ADCP基本原理及應(yīng)用

1、!* 1=1sKfs4LU田矽血疋 XtC 口K" S" » rK1ADCP基本原理及應(yīng)用余亮亮1,2，謝悅波1,2,1河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京（210098）;2河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，南京（210098）E-mail ： lianglshe摘要：多普勒測流儀（ADCP）是當(dāng)前在水文行業(yè)推廣的一種新型測流儀器，該儀器利用聲 學(xué)多普勒原理，測量水流速度剖面，具有測驗(yàn)時(shí)間短、分辨率高、精度好、資料完整、信息 量大等優(yōu)點(diǎn)。本文詳細(xì)介紹了多普勒測流儀測流的基本原理，通過實(shí)例，比較它與傳統(tǒng)流速儀的測量結(jié)果，并分析誤差的來源和合理性，說明其在感潮

2、河段測流測驗(yàn)中，表現(xiàn)出速度快、 精度高、省時(shí)省力，較傳統(tǒng)流速儀所不可比擬的優(yōu)越性，因此在復(fù)雜的長江河口地區(qū)應(yīng)大力推廣該技術(shù)，加快實(shí)現(xiàn)水文水利現(xiàn)代化。關(guān)鍵詞：ADCP，原理，優(yōu)越性中圖分類號：P331. 引言聲學(xué)多普勒流速剖面儀 （Acoustic Doppler Current Profiler ）（圖1）的英文縮寫為 ADCP， 它是近十多年才發(fā)展和應(yīng)用的一種快速、經(jīng)濟(jì)、有效的高精度測流儀器。該儀器自20世紀(jì)90年代初被引進(jìn)我國，至今已在我國的河流、湖泊、海洋等的水體流量測驗(yàn)中廣泛應(yīng)用， 特別是在潮汐河段的水文測驗(yàn)中應(yīng)用較多。圖1聲學(xué)多普勒流速剖面儀2. 聲學(xué)多普勒原理與方法簡介ADCP安裝

3、在特制的船上（圖2），每個(gè)ADCP配有4個(gè)換能器（圖3），換能器與ADCP 軸線成一定夾角，每個(gè)換能器既是發(fā)射器又是接收器。換能器發(fā)射的聲波能集中于較窄的范圍內(nèi)，也稱為聲束。換能器發(fā)射固定頻率的聲波， 然后聆聽被水體中顆粒物散射回來的聲波。 假定顆粒物的運(yùn)動(dòng)速度和水體流速相同，當(dāng)顆粒物的運(yùn)動(dòng)方向接近換能器時(shí)，換能器聆聽到的回波頻率比發(fā)射波的頻率高；當(dāng)顆粒物的運(yùn)動(dòng)方向背離換能器時(shí)，換能器聆聽到的回波頻率比發(fā)射波的頻率低。聲學(xué)多普勒頻移，即發(fā)射聲波頻率與回波頻率之差由下式確定：Fd=2Fsc式中：Fd為聲學(xué)多普勒頻移， Fs為發(fā)射聲波頻率， V為顆粒物沿聲束方向的移動(dòng)速 度，C為聲波在水中的傳播速

4、度， 2為系數(shù)。ADCP既能發(fā)射聲波又能接受回波，因此多普 勒頻移加倍。圖2裝載ADCP的特制船只圖3四聲束ADCP換能器分布及編號示意圖ADCP基于如下公式計(jì)算流量：T d-、Qt = / /（Vf 泌）?kzdt式中：Qt為對應(yīng)于測驗(yàn)起點(diǎn)與終點(diǎn)之間的流量，不包括岸邊非實(shí)測區(qū)的流量；Vf為測船航跡斷面某微元處流速矢量；dz為垂向微元長度；dt為時(shí)間微元；Vb為測船速度矢量；T為測船從測驗(yàn)起點(diǎn)至終點(diǎn)的航行時(shí)間；d為水深；k為垂向坐標(biāo)單位矢量。ADCP每個(gè)換能器軸線即為1個(gè)聲束坐標(biāo)，每個(gè)換能器測量的流速是水流沿其聲束坐標(biāo)方向的速度，任意3個(gè)換能器軸線即組成一組相互獨(dú)立的空間聲束坐標(biāo)。此外，ADC

5、P自身定義有直角坐標(biāo)系：X-Y-Z 。Z方向與ADCP軸線方向一致。ADCP首先測出沿每一聲束坐標(biāo) 的流速分量，然后利用聲束坐標(biāo)與X-Y-Z坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，將聲束坐標(biāo)系下的流速轉(zhuǎn)換為X-Y-Z坐標(biāo)系下的三維流速，再利用羅盤和傾斜儀提供的方向、傾斜數(shù)據(jù)將X-Y-Z坐標(biāo)系下的流速轉(zhuǎn)換為地球坐標(biāo)系下的流速2。而利用四個(gè)波束測量，增加了測量信息量，使流速測量的短期精度比采用三波束提高了25%，其對稱性，能夠有效地消除由于船只橫搖和縱擺引起的流速測量誤差。-2 -!# 1=1sKfs4圖4 ADCP原理流程圖3. 與傳統(tǒng)測流方法的比較3.1相同點(diǎn)從理論上講，ADCP流量測驗(yàn)原理與傳統(tǒng)的人工船測、橋測

6、、纜道測量和涉水測量的基 本原理一樣，都是在測流斷面上布設(shè)多條測速垂線，在每條測速垂線處測量水深并測量多點(diǎn)的流速，經(jīng)計(jì)算得到垂線平均流速。3.2不同點(diǎn)兩者的主要區(qū)別在于： 傳統(tǒng)流速儀是靜態(tài)方法，流速儀固定于水中不同深度逐點(diǎn)施測（一般采用三點(diǎn)法或五點(diǎn)法，一個(gè)點(diǎn)100s，按公式求出測點(diǎn)流速，再求出垂線流速）。而ADCP方法是動(dòng)態(tài)方法，其在隨測船移動(dòng)過程中持續(xù)發(fā)射脈沖波進(jìn)行測量。傳統(tǒng)測量法中垂線”的條數(shù)有限，一般一個(gè)河流斷面只布設(shè)多條垂線，而每條垂線一般測出15個(gè)不同深度點(diǎn)上的流速。但 ADCP在移動(dòng)過程中所測的垂線可以是非常多的條數(shù)。在每條垂線”上根據(jù)設(shè)置不同厚度的深度單元，相應(yīng)測到幾十個(gè)甚至上百

7、個(gè)不同深度點(diǎn)的流速值。通過軟件將各個(gè)深度單元的流速數(shù)據(jù)組合成流速剖面，進(jìn)而計(jì)算處理得出測流斷面的過水流量。傳統(tǒng)方法的測流斷面通常要求垂直于河岸，而用ADCP方法則無任何限制。船只航行的軌跡可以是隨機(jī)的斜線或曲線，加大了工作避讓的機(jī)動(dòng)性和靈活程度。傳統(tǒng)測量法中的流速儀要求平穩(wěn)入水，避開風(fēng)浪和循序漸進(jìn)施測。ADCP則利用羅盤提供的方向、傾斜計(jì)提供的縱搖和橫搖數(shù)據(jù)，將 ADCP坐標(biāo)下的流速分量轉(zhuǎn)換成地球坐標(biāo)下的流速分量東向、北向和 垂向分量，在較大風(fēng)浪情況下，不受船只航行前進(jìn)后退及左右晃動(dòng)的影響而穩(wěn)定作業(yè)。簡化了測流操作的復(fù)雜程序，確保了數(shù)據(jù)的可靠性和施測工作的連續(xù)性。傳統(tǒng)測量法中的測量水深受儀器設(shè)

8、備條件制約，最大量程有限，而ADCP方法測量剖面深度范圍可達(dá)180m，流速范圍在0土 20m/s其適用范圍更加廣泛2。圖5 ADCP走航測量示意圖3.3優(yōu)點(diǎn)測量速度快，可以進(jìn)行斷面準(zhǔn)同步測量?？梢泽w現(xiàn)三維流速流向情況。能自動(dòng)消除各種外界因素的影響， 還具有對數(shù)據(jù)資料進(jìn)行評判的能力。對測量數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行鑒別，避免不合理數(shù)據(jù)參與數(shù)據(jù)處理，而影響測量數(shù)據(jù)精度的現(xiàn)象出現(xiàn)3。ADCP利用聲波作為傳感器，不但操作方便快速，而且測量時(shí)不干擾水流，可以直接測量流速斷面，適合各種環(huán)境 測量。該儀器的投入，使用可減輕人工測流強(qiáng)度，增加測流人員的安全性，具有測量精度高、 快速、高效、省時(shí)、省力等優(yōu)點(diǎn)。ADCP能夠在測

9、量流速剖面的同時(shí)測量懸浮物濃度剖面， 是研究泥沙遷移規(guī)律，計(jì)算輸沙率的十分有效的工具。ADCP可以施測出卵石（且主河槽卵石較大）河床中卵石間的過隙流量，這是用流速儀等傳統(tǒng)測流儀器無法達(dá)到的，因而也使其測驗(yàn)成果更加精確。3.4局限性ADCP測流速度快，效率高，一般情況下要以2次來回測量的平均值作為最后的測量 成果。由于4次測量的路線不一定相同， 并且不一定在要求的斷面上，這就給要求嚴(yán)格的測驗(yàn)資料統(tǒng)計(jì)帶來了麻煩。例如過水?dāng)嗝婷娣e、水面寬、最大水深和最大流速等水文要素的表示。這就需要解決 ADCP測驗(yàn)成果和傳統(tǒng)的測驗(yàn)的銜接問題。河底走沙條件下，ADCP的底跟蹤失效，使測得的船速失真，導(dǎo)致流量測驗(yàn)不準(zhǔn)

10、確。在高含沙量區(qū)域，回波強(qiáng)度衰減快，使底跟蹤和水深測量失效，導(dǎo)致測流失敗。ADCP存在盲區(qū)（圖6），用于插補(bǔ)盲區(qū)（表層、底層和左右岸非實(shí)測區(qū)）的指數(shù)流速分布公式對測流精度的影響還有待檢驗(yàn)。aI 表層底層微斷面單元中層（ADC實(shí)測區(qū)）岸邊區(qū)Itk+1起點(diǎn)終點(diǎn)離岸離岸距離距離t0tkt1tm圖6 ADCP實(shí)測區(qū)、非實(shí)測區(qū)、微斷面及單元示意-4 -!* 1=1sKfs44. 實(shí)例為了驗(yàn)收儀器的可靠性，判斷是否符合合同的要求，2006年11月在長江下游某段和某抽水站進(jìn)行了兩次試驗(yàn)。所購儀器為美國RDI公司生產(chǎn)的駿馬系列瑞江牌1200kHz河流直讀式ADCP，根據(jù)說明，該型號儀器采用零盲區(qū)技術(shù)和寬帶信號

11、處理專利技術(shù)，最小底跟蹤 深度為0.3m，有10Hz、20Hz、和40Hz三種可選頻率。同時(shí)具有標(biāo)準(zhǔn)工作模式和淺水低流 速工作模式，在保證精度的前提下，測量剖面深度范圍從0.320m，分辨率高，垂直方向標(biāo)準(zhǔn)模式下多達(dá)128個(gè)測點(diǎn),高精度模式下多達(dá) 255個(gè)測點(diǎn)，提高了流速測量的空間和時(shí)間 分辨率，對較高含沙量河流適用性較好。試驗(yàn)所選的兩處地址具有很明顯的特征，長江下游段為潮汐河流，水流方向紊亂，而后者在其水流方向穩(wěn)定段測流。試驗(yàn)采用了軟和硬兩種連接方式以及標(biāo)準(zhǔn)工作模式和淺水低流 速工作模式，來回共4次測驗(yàn)。長江下游河段采用了圖 2所示的特殊船只，用很長的繩索連 接到鐵質(zhì)牽引船上，減小其對光纖羅

12、經(jīng)的影響。由于長江的水速較大，若船速和此相當(dāng)，將 會(huì)被沖向下游，因此船速略大于水流的速度。ADCP采用標(biāo)準(zhǔn)工作模式，頻率設(shè)為40Hz。在抽水站采用的是硬性連接方式，把ADCP裝在一個(gè)特制的木桶內(nèi)，然后把木桶固定在木船上，用人工的方式使船前進(jìn)。試驗(yàn)時(shí)抽水站水泵沒有工作，采用淺水低流速工作模式。與流速儀比測結(jié)果表明， 兩次測驗(yàn)均在允許的誤差范圍內(nèi)。 前者自測變差系數(shù)為 0.9 %, 與流速儀相比相差 4.5%;后者自測變差系數(shù)為 0.7%，與流速儀相比相差 2.3%，根據(jù)聲 學(xué)多普勒流速儀測流規(guī)范，均符合規(guī)范要求。5. 誤差分析根據(jù)結(jié)果分析，前者 ADCP結(jié)果小于流速儀的結(jié)果，而后者要大于流速儀的

13、結(jié)果。雖 然儀器采用了零盲區(qū)技術(shù)，最小的底跟蹤深度為0.3m，而兩邊有較寬的淺灘，無法正常施測，如圖6所示，即岸邊盲區(qū)，所以結(jié)果要略小于流速儀。后者施測段為混凝土澆注的規(guī)則 河槽，由于是第一次試驗(yàn)測量，沒能選擇到合適的參數(shù)，使測量結(jié)果偏大，因此，要多試驗(yàn) 幾次，選擇到合適的參數(shù)之后不要隨便改動(dòng)，除非測量環(huán)境發(fā)生變化。作業(yè)船速是影響流量測驗(yàn)精度的重要因素，船速較低，流量測驗(yàn)誤差越小，即在測流過程中應(yīng)根據(jù)河流流速狀況，控制適宜船速，確保測驗(yàn)精度和安全。從上面結(jié)果可以看出，由 于在長江測流時(shí)船速大于水速，而抽水站測驗(yàn)時(shí)的船速和水速相當(dāng)，后者的精度要高于前者。 因此，測流時(shí)要使船速盡可能地小。此外，水

14、中含沙對 底跟蹤”的影響、鐵質(zhì)船對羅經(jīng)的影響等都會(huì)影響ADCP正常工作，長江的工作環(huán)境比抽水站差，所以精度也就差一些。 要保持儀器水下埋深波動(dòng)不大，采用硬性連接時(shí)，由于船體的上下晃動(dòng)，埋深有較大的變化，造成較大的測量結(jié)果變化。最佳方式 是采用軟性連接，能較好地解決這一缺陷。6. 結(jié)語在合適含沙量范圍內(nèi)，河道水流在無漂浮物或漂浮物對走航式ADCP載體無較大碰撞影響的暢流期情況下，進(jìn)行流量測驗(yàn)?zāi)塬@得較好的精度。同時(shí)ADCP測量具有費(fèi)時(shí)少，效率高，操作安全等優(yōu)點(diǎn)。 對含沙量較大河流流量的測量，在有條件的情況下，可以嘗試 用精度較高的GPS和回聲測深儀與ADCP配套使用，以便能擴(kuò)大使用范圍。ADCP加

15、快了水文現(xiàn)代化的步伐，為今后廣泛應(yīng)用ADCP進(jìn)行水文測驗(yàn)奠定了良好的基礎(chǔ)，在像長江口這樣面積寬廣、情況復(fù)雜的區(qū)域進(jìn)行較大規(guī)模的水文測量，采用ADCP技術(shù)具有許多傳統(tǒng)測量方法無法比擬的優(yōu)勢，還能為防汛抗旱，合理開發(fā)利用，管理水資源和保護(hù)水環(huán)境發(fā)揮了重要作用。參考文獻(xiàn)1 田淳,劉少華.聲學(xué)多普勒測流原理及其應(yīng)用M.黃河水利出版社.2003年12月.2 謝波，田岳明，葉建紅，吳建榮.ADCP河流流量測驗(yàn)及其誤差分析水資源研究J.2007年12月第28卷第4期.3 陳琳,陸欣華.ADCP測量技術(shù)在長江口深水航道治理工程中的應(yīng)用J.水運(yùn)工程.2000年12月第12期.4 王丁坤,席占平，劉月.ADCP在

16、小浪底水文站流量測驗(yàn)中的可行性研究J.人民黃河.2005年8月第27卷第8期.Fundmental principle and Application of ADCPShe Lia nglia ng, Xie Yuebo1. State Key Laboratory of Hydrology-Water and Hydraulic Eng., Hohai Univ., Nanjing (210098)2. College of Hydrology and Water Resources, Hohai Univ., Nanji ng (210098)AbstractAcoustic Dopple

17、r Current Profilers (ADCP) is a new kind of flow measuring device widely used in hydrometry. It uses the prin ciple of Acoustic Doppler in strume nts to measure flow velocity profile. A short time flow measurement, high resolution, good accuracy, integrity data and great information are the characters of ADCP. This paper in troduces the fun dame ntal prin ciple of it, an alyses the source of errors and rati on ality by compari ng with the result of the traditi onal in strume nt by example, and shows