CN111487439A - 一种基于无人船的声学多普勒流速剖面仪校准装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于无人船的声学多普勒流速剖面仪校准装置及方法，装置的转接支架固定在无人船上，转接支架上部连接GPS测量仪，转接支架下部连接精密角度转盘，精密角度转盘通过转接法兰盘连接待检声学多普勒流速剖面仪，两台高速摄像机连线平行于试验水池长边且远离试验水池设置。本发明的有益效果：无人船带ADCP沿航迹线往返航行测量航道流速，高速摄像机、量值可溯源的全站仪设备计量测量段内ADCP平均速度作为参考标准值与ADCP流速示值比对，进行流速参数校准；通过精密角度转盘，调节ADCP指示方向与航行方向夹角，测绘无人船运动轨迹和偏航误差，计算流向参考标准值，与ADCP流向示值进行比对，进行流向参数校准。

Description

一种基于无人船的声学多普勒流速剖面仪校准装置及方法

技术领域

本发明属于水文测量仪器计量技术领域，尤其涉及水运工程领域一种基于无人船的声学多普勒流速剖面仪校准装置及方法。

背景技术

声学多普勒测流技术是上世纪八十年代测流技术的重大突破，声学多普勒流速剖面仪(ADCP)即为采用此原理进行海流观测的新型仪器。相对于以机械动力为基础的流速传感器，声学多普勒流速剖面仪(ADCP)无需启动流速，可以在不干扰流场的前提下，高精度、快速地测出大范围内的三维流速，因此目前被广泛用于水运工程建设，水文环境监测，海洋、河口的流场结构调查，港口航道流速和流量测验等，其测量结果及相关技术得到了相关工作者的认同。然而，长时间作业环境的变化，将导致仪器自身性能的改变，致使仪器的测量结果出现较大偏差。因此，定期对仪器的流速、流向计量性能进行校准/测试尤为重要。

目前我国尚未针对声学多普勒流速剖面仪(ADCP)专门建设大型的校准试装置，声学多普勒流速剖面仪(ADCP)校准主要分为室内流速水槽校准和室外航行校准。由于声学多普勒流速剖面仪(ADCP)频率范围的拓展和分层流速的检验需求，声学多普勒流速剖面仪(ADCP)室内校准对直线静水槽的要求较高：水槽长度不小于100m，宽度不小于3m，深度不小于3m，需配有速度不小于5m/s的流速拖车系统，水体需含有悬浮颗粒或者气泡等，以上诸多限制条件给室内ADCP校准试验带来巨额经费开销与建设成本。室外航行校准一般在海洋、河流或湖泊等自然环境下采用自校或比测的方式进行，由于野外浪、潮、流、沙等综合环境的影响，给校准引入较大不确定度。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种基于无人船的声学多普勒流速剖面仪校准装置及方法，校准参数包括流速和流向，通过在室外入海口处可开启/关闭的船闸航道中，由无人船带动声学多普勒流速剖面仪(ADCP)沿水池短边中线往返航行测量航道流速，由高速光摄像机、量值可溯源的全站仪(全站型电子速测仪)等设备计量测量段内声学多普勒流速剖面仪(ADCP)平均速度，将此平均速度作为参考标准值与声学多普勒流速剖面仪(ADCP)流速示值比对，进行流速参数校准；通过设计加工量值可溯源的精密角度转盘，调节声学多普勒流速剖面仪(ADCP)指示方向与航行方向夹角，测绘无人船运动轨迹和偏航误差，计算流向参考标准值，与ADCP流向示值进行比对，进行流向参数校准。

本发明的技术方案：一种基于无人船的声学多普勒流速剖面仪校准装置，其特征在于包括试验水池、无人船、转接支架、GPS测量仪、第一高速摄像机、第二高速摄像机、全站仪、精密角度转盘，所述转接支架固定在所述无人船上，转接支架上部连接所述GPS测量仪，所述精密角度转盘通过所述转接法兰盘连接待检声学多普勒流速剖面仪，所述第一高速摄像机和所述第二高速摄像机光学中心连线平行于所述试验水池长边且远离所述试验水池设置，所述全站仪位于所述第一高速摄像机和所述第二高速摄像机光学中心连线远离所述试验水池一侧。进一步地，所述第一高速摄像机和所述第二高速摄像机的光学中心轴线均垂直于所述试验水池的长边侧，所述全站仪位于所述第一高速摄像机和所述第二高速摄像机连线的中垂线上。

进一步地，所述GPS测量仪、所述精密角度转盘、所述转接法兰盘和所述待检声学多普勒流速剖面仪的轴线重合；

优选地，所述无人船的尺寸为长1.5m×宽0.4m×高0.3m，所述无人船的最高运行速度为5m/s。

进一步地，所述试验水池按照所述无人船的运行状态分为加速段、测量段和减速段，所述加速段的长度不小于所述无人船由静止状态加速到最高速度时所行驶过的距离，所述减速段的长度不小于所述无人船由最高速度减速至静止状态时行驶过的距离，所述测量段作为所述待检声学多普勒流速剖面仪的流速参数校准的检测区域，所述测量段长度不小于所述无人船以最高运行速度匀速行驶30s所行驶过的距离；

所述试验水池为规则的半封闭长方体船闸，长180m，宽25m，深10m，所述试验水池为有悬浮物质、分层流场的稳定试验场地。

进一步地，所述试验水池两短边壁中点连线作为所述无人船行驶的航迹线，所述航迹线平行于所述试验水池的长边壁。

进一步地，所述第一高速摄像机和所述第二高速摄像机选用同型号高速摄像机，所述第一高速摄像机和所述第二高速摄像机帧速率达到30fps以上，所述第一高速摄像机和所述第二高速摄像机各自视场范围内设置所述无人船驶入和驶出的触发线，进入所述第一高速摄像机视场范围的所述触发线与所述试验水池内选取的所述无人船进入所述测量段的边界线重合，离开所述第二高速摄像机视场范围的触发线与所述试验水池内选取的所述无人船离开所述测量段的边界线重合，所述第一高速摄像机和所述第二高速摄像机的视场大小均应保证所述无人船在各高速摄像机的触发区域内能够以最高运行速度匀速运行30s以上。

一种基于无人船的声学多普勒流速剖面仪校准方法，其特征在于包括流速校准方法和流向校准方法，流速校准方法是指由无人船带动待检声学多普勒流速剖面仪沿水池短边中线即航迹线往返航行测量航道流速，所述第一高速摄像机、所述第二高速摄像机、量值可溯源的全站仪设备计量测量段内待检声学多普勒流速剖面仪的平均速度，将此平均速度作为参考标准值与待检声学多普勒流速剖面仪流速示值比对，进行流速参数校准；

流向校准方法通过加工量值可溯源的精密角度转盘，调节待检声学多普勒流速剖面仪指示方向与航行方向夹角，测绘无人船运动轨迹和偏航误差，计算流向参考标准值，与待检声学多普勒流速剖面仪流向示值进行比对，进行流向参数校准。

进一步地，所述流速校准方法具体包括如下步骤：

步骤1：通过转接法兰盘将待检声学多普勒流速剖面仪安装到所述无人船的底部，调节所述待检声学多普勒流速剖面仪零度指示标志与精密角度转盘零的度指示标志重合，与所述待检声学多普勒流速剖面仪换能器连接的通讯电缆接入所述无人船的电子水密舱，平稳吊放所述无人船至所述试验水池；

步骤2：正常启动所述无人船、所述待检声学多普勒流速剖面仪和所述第一高速摄像机和所述第二高速摄像机，基于所述GPS测量仪的秒脉冲建立所述无人船、所述待检声学多普勒流速剖面仪换能器和所述第一高速摄像机和所述第二高速摄像机的时间同步基准；

步骤3：所述全站仪放样两条180m等长且平行的虚拟直线，其中，一条直线与所述试验水池的长边侧平行且通过所述试验水池的短边侧中点作为所述无人船行驶的设定航迹线，另一条直线位于所述第一高速摄像机和所述第二高速摄像机一侧作为计量标准线；

步骤4：根据所述试验水池的长度和所述无人船的最高行驶速度将所述试验水池的长边侧划分为加速段、测量段、减速段，各段分隔点的绝对坐标由所述全站仪放样的计量标准线确定，记录与计量标准线对应的设定航迹线上测量段的起始点与终止点绝对坐标值，将其输入到所述无人船平台系统控制软件中进行航线指令编辑；

步骤5：在所述测量段的起始位置和终止位置分别安装所述第一高速摄像机和所述第二高速摄像机，所述第一高速摄像机和所述第二高速摄像机的光学中心轴线均垂直于所述试验水池的长边侧，所述第一高速摄像机和所述第二高速摄像机的连线平行于所述试验水池的长边侧，所述第一高速摄像机视场范围的驶入触发线与所述试验水池内选取的所述无人船进入所述测量段的驶入边界线重合，所述第二高速摄像机视场范围的驶出触发线与所述试验水池内选取的所述无人船离开所述测量段的驶出边界线重合；

步骤6：所述无人船根据任务指令在所述试验水池中沿航迹线自主航行，所述待检声学多普勒流速剖面仪换能器在随无人船运动过程中向水下发射超声波束，水体中的悬浮物或泥沙对声波产生不规则散射，散射回波被接收换能器接收，所述待检声学多普勒流速剖面仪换能器在加速段内加速至设定速度后，匀速通过测量段，所述GPS测量仪的地面测量基站通过无线网桥进行航速实时监控、分析、存储；

步骤7：所述第一高速摄像机对视场区域进行实时监测，通过对所述试验水池的池面与视场内其它背景物体在颜色和纹理上的特征区别，提取所述试验水池在所述第一高速摄像机的视场范围内的池面轮廓线，通过逐帧做差比较的方法仅对该轮廓线内出现的动态物体进行判别，从而减小了所述第一高速摄像机对视场范围内池面以外移动物体的错误判别；

步骤8：当有运动物体通过所述第一高速摄像机的驶入触发线时，所述第一高速摄像机实时记录该时刻点，并采用粒子滤波算法对运动物体进行实时动态跟踪，同时通过均值滤波、边缘检测等算法获取该运动物体的轮廓特征，与预存的所述无人船的轮廓特征进行对比，从而判定检测到的运动物体是否为驶入的所述无人船，若是，则转步骤9，若不是，则停止对该物体的跟踪与记录，重复步骤8；

步骤9：通过回溯所述第一高速摄像机记录的所述无人船到达驶入触发线的图像，重新确定所述无人船船首进入所述第一高速摄像机的驶入触发线的精确时间作为所述无人船进入测量段的起始时间t_as，当所述无人船船尾通过所述第一高速摄像机的驶出触发线时，所述第一高速摄像机实时记录该时刻点t_ae；

步骤10：所述第二高速摄像机对视场区域进行实时监测，通过对所述试验水池的池面与视场内其它背景物体在颜色和纹理上的特征区别，提取所述试验水池在所述第二高速摄像机的视场范围内的池面轮廓线，通过逐帧做差比较的方法仅对该轮廓线内出现的动态物体进行判别，从而减小了所述第二高速摄像机对视场范围内池面以外移动物体的错误判别；

步骤11：当有运动物体通过所述第二高速摄像机的驶入触发线时，所述第二高速摄像机实时记录该时刻点，并采用粒子滤波算法对运动物体进行实时动态跟踪，同时通过均值滤波、边缘检测等算法获取该运动物体的轮廓特征，与预存的所述无人船的轮廓特征进行对比，从而判定检测到的运动物体是否为驶入的所述无人船，若是，则转步骤12，若不是，则停止对该物体的跟踪与记录，重复步骤11；

步骤12：通过回溯所述第二高速摄像机记录的所述无人船到达驶入触发线的图像，重新确定所述无人船船首进入所述第二高速摄像机的驶入触发线的精确时间t_bs，当所述无人船船尾通过所述第一高速摄像机的驶出触发线时，所述第一高速摄像机实时记录该时刻点作为所述无人船驶出测量段的终止时间t_be；

步骤13：所述全站仪对测量段的长度L进行精确计量，同时由所述全站仪对所述第一高速摄像机驶入触发线和驶出触发线之间的距离进行精确计量，由所述全站仪对所述第二高速摄像机驶入触发线和驶出触发线之间的距离进行精确计量，通过公式1-公式3计算所述无人船通过测量段、所述第一高速摄像机两触发线之间距离L₁、所述高速摄像机9两触发线之间距离L₂的速度。

步骤14：从所述待检声学多普勒流速剖面仪换能器测量的原始数据中均匀选取m个流速值计算算数平均值，作为流速测量值，与步骤13计算得到的标准流速值进行比对，实现流速参数的校准，m≥30；

步骤15：重复步骤6至步骤14，重复测量10次，实现所述待检声学多普勒流速剖面仪流速参数的校准。

进一步地，所述步骤13中若v₁≤v≤v₂，则将v作为标准流速值；若v≤v₁或v≥v₂，则比较|v-v₁|、|v-v₂|，若|v-v₁|<|v-v₂|，则将v＝v₁作为标准流速值；若|v-v₁|>|v-v₂|，则将v＝v₂作为标准流速值。

进一步地，所述流向校准方法具体包括如下步骤：

步骤一：由所述精密角度转盘调节所述待检声学多普勒流速剖面仪指示方向与所述无人船中轴线夹角至选定角度值；

步骤二：所述无人船以沿航迹线匀速行驶，设置所述GPS测量仪以1Hz的采样率实时采集所述无人船的位置信息，与航迹线坐标信息比较，计算不同时刻的航向偏离误差，将所述精密角度转盘设定方向值与航向偏离值矢量合成，作为该时刻的标准流向值；

步骤三：采集待检声学多普勒流速剖面仪在测量段的10个流向示值，选取同一时刻的流向示值与流向标准值进行比对分析，计算流向示值误差；

步骤四：在0°～180°范围内，均匀选择7个角度值0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°，重复步骤一至步骤三，进行所述待检声学多普勒流速剖面仪换能器流向参数的校准。

本发明有益效果是：试验水池为规则的半封闭长方体船闸，长180m，宽25m，深10m，闸门关闭时池内无潮位、风浪、水流等影响因素，水体有悬浮物质、分层流场，是优良的声学多普勒流速剖面仪(ADCP)校准场地；由于长方体船闸位于入海口，连接大河与大海，通过调节闸门开启幅度，可产生分层流场，能够为声学多普勒流速剖面仪(ADCP)提供流速校准环境；试验水池内水体含有声学多普勒频移测量原理必需的泥沙、浮游生物等反向散射体。150m的测量段能够保证ADCP连续采集至少30s的数据，25m宽的水域可避免多普勒流速剖面仪(ADCP)波束开角的边界混响干扰，10m的水深能够保证声学多普勒流速剖面仪(ADCP)在测量盲区之外进行分层流速采集，为本校准方法发明提供了可能性，新型无人船轻便、高稳定性、超强搭载兼容性的优点，无人船作为待检声学多普勒流速剖面仪的载体，用于带动待检声学多普勒流速剖面仪在试验水池中按设定的方向和速度运动，转接支架用于将GPS测量仪和精密角度转盘固定在无人船上，GPS测量仪用于接收GPS信号，实现无人船的绝对坐标定位，精密角度转盘用于调整待测多普勒流速剖面仪(ADCP)换能器与无人船首尾中心轴线的角度，实现所多普勒流速剖面仪(ADCP)换能器流向参数的校准，转接法兰盘用于固定连接精密角度转盘和多普勒流速剖面仪(ADCP)换能器，第一高速摄像机和第二高速摄像机用于实时监测无人船是否进入检测区域，并通过在各自的视场范围内设置触发线记录无人船进出检测区域的时间，通过计算得到无人船在检测区域内的平均速度，作为与多普勒流速剖面仪(ADCP)换能器流速测量结果进行比对的标准流速值，全站仪用于放样无人船行驶的航迹线，并测量第一高速摄像机两触发线间距离、第二高速摄像机两触发线间距离以及测量段长度；

无人船带ADCP沿航迹线往返航行测量航道流速，高速摄像机、量值可溯源的全站仪设备计量测量段内ADCP平均速度作为参考标准值与ADCP流速示值比对，进行流速参数校准；通过精密角度转盘，调节ADCP指示方向与航行方向夹角，测绘无人船运动轨迹和偏航误差，计算流向参考标准值，与ADCP流向示值进行比对，进行流向参数校准。

校准方法能够满足港口航道、水运工程、近岸沿海等浅水领域ADCP的流速和流向校准要求；解决声学多普勒流速剖面仪(ADCP)计量性能校准过程中的各种问题，建立测量仪器与计量标准的量值溯源链，保障声学多普勒流速剖面仪(ADCP)流速和流向的量值统一、准确可靠。

附图说明

图1是本发明的校准方法的原理示意图；

图2是本发明实施例1中校准装置的结构示意图；

图3是本发明实施例1中精密角度转盘、转接法兰盘、待测声学多普勒流速剖面仪的安装示意图；

图4是本发明实施例2中校准装置的结构示意图；

图5是本发明实施例2中充液囊的结构示意图.

图中：1.试验水池，2.无人船，3.转接支架，4.GPS测量仪，5.精密角度转盘，6.转接法兰盘，7.待测声学多普勒流速剖面仪，8.第一高速摄像机，9.第二高速摄像机，10.全站仪，11.试验水池长边壁，12.试验水池短边壁，13.航迹线，14.第一高速摄像机驶入触发线，15.第一高速摄像机驶出触发线，16.第二高速摄像机驶入触发线，17.第二高速摄像机驶出触发线，18.零度指示标志，19.加速段，20.测量段，21.减速段，22.配重调节仓，23.充液囊，24.充放液口，25.保护帽。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做出说明。

一种基于无人船的声学多普勒流速剖面仪校准装置，包括试验水池1、无人船2、转接支架3、GPS测量仪4、精密角度转盘5、第一高速摄像机8、第二高速摄像机9、全站仪10，转接支架3固定在无人船2上，转接支架3上部连接GPS测量仪4，精密角度转盘5通过转接法兰盘6连接待检声学多普勒流速剖面仪7，第一高速摄像机8和第二高速摄像机9光学中心连线平行于试验水池长边且远离试验水池1设置，全站仪10位于第一高速摄像机8和第二高速摄像机9光学中心连线远离试验水池1一侧。

第一高速摄像机8和第二高速摄像机9的光学中心轴线均垂直于试验水池的长边侧，全站仪位于第一高速摄像机和第二高速摄像机连线的中垂线上。

GPS测量仪4、精密角度转盘5、转接法兰盘6和待检声学多普勒流速剖面仪7的的轴线重合；

无人船2的尺寸为长1.5m×宽0.4m×高0.3m，无人船的最高运行速度为5m/s。

试验水池1按照无人船的运行状态分为加速段、测量段和减速段，加速段的长度不小于无人船由静止状态加速到最高速度时所行驶过的距离，减速段的长度不小于无人船由最高速度减速至静止状态时行驶过的距离，测量段作为待检声学多普勒流速剖面仪的流速参数校准的检测区域，测量段长度不小于无人船以最高运行速度匀速行驶30s所行驶过的距离；

试验水池1为规则的半封闭长方体船闸，长180m，宽25m，深10m，试验水池为有悬浮物质、分层流场的稳定试验场地。

试验水池1两短边壁中点连线作为无人船行驶的航迹线13，航迹线13平行于试验水池1的长边壁。由全站仪10进行试验水池1两短边壁中点的精确定位，将试验水池1两短边壁中点连线作为无人船2行驶的航迹线，该航迹线平行于试验水池1的长边壁，无人船2行驶时通过GPS测量仪4实时接收并纠正其绝对坐标位置，整个行驶过程中偏离航迹线的位移不超过20mm。

第一高速摄像机8和第二高速摄像机9选用同型号高速摄像机，第一高速摄像机8和第二高速摄像机9帧速率达到30fps以上，第一高速摄像机8和第二高速摄像机9各自视场范围内设置无人船驶入和驶出的触发线，进入第一高速摄像机视场范围的第一高速摄像机驶入触发线与试验水池内选取的无人船进入测量段的边界线重合，离开第二高速摄像机视场范围的第二高速摄像机驶出触发线与试验水池内选取的无人船离开测量段的边界线重合，第一高速摄像机8和第二高速摄像机9的视场大小均应保证无人船2在各高速摄像机的触发区域内能够以最高运行速度匀速运行3s以上。

一种基于无人船的声学多普勒流速剖面仪校准方法，其特征在于包括流速校准方法和流向校准方法，流速校准方法是指由无人船带动待检声学多普勒流速剖面仪沿水池短边中线即航迹线往返航行测量航道流速，第一高速摄像机、第二高速摄像机、量值可溯源的全站仪设备计量测量段内待检声学多普勒流速剖面仪的平均速度，将此平均速度作为参考标准值与待检声学多普勒流速剖面仪流速示值比对，进行流速参数校准；

流向校准方法通过加工量值可溯源的精密角度转盘，调节待检声学多普勒流速剖面仪指示方向与航行方向夹角，测绘无人船运动轨迹和偏航误差，计算流向参考标准值，与待检声学多普勒流速剖面仪流向示值进行比对，进行流向参数校准。

流速校准方法具体包括如下步骤：

步骤1：通过转接法兰盘将待检声学多普勒流速剖面仪安装到无人船的底部，调节待检声学多普勒流速剖面仪零度指示标志与精密角度转盘零的度指示标志重合，与待检声学多普勒流速剖面仪换能器连接的通讯电缆接入无人船的电子水密舱，平稳吊放无人船至试验水池；

步骤2：正常启动无人船、待检声学多普勒流速剖面仪和第一高速摄像机和第二高速摄像机，基于GPS测量仪的秒脉冲建立无人船、待检声学多普勒流速剖面仪换能器和第一高速摄像机和第二高速摄像机的时间同步基准；

步骤3：全站仪放样两条180m等长且平行的虚拟直线，其中，一条直线与试验水池的长边侧平行且通过试验水池的短边侧中点作为无人船行驶的设定航迹线，另一条直线位于第一高速摄像机和第二高速摄像机一侧作为计量标准线；

步骤4：根据试验水池的长度和无人船的最高行驶速度将试验水池的长边侧划分为加速段、测量段、减速段，各段分隔点的绝对坐标由全站仪放样的计量标准线确定，记录与计量标准线对应的设定航迹线上测量段的起始点与终止点绝对坐标值，将其输入到无人船平台系统控制软件中进行航线指令编辑；

步骤5：在测量段的起始位置和终止位置分别安装第一高速摄像机和第二高速摄像机，第一高速摄像机和第二高速摄像机的光学中心轴线均垂直于试验水池的长边侧，第一高速摄像机和第二高速摄像机的连线平行于试验水池的长边侧，第一高速摄像机视场范围的驶入触发线与试验水池内选取的无人船进入测量段的驶入边界线重合，第二高速摄像机视场范围的驶出触发线与试验水池内选取的无人船离开测量段的驶出边界线重合；

步骤6：无人船根据任务指令在试验水池中沿航迹线自主航行，待检声学多普勒流速剖面仪换能器在随无人船运动过程中向水下发射超声波束，水体中的悬浮物或泥沙对声波产生不规则散射，散射回波被接收换能器接收，待检声学多普勒流速剖面仪换能器在加速段内加速至设定速度后，匀速通过测量段，GPS测量仪的地面测量基站通过无线网桥进行航速实时监控、分析、存储；

步骤7：第一高速摄像机对视场区域进行实时监测，通过对试验水池的池面与视场内其它背景物体在颜色和纹理上的特征区别，提取试验水池在第一高速摄像机的视场范围内的池面轮廓线，通过逐帧做差比较的方法仅对该轮廓线内出现的动态物体进行判别，从而减小了第一高速摄像机对视场范围内池面以外移动物体的错误判别；

步骤8：当有运动物体通过第一高速摄像机的驶入触发线时，第一高速摄像机实时记录该时刻点，并采用粒子滤波算法对运动物体进行实时动态跟踪，同时通过均值滤波、边缘检测等算法获取该运动物体的轮廓特征，与预存的无人船的轮廓特征进行对比，从而判定检测到的运动物体是否为驶入的无人船，若是，则转步骤9，若不是，则停止对该物体的跟踪与记录，重复步骤8；

步骤9：通过回溯第一高速摄像机记录的无人船到达驶入触发线的图像，重新确定无人船船首进入第一高速摄像机的驶入触发线的精确时间作为无人船进入测量段的起始时间t_as，当无人船船尾通过第一高速摄像机的驶出触发线时，高速摄像机8实时记录该时刻点t_ae；

步骤10：第二高速摄像机对视场区域进行实时监测，通过对试验水池的池面与视场内其它背景物体在颜色和纹理上的特征区别，提取试验水池1在第二高速摄像机的视场范围内的池面轮廓线，通过逐帧做差比较的方法仅对该轮廓线内出现的动态物体进行判别，从而减小了第二高速摄像机对视场范围内池面以外移动物体的错误判别；

步骤11：当有运动物体通过第二高速摄像机9的驶入触发线16时，第二高速摄像机9实时记录该时刻点，并采用粒子滤波算法对运动物体进行实时动态跟踪，同时通过均值滤波、边缘检测等算法获取该运动物体的轮廓特征，与预存的无人船2的轮廓特征进行对比，从而判定检测到的运动物体是否为驶入的无人船2，若是，则转步骤12，若不是，则停止对该物体的跟踪与记录，重复步骤11；

步骤12：通过回溯第二高速摄像机记录的无人船到达驶入触发线的图像，重新确定无人船船首进入第二高速摄像机的驶入触发线的精确时间t_bs，当无人船船尾通过第一高速摄像机的驶出触发线时，第一高速摄像机实时记录该时刻点作为无人船驶出测量段的终止时间t_be；

步骤13：全站仪10对测量段的长度L进行精确计量，同时由全站仪对第一高速摄像机驶入触发线和驶出触发线之间的距离进行精确计量，由全站仪对第二高速摄像机驶入触发线和驶出触发线之间的距离进行精确计量，通过公式1-公式3计算无人船通过测量段、第一高速摄像机两触发线之间距离L₁、高速摄像机9两触发线之间距离L₂的速度。

步骤14：从待检声学多普勒流速剖面仪换能器测量的原始数据中均匀选取m个流速值计算算数平均值，作为流速测量值，与步骤13计算得到的标准流速值进行比对，实现流速参数的校准，m≥30；

步骤15：重复步骤6至步骤14，重复测量10次，实现待检声学多普勒流速剖面仪流速参数的校准。

进一步地，步骤13中若v₁≤v≤v₂，则将v作为标准流速值；若v≤v₁或v≥v₂，则比较|v-v₁|、|v-v₂|，若|v-v₁|<|v-v₂|，则将v＝v₁作为标准流速值；若|v-v₁|>|v-v₂|，则将v＝v₂作为标准流速值；

流向校准方法具体包括如下步骤：

步骤一：由精密角度转盘调节待检声学多普勒流速剖面仪指示方向与无人船中轴线夹角至选定角度值；

步骤二：无人船以沿航迹线匀速行驶，设置GPS测量仪以1Hz的采样率实时采集无人船的位置信息，与航迹线坐标信息比较，计算不同时刻的航向偏离误差，将精密角度转盘设定方向值与航向偏离值矢量合成，作为该时刻的标准流向值；

步骤三：采集待检声学多普勒流速剖面仪在测量段的10个流向示值，选取同一时刻的流向示值与流向标准值进行比对分析，计算流向示值误差；

步骤四：在0°～180°范围内，均匀选择7个角度值0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°，重复步骤一至步骤三，进行所述待检声学多普勒流速剖面仪换能器流向参数的校准。

实施例1

如图1至图3所示为一种基于无人船的声学多普勒流速剖面仪校准装置，包括流速检定装置、流向检定装置、试验水池1，流速检定装置包括无人船2、转接支架3、GPS测量仪4、第一高速摄像机8、第二高速摄像机9和全站仪1，转接支架3固定在无人船2上，转接支架采用能实现升降和360°旋转功能，以便调整待检声学多普勒流速剖面仪7在水下深度和旋转角度，转接支架3上部连接GPS测量仪4，下部连接精密角度转盘5，精密角度转盘5通过转接法兰盘6连接待测声学多普勒流速剖面仪7换能器，GPS测量仪4、精密角度转盘5、法兰盘6和声学多普勒流速剖面仪7的轴线重合，第一高速摄像机8和第二高速摄像机9放置于试验水池1长边侧11，第一高速摄像机8和第二高速摄像机9的光学中心轴线均垂直于试验水池1的长边侧11，第一高速摄像机8和第二高速摄像机9的光学中心连线平行于试验水池1的长边侧11，全站仪1位于第一高速摄像机8和第二高速摄像机9光学中心连线远离试验水池1一侧。

试验水池1用于为待测声学多普勒流速剖面仪7换能器的校准试验提供具有悬浮物质、分层流场的稳定试验场地，无人船2尺寸为1.5m(长)×0.4m(宽)×0.3m(深)，最高运行速度可达5m/s，选用高分子聚酯碳纤维作为船体材料，保证无人船2在具备足够的携带负载能力的同时具有结构紧凑、行驶阻力小、坚固耐用等特点，作为待测声学多普勒流速剖面仪7的载体，用于带动待测声学多普勒流速剖面仪7在试验水池1中按设定的方向和速度运动，转接支架3用于将GPS测量仪4和精密角度转盘5固定在无人船2上，GPS测量仪4用于接收GPS信号，实现无人船2的绝对坐标定位，精密角度转盘5用于调整待测声学多普勒流速剖面仪7换能器与无人船2首尾中心轴线的角度，实现待测声学多普勒流速剖面仪7流向参数的校准，转接法兰盘6用于固定连接精密角度转盘5和待测声学多普勒流速剖面仪7，第一高速摄像机8和第二高速摄像机9用于实时监测无人船2是否进入检测区域，并通过在各自的视场范围内设置触发线记录无人船2进出检测区域的时间，通过计算得到无人船2在检测区域内的平均速度，作为与待测声学多普勒流速剖面仪7流速测量结果进行比对的标准流速值，全站仪1用于放样无人船2行驶的航迹线，由全站仪1进行试验水池1两短边壁12中点的精确定位，将试验水池1两短边壁12中点连线作为无人船2行驶的航迹线，该航迹线平行于试验水池1的长边壁11，无人船2行驶时通过GPS测量仪4实时接收并纠正其绝对坐标位置，整个行驶过程中偏离航迹线13的位移不超过20mm，同时全站仪用于测量第一高速摄像机8两触发线间距离、第二高速摄像机9两触发线间距离以及测量段20长度。

试验水池1按照无人船2的运行状态分为加速段19、测量段20和减速段21，加速段19的长度应不小于无人船2由静止状态加速到最高速度时所行驶过的距离，减速段13的长度应不小于无人船2由最高速度减速至静止状态时行驶过的距离，测量段20作为待测声学多普勒流速剖面仪7流速参数校准的检测区域，长度应不小于无人船2以最高速度匀速行驶30s所行驶过的距离，该段长度由全站仪1进行精密测量。

第一高速摄像机8和第二高速摄像机9选用同型号高速摄像机，帧速率达到30fps以上，在两摄像机各自视场范围内设置无人船2驶入和驶出的触发线，其中，第一高速摄像机8视场范围的驶入触发线14与试验水池1内选取的无人船2进入测量段20的边界线重合，第二高速摄像机视场范围的驶出触发线17与试验水池1内选取的无人船2离开测量段20的边界线重合，第一高速摄像机8和第二高速摄像机9的视场大小均应保证无人船2在各高速摄像机的触发区域内能够以最高速度匀速运行3s以上。

一种基于无人船的声学多普勒流速剖面仪校准方法，其特征在于，包括流速校准方法和流向校准方法，其中，流速校准方法包括如下步骤：

步骤1：通过转接法兰盘6将待测声学多普勒流速剖面仪7安装到无人船2的底部，调节待测声学多普勒流速剖面仪7零度指示标志与精密角度转盘5零度指示标志18重合，与待测声学多普勒流速剖面仪7换能器连接的通讯电缆接入无人船2的电子水密舱，平稳吊放无人船2至试验水池1；

步骤2：正常启动无人船2、待测声学多普勒流速剖面仪7换能器和第一高速摄像机8和第二高速摄像机9，基于GPS测量仪4的秒脉冲(1pps)建立无人船2、待测声学多普勒流速剖面仪77和第一高速摄像机8和第二高速摄像机9的时间同步基准；

步骤3：由全站仪1放样两条180m等长且平行的虚拟直线，其中，一条直线与试验水池1的长边侧平行且通过试验水池1的短边侧中点，该直线作为无人船2行驶的设定航迹线13，另一条直线位于第一高速摄像机8和第二高速摄像机9一侧，该直线作为计量标准线；

步骤4：根据试验水池1的长度和无人船2的最高行驶速度将试验水池1的长边侧划分为加速段19、测量段20、减速段21，各段分隔点的绝对坐标由全站仪1放样的计量标准线确定，记录与计量标准线对应的设定航迹线上测量段20的起始点与终止点绝对坐标值，将其输入到无人船2平台系统控制软件中进行航线指令编辑。

步骤5：在测量段20的起始位置和终止位置分别安装第一高速摄像机8和第二高速摄像机9，第一高速摄像机8和第二高速摄像机9的光学中心轴线均垂直于试验水池1的长边侧，第一高速摄像机8和第二高速摄像机9的光学中心连线平行于试验水池1的长边侧，第一高速摄像机8视场范围的驶入触发线14与试验水池1内选取的无人船2进入测量段20的驶入边界线重合，第二高速摄像机9视场范围的驶出触发线17与试验水池1内选取的无人船2离开测量段20的驶出边界线重合；

步骤6：无人船2根据事先编辑的任务指令在试验水池1中沿航迹线自主航行，声学多普勒流速剖面仪7在随无人船5运动过程中向水下发射超声波束，水体中的悬浮物或泥沙等对声波产生不规则散射，散射回波被接收换能器接收，声学多普勒流速剖面仪7在加速段11内加速至设定速度后，匀速通过测量段20，GPS 4的地面测量基站通过无线网桥进行航速实时监控、分析、存储；

步骤7：第一高速摄像机8对视场区域进行实时监测，通过对试验水池1的池面与视场内其它背景物体在颜色和纹理上的特征区别，提取试验水池1在第一高速摄像机8的视场范围内的池面轮廓线，通过逐帧做差比较的方法仅对该轮廓线内出现的动态物体进行判别，从而减小了第一高速摄像机8对视场范围内池面以外移动物体的错误判别；

步骤8：当有运动物体通过第一高速摄像机8的驶入触发线14时，第一高速摄像机8实时记录该时刻点，并采用粒子滤波算法对运动物体进行实时动态跟踪，同时通过均值滤波、边缘检测等算法获取该运动物体的轮廓特征，与预存的无人船2的轮廓特征进行对比，从而判定检测到的运动物体是否为驶入的无人船2，若是，则转步骤9，若不是，则停止对该物体的跟踪与记录，重复步骤8；

步骤9：通过回溯第一高速摄像机8记录的无人船2到达驶入触发线14的图像，重新确定无人船2船首进入第一高速摄像机8的驶入触发线的精确时间作为无人船2进入测量段20的起始时间t_as，当无人船2船尾通过第一高速摄像机8的驶出触发线15时，第一高速摄像机8实时记录该时刻点t_ae；

步骤10：第二高速摄像机9对视场区域进行实时监测，通过对试验水池1的池面与视场内其它背景物体在颜色和纹理上的特征区别，提取试验水池1在第二高速摄像机9的视场范围内的池面轮廓线，通过逐帧做差比较的方法仅对该轮廓线内出现的动态物体进行判别，从而减小了第二高速摄像机9对视场范围内池面以外移动物体的错误判别；

步骤11：当有运动物体通过第二高速摄像机9的驶入触发线16时，第二高速摄像机9实时记录该时刻点，并采用粒子滤波算法对运动物体进行实时动态跟踪，同时通过均值滤波、边缘检测等算法获取该运动物体的轮廓特征，与预存的无人船2的轮廓特征进行对比，从而判定检测到的运动物体是否为驶入的无人船2，若是，则转步骤12，若不是，则停止对该物体的跟踪与记录，重复步骤11；

步骤12：通过回溯第二高速摄像机9记录的无人船2到达驶入触发线16的图像，重新确定无人船2船首进入第二高速摄像机9的驶入触发线的精确时间t_bs，当无人船2船尾通过第一高速摄像机8的驶出触发线17时，第一高速摄像机8实时记录该时刻点作为无人船2驶出测量段20的终止时间t_be；

步骤13：由全站仪10对测量段20的长度L进行精确计量，同时由全站仪对第一高速摄像机驶入触发线14和驶出触发线15之间的距离L₁进行精确计量，由全站仪对第二高速摄像机驶入触发线16和驶出触发线17之间的距离L₂进行精确计量，通过公式(1)-公式(3)计算无人船2通过测量段20、第一高速摄像机8两触发线之间距离L₁、第二高速摄像机9两触发线之间距离L₂的速度。

若v₁≤v≤v₂，则将v作为标准流速值，若v≤v₁或v≥v₂，则比较|v-v₁|、|v-v₂|，若|v-v₁|<|v-v₂|，则将v＝v₁作为标准流速值，若|v-v₁|>|v-v₂|，则将v＝v₂作为标准流速值；

步骤14：从待测声学多普勒流速剖面仪测量的原始数据中均匀选取m个流速值计算算数平均值，作为流速测量值，与步骤13计算得到的标准流速值进行比对，实现流速参数的校准，其中m的选择依据试验水池1的尺寸和无人船2的速度确定，通常m≥30；

步骤15：重复步骤6至步骤14，重复测量10次，实现声学多普勒流速剖面仪7流速参数的校准。

流向校准方法如下：

步骤一：流向校准的前期准备、试验条件、声学多普勒流速剖面仪的安装及设置与流速校准方法一致；

步骤二：由精密角度转盘5调节声学多普勒流速剖面仪7指示方向与无人船2中轴线夹角至选定角度值；

步骤三：无人船2以3m/s沿航迹线匀速行驶，设置GPS测量仪4以1Hz的采样率实时采集无人船2的位置信息，与航迹线坐标信息比较，计算不同时刻的航向偏离误差，将精密角度转盘5设定方向值与航向偏离值矢量合成，作为该时刻的标准流向值；

步骤四：采集待测声学多普勒流速剖面仪在测量段20的10个流向示值，选取同一时刻的流向示值与流向标准值进行比对分析，计算流向示值误差；

步骤五：在0°～180°范围内，均匀选择7个角度值(0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°)，重复步骤二至步骤四，进行声学多普勒流速剖面仪流向参数的校准。

工作时，采用上述流速和流向校准方法对声学多普勒流速剖面仪换能器输出的流速和流向测量数据进行实时动态校准，测量数据如表1和表2所示。

表1声学多普勒流速剖面仪流速参数校准

表2声学多普勒流速剖面仪流向参数校准

工程应用过程中，要求流速最大允许误差为v×1％±0.005m/s，流向最大允许误差为±5°，从表1和表2中的测量结果可看出，采用本发明中的基于无人船的声学多普勒流速剖面仪校准装置和校准方法，其示值误差远小于工程应用中最大允许误差，具有测量精度高、速度快、灵活性好、易于实现的优点，对于提高多普勒流速剖面仪测量数据的准确性、稳定性和可靠性，规范声学多普勒流速剖面仪的使用与管理具有重要意义。

实施例2

除以上技术方案外，还包括以下技术方案：

无人船2内设置配重调节仓22，配重调节仓22内设置充液囊23，充液囊采用弹性材料，具有一定的强度，充液囊上设置充放液口24，充放液口24上设置保护帽25，充液口24与保护帽25采用可拆卸连接结构连接，可拆卸连接结构如螺纹连接。通过调节配重调节仓22内充液囊23的充液量调整配重，以保持无人船2的重心稳定，防止无人船发生倾覆，也使得无人船2转接支架垂直于静止水面，转接支架下端连接待检声学多普勒流速剖面仪，避免待检声学多普勒流速剖面仪7测量流速和流向数据的产生误差。

与现有技术相比，设计合理，试验水池为规则的半封闭长方体船闸，长180m，宽250m，深10m，闸门关闭时池内无潮位、风浪、水流等影响因素，水体有悬浮物质、分层流场，是优良的声学多普勒流速剖面仪(ADCP)校准场地；由于长方体船闸位于入海口，连接大河与大海，通过调节闸门开启幅度，可产生分层流场，能够为声学多普勒流速剖面仪(ADCP)提供流速校准环境；试验水池内水体含有声学多普勒频移测量原理必需的泥沙、浮游生物等反向散射体。150m的测量段能够保证ADCP连续采集至少30s的数据，25m宽的水域可避免多普勒流速剖面仪(ADCP)波束开角的边界混响干扰，10m的水深能够保证声学多普勒流速剖面仪(ADCP)在测量盲区之外进行分层流速采集，为本校准方法发明提供了可能性，新型无人船轻便、高稳定性、超强搭载兼容性的优点，无人船2作为待检声学多普勒流速剖面仪的载体，用于带动待检声学多普勒流速剖面仪在试验水池中按设定的方向和速度运动，转接支架用于将GPS测量仪和精密角度转盘固定在无人船上，GPS测量仪用于接收GPS信号，实现无人船的绝对坐标定位，精密角度转盘用于调整待测多普勒流速剖面仪(ADCP)换能器与无人船首尾中心轴线的角度，实现所多普勒流速剖面仪(ADCP)换能器流向参数的校准，转接法兰盘用于固定连接精密角度转盘5和多普勒流速剖面仪(ADCP)换能器，第一高速摄像机和第二高速摄像机用于实时监测无人船是否进入检测区域，并通过在各自的视场范围内设置触发线记录无人船进出检测区域的时间，通过计算得到无人船在检测区域内的平均速度，作为与多普勒流速剖面仪(ADCP)换能器流速测量结果进行比对的标准流速值，全站仪用于放样无人船行驶的航迹线，并测量第一高速摄像机两触发线间距离、第二高速摄像机两触发线间距离以及测量段20长度；

无人船带ADCP沿航迹线往返航行测量航道流速，高速摄像机、量值可溯源的全站仪设备计量测量段内ADCP平均速度作为参考标准值与ADCP流速示值比对，进行流速参数校准；通过精密角度转盘，调节ADCP指示方向与航行方向夹角，测绘无人船运动轨迹和偏航误差，计算流向参考标准值，与ADCP流向示值进行比对，进行流向参数校准。

校准方法能够满足港口航道、水运工程、近岸沿海等浅水领域ADCP的流速和流向校准要求；解决声学多普勒流速剖面仪(ADCP)计量性能校准过程中的各种问题，建立测量仪器与计量标准的量值溯源链，保障声学多普勒流速剖面仪(ADCP)流速和流向的量值统一、准确可靠。

以上对本发明的实例进行了详细说明，但内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.一种基于无人船的声学多普勒流速剖面仪校准装置，其特征在于包括试验水池、无人船、转接支架、GPS测量仪、第一高速摄像机、第二高速摄像机、全站仪、精密角度转盘，所述转接支架固定在所述无人船上，转接支架上部连接所述GPS测量仪，所述精密角度转盘通过所述转接法兰盘连接待检声学多普勒流速剖面仪，所述第一高速摄像机和所述第二高速摄像机光学中心连线平行于所述试验水池长边且远离所述试验水池设置，所述全站仪位于所述第一高速摄像机和所述第二高速摄像机光学中心连线远离所述试验水池一侧。

2.根据权利要求1所述的一种基于无人船的声学多普勒流速剖面仪校准装置，其特征在于所述第一高速摄像机和所述第二高速摄像机的光学中心轴线均垂直于所述试验水池的长边侧。

3.根据权利要求2所述的一种基于无人船的声学多普勒流速剖面仪校准装置，其特征在于所述GPS测量仪、所述精密角度转盘、所述转接法兰盘和所述待检声学多普勒流速剖面仪的轴线重合；

优选地，所述无人船的尺寸为长1.5m×宽0.4m×高0.3m，所述无人船的最高运行速度为5m/s。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种基于无人船的声学多普勒流速剖面仪校准装置，其特征在于所述试验水池按照所述无人船的运行状态分为加速段、测量段和减速段，所述加速段的长度不小于所述无人船由静止状态加速到最高速度时所行驶过的距离，所述减速段的长度不小于所述无人船由最高速度减速至静止状态时行驶过的距离，所述测量段作为所述待检声学多普勒流速剖面仪的流速参数校准的检测区域，所述测量段长度不小于所述无人船以最高运行速度匀速行驶30s所行驶过的距离；

所述试验水池为规则的半封闭长方体船闸，长180m，宽25m，深10m，所述试验水池为有悬浮物质、分层流场的稳定试验场地。

5.根据权利要求1、2或3所述的一种基于无人船的声学多普勒流速剖面仪校准装置，其特征在于所述试验水池两短边壁中点连线作为所述无人船行驶的航迹线，所述航迹线平行于所述试验水池的长边壁。

6.根据权利要求1、2或3所述的一种基于无人船的声学多普勒流速剖面仪校准装置，其特征在于所述第一高速摄像机和所述第二高速摄像机选用同型号高速摄像机，所述第一高速摄像机和所述第二高速摄像机帧速率达到30fps以上，所述第一高速摄像机和所述第二高速摄像机各自视场范围内设置所述无人船驶入和驶出的触发线，进入所述第一高速摄像机视场范围的驶入触发线与所述试验水池内选取的所述无人船进入所述测量段的边界线重合，离开所述第二高速摄像机视场范围的驶出触发线与所述试验水池内选取的所述无人船离开所述测量段的边界线重合，所述第一高速摄像机和所述第二高速摄像机的视场大小均应保证所述无人船在各高速摄像机的触发区域内能够以最高运行速度匀速运行3s以上。

7.一种基于无人船的声学多普勒流速剖面仪校准方法，其特征在于包括流速校准方法和流向校准方法，流速校准方法是指由无人船带动待检声学多普勒流速剖面仪沿水池短边中线即航迹线往返航行测量航道流速，第一高速摄像机、第二高速摄像机、量值可溯源的全站仪设备计量测量段内待检声学多普勒流速剖面仪的平均速度，将此平均速度作为参考标准值与待检声学多普勒流速剖面仪流速示值比对，进行流速参数校准；

流向校准方法通过加工量值可溯源的精密角度转盘，调节待检声学多普勒流速剖面仪指示方向与航行方向夹角，测绘无人船运动轨迹和偏航误差，计算流向参考标准值，与待检声学多普勒流速剖面仪流向示值进行比对，进行流向参数校准。

8.根据权利要求7所述的一种基于无人船的声学多普勒流速剖面仪校准装置，其特征在于所述流速校准方法具体包括如下步骤：

步骤1：通过转接法兰盘将待检声学多普勒流速剖面仪安装到所述无人船的底部，调节所述待检声学多普勒流速剖面仪零度指示标志与精密角度转盘零度指示标志重合，与所述待检声学多普勒流速剖面仪换能器连接的通讯电缆接入所述无人船的电子水密舱，平稳吊放所述无人船至所述试验水池；

步骤2：正常启动所述无人船、所述待检声学多普勒流速剖面仪和所述第一高速摄像机和所述第二高速摄像机，基于所述GPS测量仪的秒脉冲建立所述无人船、所述待检声学多普勒流速剖面仪换能器和所述第一高速摄像机和所述第二高速摄像机的时间同步基准；

步骤3：所述全站仪放样两条180m等长且平行的虚拟直线，其中，一条直线与所述试验水池的长边侧平行且通过所述试验水池的两短边侧中点作为所述无人船行驶的设定航迹线，另一条直线位于所述第一高速摄像机和所述第二高速摄像机一侧作为计量标准线；

步骤4：根据所述试验水池的长度和所述无人船的最高行驶速度将所述试验水池的长边侧划分为加速段、测量段、减速段，各段分隔点的绝对坐标由所述全站仪放样的计量标准线确定，记录与计量标准线对应的设定航迹线上测量段的起始点与终止点绝对坐标值，将其输入到所述无人船平台系统控制软件中进行航线指令编辑；

步骤5：在所述测量段的起始位置和终止位置分别安装所述第一高速摄像机和所述第二高速摄像机，所述第一高速摄像机和所述第二高速摄像机的光学中心轴线均垂直于所述试验水池的长边侧，所述第一高速摄像机和所述第二高速摄像机的光学中心连线平行于所述试验水池的长边侧，所述第一高速摄像机视场范围的驶入触发线与所述试验水池内选取的所述无人船进入所述测量段的驶入边界线重合，所述第二高速摄像机视场范围的驶出触发线与所述试验水池内选取的所述无人船离开所述测量段的驶出边界线重合；

步骤6：所述无人船根据任务指令在所述试验水池中沿航迹线自主航行，所述待检声学多普勒流速剖面仪换能器在随无人船运动过程中向水下发射超声波束，水体中的悬浮物或泥沙对声波产生不规则散射，散射回波被接收换能器接收，所述待检声学多普勒流速剖面仪换能器在加速段内加速至设定速度后，匀速通过测量段，所述GPS测量仪的地面测量基站通过无线网桥进行航速实时监控、分析、存储；

步骤7：所述第一高速摄像机对视场区域进行实时监测，通过对所述试验水池的池面与视场内其它背景物体在颜色和纹理上的特征区别，提取所述试验水池在所述第一高速摄像机的视场范围内的池面轮廓线，通过逐帧做差比较的方法仅对该轮廓线内出现的动态物体进行判别，从而减小了所述第一高速摄像机对视场范围内池面以外移动物体的错误判别；

步骤8：当有运动物体通过所述第一高速摄像机的驶入触发线时，所述第一高速摄像机实时记录该时刻点，并采用粒子滤波算法对运动物体进行实时动态跟踪，同时通过均值滤波、边缘检测等算法获取该运动物体的轮廓特征，与预存的所述无人船的轮廓特征进行对比，从而判定检测到的运动物体是否为驶入的所述无人船，若是，则转步骤9，若不是，则停止对该物体的跟踪与记录，重复步骤8；

步骤9：通过回溯所述第一高速摄像机记录的所述无人船到达驶入触发线的图像，重新确定所述无人船船首进入所述第一高速摄像机的驶入触发线的精确时间作为所述无人船进入测量段的起始时间t_as，当所述无人船船尾通过所述第一高速摄像机的驶出触发线时，所述第一高速摄像机实时记录该时刻点t_ae；

步骤10：所述第二高速摄像机对视场区域进行实时监测，通过对所述试验水池的池面与视场内其它背景物体在颜色和纹理上的特征区别，提取所述试验水池在所述第二高速摄像机的视场范围内的池面轮廓线，通过逐帧做差比较的方法仅对该轮廓线内出现的动态物体进行判别，从而减小了所述第二高速摄像机对视场范围内池面以外移动物体的错误判别；

步骤11：当有运动物体通过所述第二高速摄像机的驶入触发线时，所述第二高速摄像机实时记录该时刻点，并采用粒子滤波算法对运动物体进行实时动态跟踪，同时通过均值滤波、边缘检测等算法获取该运动物体的轮廓特征，与预存的所述无人船的轮廓特征进行对比，从而判定检测到的运动物体是否为驶入的所述无人船，若是，则转步骤12，若不是，则停止对该物体的跟踪与记录，重复步骤11；

步骤12：通过回溯所述第二高速摄像机记录的所述无人船到达驶入触发线的图像，重新确定所述无人船船首进入所述第二高速摄像机的驶入触发线的精确时间t_bs，当所述无人船船尾通过所述第一高速摄像机的驶出触发线时，所述第一高速摄像机实时记录该时刻点作为所述无人船驶出测量段的终止时间t_be；

步骤13：所述全站仪对测量段的长度L进行精确计量，同时由所述全站仪对所述第一高速摄像机驶入触发线和驶出触发线之间的距离进行精确计量，由所述全站仪对所述第二高速摄像机驶入触发线和驶出触发线之间的距离进行精确计量，通过公式1-公式3计算所述无人船通过测量段、所述第一高速摄像机两触发线之间距离L₁、所述第二高速摄像机两触发线之间距离L₂的速度。

步骤14：从所述待检声学多普勒流速剖面仪换能器测量的原始数据中均匀选取m个流速值计算算数平均值，作为流速测量值，与步骤13计算得到的标准流速值进行比对，实现流速参数的校准，m≥30；

步骤15：重复步骤6至步骤14，重复测量10次，实现所述待检声学多普勒流速剖面仪流速参数的校准。

9.根据权利要求8所述的一种基于无人船的声学多普勒流速剖面仪校准装置，其特征在于所述步骤13中若v₁≤v≤v₂，则将v作为标准流速值；若v≤v₁或v≥v₂，则比较|v-v₁|、|v-v₂|，若|v-v₁|<|v-v₂|，则将v＝v₁作为标准流速值；若|v-v₁|>|v-v₂|，则将v＝v₂作为标准流速值。

10.根据权利要7、8或9所述的一种基于无人船的声学多普勒流速剖面仪校准装置，其特征在于所述流向校准方法具体包括如下步骤：

步骤一：由所述精密角度转盘调节所述待检声学多普勒流速剖面仪指示方向与所述无人船中轴线夹角至选定角度值；

步骤二：所述无人船以沿航迹线匀速行驶，设置所述GPS测量仪以1Hz的采样率实时采集所述无人船的位置信息，与航迹线坐标信息比较，计算不同时刻的航向偏离误差，将所述精密角度转盘设定方向值与航向偏离值矢量合成，作为该时刻的标准流向值；

步骤三：采集待检声学多普勒流速剖面仪在测量段的10个流向示值，选取同一时刻的流向示值与流向标准值进行比对分析，计算流向示值误差；

步骤四：在0°～180°范围内，均匀选择7个角度值0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°，重复步骤一至步骤三，进行所述待检声学多普勒流速剖面仪换能器流向参数的校准。

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