s；被校多普勒海流计在0.059~3.051m/s区间的合成测量不确定度不超过9.1mm/s。该方法避免了拖车加减速阶段引入的速度波动，也避免了拖车运行带来的振动。
该研究同时记录了两项需要控制的技术问题：一是流速低于0.05m/s时，淡水体积散射强度弱，多普勒效应不显著，海流计读数不稳定，该区间数据未纳入；二是仪器电缆在流场中产生卡门涡街并诱发仪器振荡，造成测速偏差，采用螺旋线缠绕可减小该偏差。
5.3声学频偏应答法
装置接收海流计发射信号后，回发带有设定频偏与时延的模拟回波，模拟不同流速下的回波特征，以回发信号相对原始信号的频偏值作为溯源量，实现径向流速校准。该方法不依赖真实流场，可在消声水池或外场实施。已公开的结果：0.02~1m/s范围内测量不确定度为2.2mm/s（k=2）；另一套装置在1~2m/s范围内不确定度为1%×模拟流速+7mm/s。同类水池校准系统在0~2.5m/s范围内的最大不确定度为2.30mm/s。
5.4海上比测与航程比对法
在开阔海域将多台仪器同步观测，或与经溯源的标准流速仪进行同步比测；也可采用DGPS与仪器同步采集，沿固定航向匀速航行一段距离，比较仪器积分航程与DGPS实测航程的比值。USGS的实践以底跟踪模式走航距离作为核查参数，要求实测距离与已知距离之差满足±0.25%或±1%的限值。NOAA在拖曳水池中以5~200cm/s车速对29台仪器进行核查，用均值、标准差和相对参考速度的百分比表达偏差。
现场比测不确定度受真实流场时空变化、载体运动与姿态、水体散射强度变化影响，量值水平通常低于实验室方法，用于验证实验室校准结果在现场工况下的适用性。
5.5罗经、姿态与温度传感器校准
罗经对地磁场以外的磁性材料敏感，布放框架与锚系中的金属构件会造成方位偏差，需在使用前完成校准并核查，同时记录磁偏角用于后处理修正。倾角传感器在仪器水平静置时核查俯仰与横滚读数，用于判定坐标变换所需姿态数据是否有效。温度传感器以精密温度计作为参考进行比对，必要时在恒温条件下重新标定；USGSHIF的核查要求温度探头与参考值之差在±2℃以内。
六、校准实施流程与数据处理
安装。测杆入水部分需有足够强度与刚度，保持垂直水面；仪器换能器距水面不小于0.75m、距水底不小于0.50m，以避开水面波动与底部边界影响。
静水。检定前需等待水面相对静止。检定速度小于200cm/s时静水时间一般不少于10min；检定速度大于等于200cm/s时一般不少于20min。
声速测定。实测水温、盐度与压力，计算或实测水体声速，作为修正依据。
逐点校准。流速检定点按5、20、40、60、…、280cm/s的序列依次进行。启动拖车，待标准器稳定显示该点速度后，保持稳定车速不少于24s，每间隔2s同步记录标准器示值与海流计示值，并记录保持稳定车速的首末时间；海流计示值处理精确到1cm/s。
平均值与声速修正。取连续10个记录值，分别对标准器读数和海流计流速示值取算术平均值，再将两者统一校正到参考声速1500m/s下的流速值。这一步消除校准水体与实际使用水体声速差异带来的系统性偏差，是单点多普勒海流计数据处理中的必要环节。
示值误差与重复性。第j个检定点的流速示值误差为该点海流计连续10个示值的算术平均值与标准器连续10个示值的算术平均值之差。重复性取各检定点连续10个记录值按实验标准偏差计算，以各点中的最大值作为流速测量重复性。
校准曲线。以标准流速为自变量、仪器示值为因变量，用最小二乘法拟合标定系数（斜率与截距）；存在显著非线性时采用分段修正参数。修正系数写入仪器配置或后处理软件，并在下一次校准时重新确定。
七、测量不确定度评定
依据JJF1059.1—2012建立测量模型，示值误差$\Deltav=\bar{v}_i-\bar{v}_s$，主要不确定度分量包括：
| 分量 | 来源 |
|---|---|
| A类 | 各检定点重复测量的实验标准偏差 |
| B类 | 标准器（拖车车速测量系统或LDV）的示值误差与不确定度 |
| B类 | 水体声速测量或计算不确定度引入的修正残差 |
| B类 | 拖车车速变化率、流场不均匀性与残余环流 |
| B类 | 仪器安装姿态偏差、测杆振动与流线扰动 |
| B类 | 数据修约与采样时间不同步 |
采用循环水槽加LDV的校准中，被校海流计合成不确定度由上述A类分量与作为B类的LDV标定不确定度合成，已公开的最大值为9.1mm/s（0.059~3.051m/s）。评定结果应在校准证书中给出扩展不确定度及包含因子。
八、影响因素与控制措施
| 影响因素 | 表现 | 控制措施 |
|---|---|---|
| 水体散射体不足 | 回波信噪比低，流速读数不稳定，低流速段尤为明显 | 人工投放散射材料并保证分布均匀；低流速段单独评估并注明适用范围 |
| 电缆涡激振动 | 卡门涡街诱发仪器振荡，引入测速偏差 | 电缆加装螺旋线抑制涡脱落 |
| 声速偏差 | 按相同比例传递至流速结果 | 实测温盐压计算声速，结果统一校正至1500m/s参考声速 |
| 姿态与倾斜 | 声束投影角变化，流速分量与流向产生耦合误差 | 核查倾角传感器，布放时限制倾角；超出仪器允许倾角的数据剔除 |
| 磁干扰 | 罗经方位读数偏移，流向误差增大 | 使用无磁安装件与方位盘，校准罗经并施加磁偏角修正 |
| 边界干扰 | 槽壁、槽底与水面回波进入采样体积 | 控制换能器入水深度与离底距离，选取检定段中部位置 |
| 换能器表面状态 | 划痕、附着物与生物污染改变声学特性 | 校准前清洁换能器表面，检查水密与电缆状态 |
九、结果处理与复校间隔
校准记录应包含：校准依据文件、环境条件（水温、盐度、气温）、标准器及配套设备信息与溯源证书编号、被校仪器型号编号、各检定点原始数据与平均值、声速修正过程、示值误差与重复性计算结果、校准曲线方程与修正参数、测量不确定度。
复校时间间隔由使用单位依据使用频次、布放环境、历次校准数据变化趋势确定。参考做法：USGS对ADCP类仪器设定了3年的核查周期上限，并在新购、维修后、固件变更和周期到期四种情况下执行核查；国内法制计量范围内按JJG1166—2019规定的检定周期执行。若某次校准的示值误差相对前次发生显著变化，或仪器经历维修、换能器更换、长期布放后回收，应缩短间隔并重新确定修正参数。
