声学多普勒流速剖面仪ADCP及其在水文测流中的应用

声学多普勒流速剖面仪ADCP及其在水文测流中的应用
蓝标;曲娟
【摘要】This paper describes flow measurement principle of ADCP （Acoustic Doppler Current Profiler）.Compared with the regular hydrometric propeller,the characteristics and measurement process for ADCP flow measurement are introduced.The possible emerging problems in flow measurement of ADCP are summarized,and some attention matters are pointed out.%本文阐述了声学多普勒流速剖面仪ADCP的流量测量原理,并通过对ADCP流量测量仪与常规流速仪的比较,说明了ADCP流量测量的特点及其测量过程,并对ADCP流量测量中可能出现的问题进行了总结归纳,指出了应用中应注意的问题。

【期刊名称】《气象水文海洋仪器》
【年(卷),期】2011(028)004
【总页数】5页(P65-68,73)
【关键词】ADCP;测流;应用
【作者】蓝标;曲娟
【作者单位】深圳市水务局防洪设施管理处,深圳518000;长春气象仪器研究所,长春130012
【正文语种】中文
【中图分类】TH766
0 概述
在河流水文测验工作中，流速和流量的测量是两项很重要的工作，过去，一般都采用单点式流速仪（如机械式流速仪、电接式流速仪等）逐一的对各条测流垂线进行点流速测量，然后根据流速面积法换算出整个断面的流量，这种测验方法其测量精度虽然能够满足水文测验规范的要求[1]，但历时时间长，工作强度大，是其很大
的弊端。

美国RDI公司研制的一种先进的测流仪——声学多普勒测流剖面仪，对
于水文测验工作来说，则在很大程度上改变了流量测验的方法，实现了测流技术革命性的突破，将在河流水文测验工作中会获得更广泛的应用。

1 声学多普勒流速剖面仪及其工作原理
1.1 定义
声学多普勒流速剖面仪（英文简称ADCP）是利用声学多普勒效应进行测流的。

从设备的换能器中发出一定频率的脉冲，当该脉冲碰到水中的发射物体（如悬浮物质）后产生回波信号，该回波信号被声学多普勒流速剖面仪接收。

悬浮物质是会随水流而漂移，从而产生多普勒频移（即回波信号的频率与发射的频率之间产生一个频差），通过测量得到多普勒频移即可得到相应测点的流速。

在河流水文测验工作中，声学多普勒流速剖面仪具体有两种安装应用方式[2]，其
中一种是安装在河底或水面平台，进行定点垂线流速分层测量；另一种是把换能器装在船上，通过走航方式进行流速测量，此时所测得的船速和水流流速的矢量和，可以采用“底跟踪”技术把船速从这一矢量和中除去，将测得的响应单元的相对于船的流速减去船的运动速度，从而便可获得真正的流速。

1.2 ADCP的工作原理
多年来，测量非恒定流和受潮汐影响的流量一直是水文工作者所面临的难题。

多变的流态使得传统的流速仪测流的方法受到测流时间的限制，这种方法通常至少需要
1h，而受潮汐影响的流量在10min内的变化超过100%。

随着1982年世界第一
台声学多普勒流速剖面仪的出现，使得更准确测量非恒定流和受潮汐影响的流量成为可能，声学多普勒流速剖面仪能够根据不同水层来测得其三维流速和流向，即河流流速的剖面，具有测验时间短、精度高、资料完整等主要特点。

其测验效率比较高，特别适合于在流态比较复杂的河流推广应用[3]。

ADCP一般装有4个（或3个）声换能器，每个换能器都与声学多普勒流速剖面
仪的轴线构成一定的夹角，所测到的水流速实际上是水流沿其声束坐标方向的速度，需要借助声学多普勒流速剖面仪上的罗盘和倾斜仪才能把相对于其坐标系上的三维流速转换成地理坐标下的三维流速，每个换能器都具有发射和接收功能，换能器发射一个声波，而后一直等待接收该声波被水中的悬浮物质散射回来的声波，假定颗粒物的运动速度与水流速相同，当颗粒物的运动方向是接近换能器时，此时换能器接收到的回波频率比发射波频率高，反之当颗粒物的运动方向是背离换能器时，换能器接收到的回波频率比发射波频率低，发射声波频率与回波频率之差（即声学多普勒频移）由下式计算：
式中：Fd为声学多普勒频移；F为发射波频率；V为颗粒物沿声束方向的移动速
度（即沿声束方向的水流速度）；C为声波在水中的传播速度。

声学多普勒流速剖面仪每个换能器测量出来的流速是水流沿其声束坐标方向的速度，任意3个换能器轴线（每条轴线是一个声束的坐标）就构成一组相互独立的空间
声束坐标系，另外，声学多普勒流速剖面仪自身定义有直角坐标系：X-Y-Z。

Z方向与声学多普勒流速剖面仪的轴线方向一致；声学多普勒流速剖面仪首先测出一个流速分量；利用X-Y-Z坐标与声束坐标之间的转换关系；把声束坐标下的流速转
换为X-Y-Z坐标下的三维流速；再通过声学多普勒流速剖面仪上的罗盘和倾斜计
提供的方向和倾斜数据，把X-Y-Z坐标下的流速转换为地理坐标下的流速。

假定
水中颗粒物的运动速度与水流速相同，声学多普勒流速剖面仪会通过跟踪颗粒物的运动所测量的速度是水流相对于声学多普勒流速剖面仪的速度。

当声学多普勒流速剖面仪的换能器安装在固定平台上，测量出来的流速即为绝对速度。

当声学多普勒流速剖面仪的换能器安装在船上，测量出来的相对速度需要扣除船速后才能得到真正的水流流速。

值得指出的是，与传统流量测量法不同，声学多普勒流速剖面仪的流速测量点不在声学多普勒流速剖面仪所处的位置，而是在测量距其一定范围内的很多点的流速（例如每条垂线上的多点流速），即一台声学多普勒流速剖面仪可以替代N台传统流速仪的同步测量，如图1所示。

图1 ADCP测验示意图
2 常规流速仪与 ADCP 的比较[4－6]
2.1 流速的测量
常规流速仪法是把单点式测流仪放到水中的某一深度，只能测出该水深的流速。

ADCP无论布放在船、锚或河底，它都能测出该仪器所处位置的垂直剖面（即多个测点），所以说实际上是一种“剖面仪”，在一个垂直剖面上可以测N个测点（最大的测点数可达128个），即一台声学多普勒流速剖面仪相当于垂直悬挂多达128台单点流速仪，可见其测验效率极高。

2.2 流量的测量
传统流量测量法一般都是在测流断面上布设多条垂线，利用测深仪测量每条垂线处的水深，获得该测量断面面积；再用流速仪测量不同水深的流速，得到每条垂线的平均流速，从而获得断面平均流速，由断面面积和断面平均流速的乘积则得到该断面流量。

可见传统流量测量法既费时又费工，效率极低。

而用ADCP测流量时，普勒流速剖面仪安装在船上，当船从河道某断面一侧航行至该断面另一侧时，ADCP马上测出河流流量，其特点是能够直接测出该断面的流速和流量，测验耗时少，测流的范围大。

可见它的测验效率比传统流量测量法提高
了几十倍。

从理论上来说，传统流量测量法与ADCP的原理基本相同，都是在测流断面上布
设多条垂线，采取各自的测量方式测出各条垂线的水深和流速，换算出流量，不过它们之间也存在如下差异：
（1）传统流量测量法中的“测点”不多，通常一个河流断面只布设5至7个测点，每个测点测出3～5个不同水深的流速；而ADCP流量测量法，在船航行过程中具有很高的采样率，可以测到的“测点”非常多，同时测到几十个不同深度的流速值，它的测量值实际上是用积分法求解出来的，大大提高了其测量数据的质量。

（2）传统流量测量法的测流断面要求跟河岸垂直，ADCP法则不需要测流断面跟河岸垂直，测量船航行的轨迹比较随意，可以是曲线，斜线也没问题，这样使得测量工作的机动性和灵活程度大大加强了。

3 ADCP 流量的测量[7－10]
3.1 流量测量特点
（1）航线的独立性
ADCP所测断面的流量是流经垂直于航线垂直向下投影至河底的表面的水流总量，该流量与船只从河流此岸至彼岸两点间的实际航线无关。

无需对航线作出任何标志或保持直线航线，这大大简化流量的测量，特别是在航运繁忙或宽阔的河流更为明显。

（2）非直接测量的流量
在换能器发射出来的声波主波束周围还有若干个小的锥形波束，称为旁瓣，最大的旁瓣的中心线与主波束轴线之夹角约为300°。

旁瓣干扰是由于在主声束声波达到
底部之前，斜旁瓣声束声波已经到达底部而形成的，如图2所示。

当这一旁瓣的
部分能量从河底反射回来的时候，主波束仍在受到水中悬浮物的反射；尽管旁瓣的能量比主波束能量小得多，但河底底质比水体悬浮物硬得多，因此旁瓣从河底的反
射很可能对水体悬浮物的反射产生较大的干扰，从而使接近河底的水层流速产生较大的误差。

TRANSECT在计算流量时不选用可能受到干扰的水层的流速数据。

图2 ADCP换能器声束声波图
（3）流量的计算
TRANSECT软件利用从第一个深度单元到不受河底或旁瓣影响的最后一个合格单元的数据计算流量。

至于第一个深度单元以上的流量（根本没有进行测量）和受到河底影响的水层的流量，可通过已测得的合格数据利用外推法计算出来。

3.2 流量测量过程
3.2.1 现场测验前的准备工作
由于ADCP技术的新颖性，其系统软件、固件已经并且将要不断地、经常地进行改进升级。

在ADCP仪器运往现场之前，要在主用和备用的现场计算机上安装最新的的Transect软件。

3.2.2 现场测验前检查
为了确保ADCP工作正常，必须进行现场测验前的检查。

检查包括：将ADCP与计算机连接，接通电源，进入Transect软件的“Acquire”工作模式并“唤醒系统”。

所有要用的电缆和插件必须查清，现场较难获得的备件如ADCP和计算机用的电池、电缆和数据文件备份的软盘都应作为检查的一部分而备齐。

3.2.3 现场操作程序
（1）仪器安装：ADCP通常安装在船舷一侧的支架上。

安装支架应具有一定的灵活性，容易升降或翘离水面；支架要有足够的刚性，在水流冲击下不会发生振动或弯曲；安装支架位置应尽可能远离磁性物体，以避免外界磁场对ADCP内置磁罗盘的影响。

ADCP换能器在水中的深度应不小于8cm。

如果水面有波浪，换能器还要更深一
些，这样才能保证在整个测验过程中换能器不会露出水面或发生空蚀。

（2）仪器检查：当ADCP安装在支架上，电缆连接到计算机并接通电源后，必须进行检查，以保证所有电路和传感器工作正常。

通常使用ADCP软件之一的BB-TALK内的某些子程序对ADCP进行内部诊断和标定检验，并显示其内部设置，同时还将ADCP的电路和传感器进行检测。

（3）设置文件：在每次测验前，用户需要根据现场条件和ADCP性能对ADCP 进行参数设定。

设置文件必须与测流断面的实际情况相匹配，诸如深度单元尺寸、工作模式、底跟踪和水跟踪的每组脉冲次数以及盲区等参数均要求有经验的使用者来设定，以使在现有的条件下所采集的数据质量最佳。

（4）流量测验：在用ADCP采集流量数据之前，描述测流断面、日期、人员、设备和所用软件与固件版本的基本信息应记录在ADCP现场记录表上。

记录每次测验的起点及终点离河岸距离及原始数据及设置文件名。

4 ChannelMaster型H-ADCP技术指标
4.1 流速剖面测量（宽带专利技术）
系统频率（kHz）：300，600，1 200
单元数：1～128，1～128，1～128
最小单元长度（m）：1，0.5，0.1
最大单元长度（m）：10，8，4
最大剖面范围（m）：300，90，20
1st单元起点（m）：2～10，1～10，0.3～10
流速量程（m／s）：±5，±5，±5
精度：±0.5% ，±0.5%，±0.5%±0.2cm／s，±0.2cm／s，±0.2cm／s
分辨力（mm／s）：1，1，1
注：最大剖面范围取决于温度、盐度、含沙量等参数。

4.2 标准配置传感器
（1）流速测量换能器
配置：双声束、±20°声束角
声束宽度：1 200kHz／600kHz：1.5°300kHz：2.2°（2）超声波水位计
量程：0.1～10m
精度：±2mm
分辨力：0.1mm
（3）压力式水位计
量程：0.1～10m
精度：±2mm
分辨力：1.0mm
（4）温度探头
量程：-4°～35℃
精度：±0.2℃
分辨力：0.01℃
（5）倾斜计
量程：±15°
精度：±0.5°
分辨力：0.01°
（6）通讯
RS-232、RS-422、RS-485、SDI-12
支持SDI-12V1.3
同时支持 RS-232、SDI-12、内存记录
波特率：300～115 200bps
（7）内存：2M
（8）软件
数据采集和回放：WinHADCP
系统检测：BBTalk
（9）外壳：聚亚胺酯浇铸壳体、钛合金衔接件
（10）底座：不锈钢安装底座
（11）电源
电压：9～18VDC
最大电流：1.5A
5 ADCP的应用实例
位于清远市石角镇北江中下游的主要控制站石角站，占据着北江防汛监测重要地位，为保卫广州防洪决策提供重要数据，北江河面宽达1 000m左右，属于宽浅型河流，该站选用美国RDI公司生产的“瑞江”600kHz型四波束换能器的走航式ADCP进行比测。

通过20多次的比测数据可以看出，流量误差不超过±5%，符合规范要求，使用走航式ADCP具有简便、快捷、准确等优点，走航式ADCP无疑
是一种先进的自动化程度较高的测流设备，在使用上需要注意的是：在设置测量水深时，最好设在跟实际水深误差10%～20%以内，单元层数和层高设在合适的范围。

这样就能更好的减少测量误差，提高测验精度。

6 结束语
多普勒流速剖面仪ADCP可靠性精度高，安装使用方便，ADCP的引进为我国水
文流量测量增添了新的手段。

随着科学技术的普及和经济实力的增强，以及伴随技术的更新、价格的下降，将越来越为普通用户所接收，在流量测量中将有广泛的用途。

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