聲學(xué)多普勒流速剖面評(píng)價(jià)方法介紹與探討.docx

1、水利信息化WaterResourcesInformatization聲學(xué)多普勒流速剖面評(píng)價(jià)方法介紹與探討趙越，英小勇(水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所，江蘇南京210012)摘要：聲學(xué)多普勒流速剖面儀是20世紀(jì)80年代初發(fā)展起來(lái)的一種新型測(cè)流設(shè)備，目前被廣泛用于流速和流量測(cè)驗(yàn).介紹了美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(簡(jiǎn)稱USGS)對(duì)聲學(xué)多普勒流速剖面儀的評(píng)價(jià)方法，并探討利用國(guó)內(nèi)現(xiàn)有流速儀檢定水槽評(píng)價(jià)多普勒流速剖面儀的方法.通過(guò)USGS的大量實(shí)踐和我國(guó)水文工作者的工作，通過(guò)設(shè)備比測(cè)、底跟蹤及線比測(cè)、斷面流量比測(cè)、檢定水情等方法可有效評(píng)價(jià)聲學(xué)多普勤流速割面儀的流速性能.關(guān)鍵詞：聲學(xué)多普勒流速剖面儀；流速；剖面儀；評(píng)價(jià)

2、方法；檢定水槽收稿日期：2010-05-20作者簡(jiǎn)介：趙越(1978)，男，吉林永吉人，工程師，從事水文儀器質(zhì)量檢測(cè)及標(biāo)準(zhǔn)化工作。中圖分類號(hào)：P335文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B0引言聲學(xué)多普勒流速剖面儀(簡(jiǎn)稱剖面儀)是20世紀(jì)80年代初發(fā)展起來(lái)的一種新型測(cè)流設(shè)備。它利用多普勒效應(yīng)原理進(jìn)行流速測(cè)量，用聲波換能器作傳感器，并發(fā)射聲脈沖波，聲脈沖波通過(guò)水體中不均勻分布的泥沙顆粒、浮游生物或氣泡等反散射體反射，再由換能器接收信號(hào)，經(jīng)測(cè)定多普勒頻移變化而測(cè)算出流速。剖面儀具有不擾動(dòng)流場(chǎng)、測(cè)驗(yàn)歷時(shí)短、測(cè)速范圍大并能直接測(cè)出斷面的流速剖面等特點(diǎn)。目前被廣泛用于海洋和河口的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)調(diào)查、流速及流量測(cè)驗(yàn)。目前，國(guó)內(nèi)僅水文系

3、統(tǒng)就有接近300臺(tái)剖面儀測(cè)流設(shè)備在各個(gè)水文測(cè)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)使用。然而盡管應(yīng)用廣泛，但是目前行業(yè)內(nèi)尚無(wú)可廣泛被接受的用于剖面儀檢定或校準(zhǔn)的相關(guān)產(chǎn)品檢定規(guī)程及標(biāo)準(zhǔn)，也無(wú)國(guó)家或行業(yè)行政部門認(rèn)定/認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試平臺(tái)和檢定設(shè)備。由于剖面儀的工作原理及測(cè)量特點(diǎn)與傳統(tǒng)測(cè)流儀器存在較大的差異，因此不能簡(jiǎn)單采用過(guò)去點(diǎn)流速儀的檢驗(yàn)/校準(zhǔn)方法來(lái)全面評(píng)價(jià)剖面儀。本文通過(guò)介紹目前國(guó)外采用的一些剖面儀評(píng)價(jià)方法，探討國(guó)內(nèi)利用流速儀檢定水槽來(lái)檢定剖面儀測(cè)流設(shè)備的校準(zhǔn)方法的可行性。1 剖面儀的主要評(píng)價(jià)方法文章編號(hào)；1674-9405(2010)03-0058-041.1設(shè)備比測(cè)比測(cè)是被測(cè)儀器與其它更精確的檢定工具同時(shí)或接近同時(shí)進(jìn)行比較

4、測(cè)量。美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(USGS)的洛曼(1994,USGS)，佛加瑞、特羅布里奇(1998,USGS)進(jìn)行過(guò)剖面儀與ADV(超聲多普勒流速儀)、LDV(激光多普勒流速儀)的比測(cè)試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)剖面儀與ADV、LDV的誤差在1%之內(nèi)。奈斯特(2002,USGS)在1條寬1.8m、深0.9m的動(dòng)水槽的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，剖面儀測(cè)速相對(duì)ADV測(cè)量結(jié)果誤差不大于1cm/s。這種試驗(yàn)方法的優(yōu)點(diǎn)是水槽中流速和其它相關(guān)量較精確，但存在懸浮物不足導(dǎo)致反射強(qiáng)度較弱，同時(shí)存在槽底及槽壁反射問(wèn)題，可能導(dǎo)致錯(cuò)誤的測(cè)量結(jié)果。雖然流速可準(zhǔn)確調(diào)節(jié)，但由于水深限制很難獲得較高速度的測(cè)試條件。1.2底跟蹤基線比測(cè)阿普爾(1988,

5、USGS)在湖面布置一固定基線進(jìn)行剖面儀測(cè)試，分別設(shè)置200、1000m等2條路線。將剖面儀架設(shè)于船體勻速定向2次往復(fù)測(cè)試。通過(guò)剖面儀底跟蹤測(cè)量數(shù)據(jù)與已知距離的比較判斷剖面儀測(cè)量誤差。這種方法可迅速判斷現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的剖面儀是否存在偏差，通常用于剖面儀生產(chǎn)廠家檢查聲束對(duì)中誤差。1.3斷面流星比測(cè)USGS已經(jīng)對(duì)剖面儀與L2有設(shè)備如PriceAA型轉(zhuǎn)子式流速儀在美國(guó)11處斷面進(jìn)行流量比測(cè)，通過(guò)測(cè)驗(yàn)表明剖面儀測(cè)驗(yàn)相對(duì)PriceAA型轉(zhuǎn)子式流速儀有著5%的誤差。我國(guó)各水文測(cè)驗(yàn)單位也進(jìn)行過(guò)多次類似比測(cè)試驗(yàn)，如2001年5月在嘉興市青陽(yáng)匯水文站感潮河段的測(cè)流斷面進(jìn)行了固定式水平ADCP與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子式流速儀的同步

6、比測(cè)試驗(yàn)工作。采用“淘金者”一SL測(cè)得的層平均流速，與用纜道的測(cè)流代表垂線實(shí)測(cè)的垂線平均流速進(jìn)行比測(cè)。經(jīng)過(guò)7d的試驗(yàn)，將近1000測(cè)次比測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析后，其結(jié)論是：2者之間誤差小于10%的上線率達(dá)到85%以上，符合水文測(cè)驗(yàn)規(guī)范的要求。斷面流量比測(cè)因采樣面積存在差異：轉(zhuǎn)子式流速儀測(cè)流采樣面積不超過(guò)3%,而剖面儀采樣面積20%60%,2者相差懸殊，流量測(cè)驗(yàn)結(jié)果的比較具有不確定性。2者測(cè)驗(yàn)時(shí)間也有明顯差異，剖面儀與轉(zhuǎn)子式流速儀斷面測(cè)驗(yàn)時(shí)間不同，常常因?yàn)?者測(cè)驗(yàn)時(shí)間的不同導(dǎo)致流量測(cè)量結(jié)果千差萬(wàn)別。2 美國(guó)USGS利用靜水槽評(píng)價(jià)剖面儀的方法USGS與南佛羅里達(dá)水資源管理局在美國(guó)海軍戴維泰勒水面戰(zhàn)實(shí)

7、驗(yàn)中心船舶模型試驗(yàn)水池進(jìn)行剖面儀檢定試驗(yàn)。美國(guó)國(guó)家海洋大氣局定期使用該船舶模型試驗(yàn)水池校準(zhǔn)剖面儀。USGS于2000年3月1316日使用該水槽評(píng)價(jià)剖面儀，USGS通過(guò)該試驗(yàn)達(dá)到以較低的成本確保USGS流量測(cè)驗(yàn)業(yè)務(wù)質(zhì)量水平的目的。2.1戴維泰勒模型水槽戴維泰勒船舶模型水槽試驗(yàn)水池?fù)碛?個(gè)拖曳水池，其中1條長(zhǎng)760m,寬15m,深5.5m。該水池已經(jīng)被分成2段，1段長(zhǎng)260m,另1段長(zhǎng)約500m。這次試驗(yàn)是在260m長(zhǎng)的水池中進(jìn)行的。2.2試驗(yàn)方案試驗(yàn)程序由以下4部分組成：1）在校正車上架設(shè)剖面儀；2）水槽中均勻播撤粉末石灰粉：3）校正車每次正反行程運(yùn)行，抵消水槽中紊流的影響；4）將剖面儀測(cè)量值與

8、檢測(cè)車速值同時(shí)存入計(jì)算機(jī)。2.3試驗(yàn)過(guò)程在水槽中測(cè)試剖面儀，水體中必須有足夠的反射物質(zhì)，如果反射物質(zhì)濃度不足（反射強(qiáng)度小于35db）或反射物質(zhì)濃度分布不勻，都會(huì)帶來(lái)顯著誤差。在試驗(yàn)期間，每天都在校正車上播撒石灰粉末以提供適當(dāng)?shù)姆瓷湮镔|(zhì)，后期采用石灰漿噴霧方法進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。共有5臺(tái)剖面儀參與了本次戴維泰勒模型試驗(yàn)池的試驗(yàn)。具體型號(hào)規(guī)格為：SonTek3ArgonautSUADP（3MHz）、SonTekADP、RDInstrumentsRioGrande剖面儀（600kHz）、RDInstrumentsBroadband剖面儀（1200kHz）和RDInstruments生產(chǎn)的prototype

9、3-beamhorizontal?HJ面儀（600kHz）。試驗(yàn)中獲得2個(gè)測(cè)量參數(shù)即水層跟蹤和底跟蹤速度。2.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果校驗(yàn)車平均車速，包括正行程和反行程平均車速，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表見(jiàn)表1。在41cm/s車速下，1200kHz逆向運(yùn)行未獲得有效數(shù)據(jù)，所以本次測(cè)量只有正向運(yùn)行數(shù)據(jù)。表1戴維泰勒模型試驗(yàn)池試驗(yàn)數(shù)據(jù)表剖面儀型號(hào)/kHz車速/(cm*s1)平均速度/（cms）絕對(duì)誤差/（cms）底跟蹤水層跟蹤底跟蹤水層跟蹤12007.748.207.650.46-0.09120014.9015.0014.700.10-0.20120022.8022.8022.600.00-0.20120041.1041.00

10、40.90-0.10-0.20120061.8061.8061.500.00-0.30600123.00123.00123.000.000.006000.000.620.000.620.006007.617.107.60-0.51-0.0160015.0014.2014.70-0.80-0.3060022.8022.1022.30-0.70-0.5060061.8061.8061.500.00-0.30600123.00122.00123.00-1.000.00600185.00185.00185.000.000.00600258.00257.00258.00-1.00000校正車車速與剖面儀

11、底跟蹤速度的平均差為-0.21cm/s,校正車車速與剖面儀水跟蹤速度的平均差為-0.15cm/s。底跟蹤和水跟蹤各自的平均差為-0.76%和-0.70%。這些測(cè)量結(jié)果接近剖面儀的預(yù)期誤差。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)剖面儀測(cè)速值均小于車速值，從上述檢定結(jié)果看來(lái)該系統(tǒng)可有效評(píng)價(jià)剖面儀。有趣的是，600kHz的剖面儀底跟蹤速度平均差為-0.62cm/s,而水跟蹤平均差為0。正常的測(cè)量結(jié)果應(yīng)當(dāng)是底跟蹤測(cè)量結(jié)果精度要高于水跟蹤。其誤差并沒(méi)有隨速度增加而增加。雖然測(cè)試結(jié)果比較理想，但是仍存在以下問(wèn)題：1）拖曳水槽中大量的金屬結(jié)構(gòu)導(dǎo)致測(cè)量偏差，通過(guò)數(shù)據(jù)分析，電子羅盤存在明顯的擾動(dòng)；2）側(cè)壁（槽底、槽壁）存在明顯反射，這可

12、能導(dǎo)致底跟蹤的測(cè)重誤差；3）最重要的是反射信號(hào)的時(shí)間空間的不均勻性。背景反射從4352db，而一般的河流測(cè)量結(jié)果在背景反射測(cè)量結(jié)果差異不大于3dbo利用國(guó)內(nèi)現(xiàn)有流速儀檢定水槽評(píng)價(jià)剖面儀的方法為完成剖而儀評(píng)價(jià)工作，國(guó)內(nèi)技術(shù)機(jī)構(gòu)先后在陜西和山東的水文局水槽進(jìn)行了剖面儀底跟蹤測(cè)試試驗(yàn)，取得一定測(cè)試數(shù)據(jù)。目前國(guó)內(nèi)己有流速儀檢定水槽11條，利用現(xiàn)有條件完成對(duì)剖面儀的評(píng)價(jià)，水槽寬度、深度均劣于美國(guó)海軍戴維泰勒水面戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)中心船舶模型試驗(yàn)水池。若想獲得更好的檢定效果，可針對(duì)USGS經(jīng)驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。3.1消除側(cè)壁反射和背景反射差異可參考消聲水池在水槽側(cè)壁布設(shè)吸音橡膠。采用合適散射物質(zhì)，提高剖面儀反射信號(hào)的

13、時(shí)間空間的均勻性。橡膠是一種粘彈性高分子材料，內(nèi)耗相對(duì)較大，基體橡膠的相對(duì)分子質(zhì)量分布可調(diào)，能適應(yīng)各種頻率聲波的吸收。橡膠材料的吸聲率與聲波的頻率有明顯關(guān)系。吸聲橡膠圓錐是水聲工程用消聲水池和循環(huán)水槽的重要組成部分，主要用于消除水槽壁、水面的水聲反射，以便提高聲場(chǎng)的分布均勻性和穩(wěn)定性，減小聲測(cè)量的系統(tǒng)誤差。目前，德國(guó)采用石墨填充聚己丁烯制備水聲消聲材料；日本采用紅松木制作吸聲尖劈；美國(guó)采用鋁粉填充IIR制備吸聲橡膠圓錐池?；诔杀镜囊蛩亓魉賰x檢定水槽不可能全槽布設(shè)吸引橡膠，但可在有效檢定段部分布設(shè)。3.2提高水槽反射強(qiáng)度國(guó)內(nèi)目前提高水槽反射強(qiáng)度的辦法與USGS基本相似，即加入石灰或石灰漿，但這

14、種辦法存在著以下弊端：1）加入石灰后水體呈堿性，且含有大玷顆粒物；水槽中添加石灰后，整池水均需更換，且需對(duì)槽體進(jìn)行清潔處理。2）加入石灰汾或石灰水，顆粒均勻性差，且隨時(shí)間變化，其不同水層濃度也隨之變化。為了克服以上缺點(diǎn)，可采用氣泡作為超聲波反射物質(zhì)?；谌鹄⑸湓砜贘知后向散射強(qiáng)度（Sv）為：Sv=101gC,+101g（a3）+i01g（斧）（D式中：G.為懸浮物濃度：A為剖面儀僅發(fā)射聲波的波數(shù)；疽為懸浮物粒徑3次方的均方根；P,為懸浮物密度：，定義為物質(zhì)常數(shù)，是顆粒物彈性和密度的函數(shù)。假設(shè)觀測(cè)期間懸浮物的粒徑、密度及其他物理性質(zhì)保持穩(wěn)定，體積后向散射強(qiáng)度與懸浮物濃度的對(duì)數(shù)成線性關(guān)系。由式

15、（1）可知將水槽中懸浮物濃度穩(wěn)定提高較高水平即ADCP反射信號(hào)空間與時(shí)間上均勻性。剖面儀所能探測(cè)到的懸浮物的粒徑有上限，超過(guò)上限測(cè)量誤差將增K；另一方面，不同發(fā)射頻率的剖面儀對(duì)懸浮物粒徑的敏感程度也不一樣，一般認(rèn)為剖面儀對(duì)Aas（放射體半徑與入射聲波波數(shù)比值）值在0.01-0.10,所對(duì)應(yīng)的懸浮顆粒物粒徑具有較強(qiáng)的敏感性，在此范圍內(nèi)顆粒直徑越大，剖面儀測(cè)量敏感度越高。對(duì)于本次觀測(cè)使用的600kHz剖面儀當(dāng)Aas等于1時(shí)，其對(duì)應(yīng)的懸浮物粒徑為800pm,所以對(duì)該頻率剖面儀所能探測(cè)到的氣泡直徑以880pm為宜。通過(guò)在水槽槽底、側(cè)壁布置氣管的方式產(chǎn)生均勻及細(xì)密的氣泡，提供足夠的反射物質(zhì)。.以上均基于

16、瑞利K波散射模型理論推導(dǎo)，通過(guò)改變氣泡密度、濃度、直徑等要素可獲得剖面儀與以上要素的敏感關(guān)系，可為開(kāi)展剖面儀檢定工作打下良好基礎(chǔ)。4結(jié)語(yǔ)通過(guò)USGS的大量實(shí)踐，可初步確定利用水文現(xiàn)有的技術(shù)手段可以有效評(píng)價(jià)剖面儀的流速性能，面對(duì)我國(guó)水文領(lǐng)域剖面儀日益廣泛應(yīng)用的局面，有必要在我國(guó)現(xiàn)有水文基礎(chǔ)設(shè)和技術(shù)手段條件下探索合理、高效的剖面儀評(píng)價(jià)方法。除了目前廣泛開(kāi)展的斷面流量比測(cè)方法外，還可通過(guò)設(shè)施改造和試驗(yàn)方法研究利用國(guó)內(nèi)現(xiàn)有流速儀檢定水槽評(píng)價(jià)剖面儀流速性能。參考文獻(xiàn)：1Lohrmann,A.、Cabrera.R.,andKraus,N.C.Acoustic-DopplerVelocimeter(ADV)

17、forlaboratoryuseC/ConfOnFundamentalsandAdvancementsinHydraulicMeasurementsandExperimentation.NY:ASCE,1994:351-365.Mueller,D.S.FieldAssessmentofAcousticDopplerBasedDischargeMeasurementsC/USGS;Proc.HydraulicMeasurements&ExperimentalMethods2002.EstesPark,CO,ASCE,2002:374-381.3 ShihH.H.,PaytonC.,Spr

18、enkeJ.,andMeroT.TowingBasinSpeedCalibrationofAcousticDopplerCurrentProfilingInstrumcntsC/USGS;Proc.2000JointConferenceonWaterResourcesEngineeringandWaterResourcesPlanningandManagement,Minneapolis,MN,ASCE,2000.4 原野，趙亮，魏皓，等.利用剖面儀和LISST-100儀觀測(cè)懸浮物濃度的研究J.海洋學(xué)報(bào)，2008,30(3):48-52.AProbeintoCalibrationMethods

19、ofAcousticDopplerCurrentProfilerZHAOYue,YINGXiaoyong(NanjingAutomationInstituteofWaterResourcesandHydrology,MinistryofWaterResources,Nanjing210012,China)Abstract:Acousticdopplercurrentprofilerisakindofnewtypeflowmeasurementequipmentdevelopedintheearly1980s,andpresentlyhasbeenwidelyappliedforflowvelo

20、cityanddischargemeasurement.ThepaperintroducescalibrationmethodsfortheequipmentbyU.S.GeologicalSurvey,andapproachesaresearchintocalibrationmethodfbrtheprofilerbyusingexistingcurrentmetercalibrationtanksinChina.ThroughpracticebyUSGSandunremittingeffortsbydomestichydrologists,aswellasmethodsofequipmentcomparativemeasurement,comparativemeasurementofbottomtrackingbaseline&sectionflowdischargeandapplicationofcalibrationtank,flowvelocityperformanceoftheprofilercanbeeffectivelycalibrat