赵艳斌

（郑州煤矿机械制造技工学校，河南 郑州 450013）

基于计算机的信息数据处理方法研究

赵艳斌

（郑州煤矿机械制造技工学校，河南 郑州 450013）

针对目前数据质量控制和处理方法的问题，采用拉依达准则剔除异常数据，卡尔曼滤波处理同一水层的数据，平滑滤波处理剖面上的数据，Akima插值计算缺测层的数据。通过实验检验，非常有效。

ADCP;卡尔曼滤波;平滑;Akima

声学多普勒测流剖面仪（ADCP）是目前国际上测量多层海流剖面的最有效方法，但目前国内比较实用的后处理软件还没有，并且ADCP的数据后处理和质量控制尚未形成统一通用的规范和标准。ADCP生产商提供的说明文档也主要侧重于ADCP的观测和维护，对ADCP的数据后处理和质量控制涉及很少。

1 ADCP测流基本原理

ADCP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，从而得到水层水体的运动速度。假定水体中颗粒物的运动速度与水流速度相同，ADCP通过跟踪颗粒物的运动，测定水流相对于ADCP的速度，此速度扣除载体速度后，即得到水流相对于地球坐标系的绝对速度。载体速度主要通过底跟踪测定。

2 数据处理技术

（1）数据剔除。ADCP测量时，由于仪器失灵或外界条件的严重干扰，会出现少数比正常值大得多或小得多的所谓异常数据。先分别计算东分量流速和北分量流速在1min观测时间段内的均值和标准差，剔除偏离3倍标准差的的数据，然后循环这一过程，直到所有剩余数据值在3倍的标准差内，再对这些1min内的观测数据进行平均构成常规1次/min的海流观测结果，即拉依达准则。这是获得较为准确的绝对水流数据的前提。

（2）卡尔曼滤波。针对ADCP在163min内所测量的海流数据，用上述异常数据剔除的方法处理每层数据后，每层可以得到163个海流数据，发现一些层的海流数据因船舶本身噪声和海洋中生物的运动存在很大随机波动，在处理过程中，必须将这些不能反映海洋内部流场状态的噪音去掉。这里采用卡尔曼滤波。卡尔曼滤波基本公式如下：

用卡尔曼滤波对东分量流速和北分量流速滤波后再合成，其流速、流向仿真结果如图1所示：

图1 流速与流向的滤波前与滤波后的比较图

如图1所示，可以看出，变化幅度大的地方，确实已经被滤掉，无论是流速矢量的大小还是方向同，明显失真的数据已被滤掉，而滤波结果又能很好反映这段时间内流速的变化。

（3）脉动性数据处理。对每层海流数据卡尔曼滤波后，发现ADCP剖面数据具有脉动性。将脉动性数据平滑处理，这里用五点三次平滑方法。假设所用数据是x和y组成的一组测量数据 ｛(xi,yi),i=0,1,…,n-1｝,虽然x和y之间的函数形式不可知，但总可以找到一个多项式来近似地描述y与x的关系。因此有：y=a0+a1x+a2x+…aktk，当k=3时就是三次多项式，在每个数据点的前后各取2个相邻点，并通过最小二乘法确定系统a0、a1、a2、a3,得到五点三次递归平滑公式如下：

其中表示的平滑值。以ADCP测量的一组垂直剖面上的流速数据为例，对其进行五点三次平滑，结果如图2所示：

图 2流速平滑前与平滑后的比较

由结果可知，脉动现象基本被消除，平滑后的曲线进一步揭示了垂直剖面水流速度的特征。另外，平滑滤波有效地提高了数据的准确度。

（4）内插计算缺测层的流速流向。在ADCP测量中，一方面实测水层往往不是预定的标准层，另一方面由于仪器发生故障会发生待定层次的缺测现象，需用实测值进行内插处理。Akima插值法具有较高的精度、较好的光滑性和保凸性等特点。对于结点x0＜x1＜…＜xn-1，其对应的函数值为y0,y1,…,yn-1。在区间 ［xk,xk+1］（k=0,1,…n-2）上，

则在些区间上可以确定一个三次多项式：s(x)=s0+s1(x-xk)+s2(x-xk)2+s3(x-xk)3，其中x∈ ［xk,xk+1］,s0,s1,s2,s3为系数。此时可用三次多项式确定该区间上的插值点t对应的函数值。根据Akima几何条件有:

当uk+1=uk且uk-1=uk-2时，gk=0.5(uk-1-uk)

当uk+2=uk+1且uk=uk-1时，gk+1=0.5(uk-uk+1)

在端点处有：

最后得到x∈ ［xk,xk+1］的函数近似为：

流速计算步骤是先分别对东向、北向速度进行Akima插值，再合成，流向是东向、北向速度的反正切。

3 结语

文章主要是研究ADCP数据处理的方法，利用卡尔曼滤波处理同一水层的数据、平滑滤波处理垂直剖面上的数据以及Akima插值方法计算缺测层的数据。通过实验及与标准数据的比较，验证了这种ADCP数据处理方法的有效性。

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A Study on Processing Methods of Information Data Based on Computer

ZHAO Yan-bin
(Zhengzhou Coal Mining Machinery Vestibule School,Zhengzhou,Henan 450013,China).

In allusion to the quality control and processing methods of data,Pauta criterion is applied to remove abnormal data and Kalman filtering is used to process data in the same layer,smoothing filtering is applied to process the data in profile and then calculate the data which is not measured based on Akima interpolation.It is proved to be effective after test with experiments.

ADCP;kalman filtering;smoothing;Akima

TP274.2

A

2095-980X（2015）01-0032-02

2014-11-15

赵艳斌（1980-），男，河南武陟人，大学本科，讲师，主要研究方向：技工学校计算机教育教学研究。