剖面多普勒海流计校准

1.适用范围

本内容适用于采用声学多普勒原理测量流速剖面的海流计，以下简称“仪器”。涉及的对象包括换能器、电子采集单元、姿态传感器、地磁方位传感器、压力传感器、温度传感器，以及流速、流向、深度和分层测量结果。

本内容用于规定校准工作的通用流程和技术要求，适用于实验室校准、现场校准及运行期间检查。具体的技术指标、合格限值和校准周期，应以仪器技术条件、合同约定和相关计量规范为准。

2.校准目的

校准用于确定仪器输出值与可溯源参考值之间的关系，识别流速比例误差、方位偏差、零流速漂移、深度测量偏差和环境参数测量误差，为测量结果修正、质量控制和使用状态判断提供依据。

校准不等同于合格判定。校准证书通常给出示值误差、修正值或修正关系以及测量不确定度；是否合格由使用方根据相关技术条件或验收要求确定。

3.术语和校准参数

3.1校准参数

主要校准参数包括：

流速示值误差；

流速比例因子误差；

零流速偏移；

流速测量重复性；

流向示值误差；

换能器安装方位偏差；

波束几何参数；

测深或分层距离示值误差；

压力深度示值误差；

温度示值误差；

姿态角示值误差；

声速输入或计算偏差。

3.2地磁方位校准

对于船载走航式仪器，地磁方位校准用于确定仪器坐标系、船体坐标系与地理坐标系之间的系统偏差。地磁方位偏差会影响船速分解和绝对海流计算结果，应根据测区磁偏角和仪器安装方位设置校准参数，并按照设备说明书完成磁场误差校正。

不同测区的磁偏角存在差异，跨测区使用前宜重新核对参数。

4.校准条件

4.1环境条件

校准环境条件应满足仪器设备使用说明书、标准装置技术要求和校准方法的规定。主要控制因素包括：

水温；

盐度；

压力；

空气温度；

环境振动；

供电电压；

电磁干扰；

流场均匀性和稳定性；

背景噪声；

气泡和悬浮物；

遮挡及反射物。

实验室环境应能使标准装置产生的流场和参考量稳定、均匀，并避免气泡、强反射、机械振动和电磁干扰影响测量结果。

4.2标准装置和参考仪器

校准所用标准装置或参考仪器应满足以下要求：

具有可溯源的校准证书或检定证书；

不确定度或误差满足校准链要求；

测量范围覆盖被校仪器；

分辨力和稳定性适应校准任务；

安装位置、测量体积和响应时间具有可比性；

处于有效校准状态。

实验室流速校准可采用可控循环水槽、拖曳装置或模拟回波校准系统；现场比测可采用经校准的同类仪器、标准流速仪、全球导航卫星系统、压力计、温度计和盐度计等。

5.校准前检查

校准前应对仪器进行外观、功能及安全状态检查，并记录以下内容：

仪器名称、型号、出厂编号和软件版本；

换能器数量、频率、波束角和安装方式；

使用量程、分层厚度和盲区设置；

声速设置方式；

参考仪器信息；

环境条件；

供电和通信状态；

换能器表面清洁度；

电缆、连接器和水密状态。

出现下列情况之一时，应暂停校准：

换能器表面存在损伤、附着物或气泡；

水密失效；

关键传感器自检异常；

数据通信不稳定；

参考装置状态异常；

环境条件不能满足校准方法要求。

6.校准项目和校准方法

6.1流速校准

6.1.1一般方法

将仪器和参考装置布置在具有确定流向和流速的标准流场中，控制仪器测量体积与标准装置测量区域重合或满足方法规定的对应关系。

保持流向、温度、盐度及其他校准条件稳定，由低流速至高流速或由高流速至低流速逐点测量。每个校准点记录仪器示值、参考值和测量时间。

实验室条件下，可通过水槽、拖车、旋转机构或模拟回波装置产生标准流速。水池模拟回波方法利用频率和时延建立量值溯源关系，可用于水层流速、底跟踪速度及深度等项目的校准。

6.1.2零流速测试

在静止、均匀且无显著扰动的介质中连续测量，统计各波束和合成流速的均值、标准偏差及最大偏差。

零流速测试用于识别电子偏移、安装偏差、环境噪声和残余运动影响。测试时间应根据采样频率和仪器稳定性确定。

6.1.3比例因子校准

在覆盖使用范围的若干流速点进行测量。流速示值误差按仪器示值与参考值之差计算。

当校准数据呈现线性比例关系时，可通过最小二乘法或其他约定方法拟合比例因子和偏移量。拟合模型及适用流速范围应在校准记录中说明。

6.1.4重复性

在相同校准条件下，对同一流速点重复测量并计算标准偏差，评价仪器的随机波动。

校准点数、测量次数和方向应根据仪器类型、量程和使用要求确定。

6.2流向和方位校准

将仪器测量轴与已知流向对齐，或使用标准转台改变仪器方位，记录仪器输出流向与参考方位之间的偏差。

校准前应检查磁偏角、仪器安装方位、姿态角、参考坐标定义和数据符号约定。流向误差可按仪器输出值减去参考值确定。

当误差具有方向性时，宜根据误差分布选择线性修正、角度修正表或查表插值方式。

对于船载仪器，可采用水跟踪、底跟踪与导航定位数据相结合的方法确定换能器相对于导航参考方向的综合偏差。采用底跟踪时，可将底跟踪计算航程与定位计算航程进行比较，得到底跟踪速度比例因子相关信息。

底跟踪比例较高时，不能直接证明水体速度通道不存在偏差，因此应明确校准结果仅适用于被验证的测量模式。

6.3波束参数检查

换能器波束角度、相位一致性和安装几何关系发生变化时，会影响速度分解和剖面距离计算。

波束参数检查可采用专用机械测角装置、精密安装工装或标准反射目标进行。对于船载仪器，还应检查换能器安装偏差、船体倾斜补偿、参考坐标方向和原始波束数据质量。

波束角度存在偏差时，应依据设备说明书或厂家规定处理，不宜在现场自行改变无法验证的内部几何参数。

6.4深度和压力校准

压力式深度测量的校准可采用标准压力计或压力校准装置，在多个压力点比较仪器压力输出与参考压力。

测深通道可采用标准距离、标准反射目标或模拟回波时延进行校准。压力深度计算还应核对海水密度、重力加速度、大气压力补偿以及压力零点设置。

压力示值误差按仪器输出压力减去参考压力计算。深度换算结果应明确采用的换算模型、海水密度和重力参数。

6.5温度和盐度参数校准

使用经校准的标准温度计，在稳定温度点比较仪器温度示值与参考温度值。温度误差按仪器输出温度减去参考温度值计算。

盐度参数可通过标准盐度计或标准海水样品进行核验。盐度值用于计算现场声速时，应同时确认温度、盐度、压力和声速公式的一致性。

6.6姿态传感器校准

使用标准倾斜台或经校准的姿态参考装置，在俯仰和横滚范围内逐点测量，比较仪器输出姿态角与参考姿态角。

姿态传感器偏差会改变波束投影关系和地坐标系转换结果。校准时应记录安装方向、参考零点、测量顺序和回程数据。

6.7声速参数校准

仪器可采用固定声速、人工输入声速或由温度、盐度、压力计算声速。应根据实际工作方式检查声速参数。

声速误差会同时影响速度、距离和分层位置计算。若使用经验公式计算声速，应确认公式适用范围、输入参数单位及仪器内部的温度、盐度默认值。

6.8现场比测

现场比测应在流场相对均匀、流态稳定、背景噪声较低且干扰较小的区域进行。被校仪器与参考仪器宜处于相同深度层和时间段，并同步记录流速、流向、温度、盐度和姿态数据。

现场比测不能消除两类仪器采样体积、时间响应和空间代表性不同带来的影响。数据比较前应完成时间同步、坐标转换、深度对齐和质量标志筛选。

现场比测结果可用于评价仪器在实际环境中的系统偏差，但不能替代实验室量值溯源。

7.数据处理

7.1数据筛选

数据处理前应剔除下列异常数据：

通信错误或数据帧不完整的数据；

超出物理合理范围的数据；

仪器质量标志不合格的数据；

环境突变期间的数据；

标准装置异常期间的数据；

时间不同步的数据。

筛选规则应写入校准记录，不得通过选择性剔除数据改善校准结果。

7.2平均值计算

对同一校准点的有效测量值取算术平均值，作为该点的代表结果。

标准偏差按贝塞尔公式计算，用于评价测量数据的离散程度。

7.3校准结果表达

校准结果可采用以下形式表达：

逐点示值误差；

误差曲线；

比例因子；

零点修正值；

角度修正值；

分段修正表；

修正公式；

校准曲线或校准方程；

测量不确定度。

修正关系应注明适用范围。超出适用范围使用时，应重新进行校准或验证。

8.测量不确定度

测量不确定度应按校准方法和测量模型评定，一般包括以下分量：

参考装置溯源不确定度；

流速均匀性和稳定性引入的不确定度；

安装位置偏差引入的不确定度；

仪器分辨力和量化误差；

测量重复性；

温度和盐度变化引入的不确定度；

姿态和方位偏差引入的不确定度；

压力零点和海水密度模型引入的不确定度；

数据处理和拟合引入的不确定度。

各分量应区分由重复观测得到的标准不确定度和基于经验或技术资料评定的标准不确定度。合成标准不确定度按方差合成公式或蒙特卡洛方法计算，扩展不确定度由合成标准不确定度乘以包含因子得到。

校准证书中给出的不确定度仅对所列校准点、校准条件和测量模型有效。水池模拟回波校准实验结果表明，底跟踪速度校准存在特定装置下的不确定度指标，但该结果仅反映特定校准系统，不代表所有仪器的通用指标。

9.校准结果确认

校准完成后应判断结果是否满足使用要求。确认方式包括：

比较校准误差与技术条件限值；

比较扩展不确定度与测量任务要求；

检查修正后残差是否均匀且无明显系统趋势；

检查各测量通道和关键传感器是否状态正常；

检查校准模型是否覆盖实际使用范围。

确认结果不替代合格判定。使用方应结合测量任务允许误差、不确定度和现场适应性作出判断。

校准结果超出使用要求时，可采取以下措施：

按校准结果进行软件修正；

重新配置声速、姿态或方位参数；

重新安装或调整换能器；

更换故障部件后重新校准；

限制使用范围；

停止使用。

10.校准周期

校准周期应根据仪器稳定性、使用频率、使用环境、历史校准数据、运输和维修情况确定。

出现下列情况之一时，宜提前校准：

仪器受到碰撞、冲击或浸水；

换能器、电子单元或关键传感器维修、更换；

固件或校准参数发生改变；

测量误差出现异常；

跨环境或跨测区使用；

长期停用后恢复使用；

存储环境超出规定范围。

建议建立校准历史档案，根据历次示值误差、修正量、重复性和环境适应性调整周期。

11.校准记录

校准记录应包括：

委托方及仪器标识信息；

校准目的和依据；

校准项目；

环境条件；

标准装置及参考仪器信息；

仪器配置参数；

安装方式和几何关系；

原始测量数据；

数据处理方法；

异常数据说明；

校准结果；

不确定度评定信息；

操作人员和审核人员信息；

校准日期和有效期；

结论及使用限制。

校准记录应真实、完整、可复现，并满足数据保存和追溯要求。

12.安全与质量控制要求

校准过程中应执行电气安全、吊装安全、涉水作业和船舶作业规定。对水密设备，加压前应进行密封检查；对浸没式设备，应确认最大工作深度；对船载设备，应防止换能器表面碰撞和电缆拉扯。

质量控制措施包括：

校准前核查标准装置状态；

校准前后检查环境条件；

保留原始数据；

进行重复测量；

对异常数据记录原因；

由独立人员复核关键计算结果；

对修正参数进行备份和版本管理。

地磁方位参数对船载绝对海流测量结果影响较大。由于地磁场、船体磁场、电子设备磁场和安装偏差均可能改变方位测量结果，应采用与仪器相匹配的校准程序，并考虑测区磁偏角变化。