基于計算機的信息數據處理方法研究

趙艷斌

（鄭州煤礦機械制造技工學校，河南 鄭州 450013）

基于計算機的信息數據處理方法研究

趙艷斌

（鄭州煤礦機械制造技工學校，河南 鄭州 450013）

針對目前數據質量控制和處理方法的問題，采用拉依達準則剔除異常數據，卡爾曼濾波處理同一水層的數據，平滑濾波處理剖面上的數據，Akima插值計算缺測層的數據。通過實驗檢驗，非常有效。

ADCP;卡爾曼濾波;平滑;Akima

聲學多普勒測流剖面儀（ADCP）是目前國際上測量多層海流剖面的最有效方法，但目前國內比較實用的后處理軟件還沒有，并且ADCP的數據后處理和質量控制尚未形成統一通用的規范和標準。ADCP生產商提供的說明文檔也主要側重于ADCP的觀測和維護，對ADCP的數據后處理和質量控制涉及很少。

1 ADCP測流基本原理

ADCP通過測定聲波入射到海水中微顆粒后向散射在頻率上的多普勒頻移，從而得到水層水體的運動速度。假定水體中顆粒物的運動速度與水流速度相同，ADCP通過跟蹤顆粒物的運動，測定水流相對于ADCP的速度，此速度扣除載體速度后，即得到水流相對于地球坐標系的絕對速度。載體速度主要通過底跟蹤測定。

2 數據處理技術

（1）數據剔除。ADCP測量時，由于儀器失靈或外界條件的嚴重干擾，會出現少數比正常值大得多或小得多的所謂異常數據。先分別計算東分量流速和北分量流速在1min觀測時間段內的均值和標準差，剔除偏離3倍標準差的的數據，然后循環這一過程，直到所有剩余數據值在3倍的標準差內，再對這些1min內的觀測數據進行平均構成常規1次/min的海流觀測結果，即拉依達準則。這是獲得較為準確的絕對水流數據的前提。

（2）卡爾曼濾波。針對ADCP在163min內所測量的海流數據，用上述異常數據剔除的方法處理每層數據后，每層可以得到163個海流數據，發現一些層的海流數據因船舶本身噪聲和海洋中生物的運動存在很大隨機波動，在處理過程中，必須將這些不能反映海洋內部流場狀態的噪音去掉。這里采用卡爾曼濾波?？柭鼮V波基本公式如下：

用卡爾曼濾波對東分量流速和北分量流速濾波后再合成，其流速、流向仿真結果如圖1所示：

圖1 流速與流向的濾波前與濾波后的比較圖

如圖1所示，可以看出，變化幅度大的地方，確實已經被濾掉，無論是流速矢量的大小還是方向同，明顯失真的數據已被濾掉，而濾波結果又能很好反映這段時間內流速的變化。

（3）脈動性數據處理。對每層海流數據卡爾曼濾波后，發現ADCP剖面數據具有脈動性。將脈動性數據平滑處理，這里用五點三次平滑方法。假設所用數據是x和y組成的一組測量數據 ｛(xi,yi),i=0,1,…,n-1｝,雖然x和y之間的函數形式不可知，但總可以找到一個多項式來近似地描述y與x的關系。因此有：y=a0+a1x+a2x+…aktk，當k=3時就是三次多項式，在每個數據點的前后各取2個相鄰點，并通過最小二乘法確定系統a0、a1、a2、a3,得到五點三次遞歸平滑公式如下：

其中表示的平滑值。以ADCP測量的一組垂直剖面上的流速數據為例，對其進行五點三次平滑，結果如圖2所示：

圖 2流速平滑前與平滑后的比較

由結果可知，脈動現象基本被消除，平滑后的曲線進一步揭示了垂直剖面水流速度的特征。另外，平滑濾波有效地提高了數據的準確度。

（4）內插計算缺測層的流速流向。在ADCP測量中，一方面實測水層往往不是預定的標準層，另一方面由于儀器發生故障會發生待定層次的缺測現象，需用實測值進行內插處理。Akima插值法具有較高的精度、較好的光滑性和保凸性等特點。對于結點x0＜x1＜…＜xn-1，其對應的函數值為y0,y1,…,yn-1。在區間 ［xk,xk+1］（k=0,1,…n-2）上，

則在些區間上可以確定一個三次多項式：s(x)=s0+s1(x-xk)+s2(x-xk)2+s3(x-xk)3，其中x∈ ［xk,xk+1］,s0,s1,s2,s3為系數。此時可用三次多項式確定該區間上的插值點t對應的函數值。根據Akima幾何條件有:

當uk+1=uk且uk-1=uk-2時，gk=0.5(uk-1-uk)

當uk+2=uk+1且uk=uk-1時，gk+1=0.5(uk-uk+1)

在端點處有：

最后得到x∈ ［xk,xk+1］的函數近似為：

流速計算步驟是先分別對東向、北向速度進行Akima插值，再合成，流向是東向、北向速度的反正切。

3 結語

文章主要是研究ADCP數據處理的方法，利用卡爾曼濾波處理同一水層的數據、平滑濾波處理垂直剖面上的數據以及Akima插值方法計算缺測層的數據。通過實驗及與標準數據的比較，驗證了這種ADCP數據處理方法的有效性。

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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

趙艷斌（1980-），男，河南武陟人，大學本科，講師，主要研究方向：技工學校計算機教育教學研究。