如何选择ADCP品牌

如何选择ADCP品牌ADCP，是英文Acoustic Doppler Current Profiler的缩写。

中文通常译为声学多普勒流速剖面仪。

ADCP的发明被认为是流速、流量测量领域的一次革命。

它标志着流速、流量测量的现代化。

近几年来，一些水文单位已经从国外引进了ADCP。

许多还没有ADCP的单位也在考虑引进。

因为ADCP属高科技产品，又是从国外进口，所以价格昂贵。

根据品牌、系统频率和配置，ADCP国内售价大约在二十几万至三十几万人民币之间。

因为ADCP在国内应用还不普遍，许多单位和个人对目前国际上现有的几个ADCP品牌以及它们之间在质量和性能上的差别不太了解。

而ADCP厂家及其国内代理在宣传和推销其ADCP时，往往只强调其品牌的优点，不讲该品牌的缺点和质量上存在的问题。

另外，一般人普遍认为，国外（美国）的产品质量和性能不会有什么问题。

然而，并非美国的产品质量和性能一定就都好。

国内有的单位引进的美国产品，由于质量不好发生故障以及产品性能上的问题，多次返修或换货。

还有，不同品牌的ADCP在性能上差别会很大。

为了帮助大家选择ADCP品牌，以下简要叙述在选择ADCP品牌时应考虑的因素和应注意的问题。

１．可靠性可靠性是任何仪器的最重要的质量指标。

没有人愿意花几十万元买一台仪器经常发生故障，耽误生产，领导那里也交代不过去。

通常可以用故障率来描述仪器的可靠性。

然而，几乎没有仪器厂家在其产品介绍中告知其仪器的故障率。

厂家在国内的代理也不会告知客户该品牌的仪器在国内发生故障的情况。

为了了解某品牌ADCP的可靠性，欲引进ADCP的单位只有自己调访国内已有ADCP的用户，向他们了解是否某品牌ADCP有过故障和返修。

２．流速测量精度与机械式流速仪不同，ADCP的流速测量精度性能指标包括两个：即长期精度和短期精度。

两个精度指标在概念上有很大的差别。

2.1 长期精度（或长期误差）从理论上讲，长期精度是指当流动为恒定流时，ADCP采样时间平均步长趋近于无穷大时流速测量的精度。

但是实际上，当采样时间平均步长为十几分钟至几十分钟时，ADCP流速测量即可接近或达到其长期精度指标。

可是对于许多应用来说，采样步长不可能为十几分钟至几十分钟。

因此，长期精度指标实际应用意义不是很大。

长期精度指标可以在ADCP 产品介绍书中找到。

但通常并不表明是“长期精度”，只表明为“流速测量精度”，例如：流速测量精度为实测流速的0.25%±2.5mm/s。

用户需要注意的是，这样高的测量精度是对应于较长的时间平均步长的。

2.2 短期精度（或短期误差）短期精度是指采样时间平均步长较短时（几秒至几分钟）流速测量的精度。

与短期精度相对应的概念是短期误差（或称为不确定性）。

短期误差主要由系统的声学多普勒噪音引起的。

声学多普勒噪音是随机的,具有白噪声的特性，可通过样本平均减小或消除。

流速测量的短期精度（或短期误差）通常由标准误差来量度：)1(t R N ∆==σσε式中：ε为标准误差(m/s)；σ为标准差(m/s),在许多文献中被称为单脉冲标准差；N 为采样（脉冲）次数；R 为脉冲发射速率；∆t 为采样时间平均步长或采样步长(s)。

由式（1）可以看到，随着采样数目的提高, 流速测量的短期误差迅速减少，即短期精度随时间平均步长增长而提高。

必须指出，这里讨论的短期误差并不包括由水流的脉动（紊流）引起的误差。

采样平均不仅可以减小或消除声学多普勒仪器本身的噪音引起的误差,也可以减小或消除水流的脉动（紊流）引起的误差。

短期精度（或短期误差）是最具实际应用意义的重要概念。

用户最关心的应是短期精度指标，而不是长期精度指标。

特别对于ADCP 走航测量，为了达到较高的空间分辨率（即沿航迹采样点较多），采样时间平均步长或采样步长通常仅为几秒。

在这样短的时间内，由系统的声学多普勒噪音引起的短期误差是测量的最主要的误差。

当ADCP 走航测量时，短期精度差的主要表现是：流速矢量沿航迹的分布很乱，呈“狼牙棒”状。

特别当流速较低时（小于10 cm/s ）更为明显。

尽管短期精度（或短期误差）的概念如此重要，ADCP 产品介绍书中却没有标明或没有明确标明短期精度指标。

这是因为短期精度的量度：标准误差不像长期精度指标那样可以用一个量值来表示。

由式１可以看到，标准误差是一个变量。

它是单脉冲标准差、脉冲发射速率、和采样时间平均步长的函数。

而单脉冲标准差又主要是ADCP 系统频率和深度单元长度的函数。

短期精度（或短期误差）的描述通常只在ADCP 使用手册中才可以找到。

其计算通常借助于厂家提供的程序。

然而，用户也不是没有办法知道ADCP 的短期精度。

由式１可以看到，只要知道单脉冲标准差和脉冲发射速率就可以算出标准误差。

用户可以向厂家或代理询问对应于某一系统频率和单元长度的单脉冲标准差指标和脉冲发射速率。

其实，用户只要知道ADCP 采用的是宽带还是窄带技术就可以确定该ADCP 短期精度的高低。

通常宽带ADCP 流速测量短期精度比窄带ADCP 要高四倍左右。

３．最小单元长度最小单元长度是ADCP流速测量垂向分辨率的量度。

显然，ADCP容许的最小单元的长度越小，则ADCP流速测量的垂向空间分辨率越高。

最小深度单元长度指标可以在ADCP产品介绍书中找到。

４．盲区盲区是靠近ADCP换能器的一定范围。

在该范围内，ADCP不能提供有效测量数据。

为了得到更多的数据，盲区当然是越小越好。

盲区指标可以在ADCP产品介绍书中找到。

５．最小剖面深度最小剖面深度取决于系统的盲区和最小单元长度。

通常假定在垂线上至少保证两个有效单元，则最小剖面深度的计算公式为：最小剖面深度＝盲区＋２×最小单元长度＋旁瓣区厚度或最小单元长度（两者中较大者）旁瓣区厚度＝(1-cosθ)•水深。

θ为ADCP声束角。

当θ＝20˚，旁瓣区厚度约为水深的６％；当θ＝25˚，旁瓣区厚度约为水深的10％。

显然，最小剖面深度是越小越好。

用户可以由上式自己计算最小剖面深度。

值得注意的是，有的厂家在产品介绍书中标明的最小剖面深度是基于在垂线上只有一个有效单元假定，所以其值偏小。

６．最大剖面深度最大剖面深度是指ADCP能够提供有效流速测量数据的深度范围。

最大剖面深度是越大越好。

最大剖面深度指标可以在ADCP产品介绍书中找到。

值得注意的是，最小和最大剖面深度与系统频率有关，且互相矛盾。

通常系统频率越高，最小剖面深度越小，但最大剖面深度也越小。

系统频率越低，最大剖面深度越大，但最小剖面深度也越大。

对于窄带ADCP，最小和最大剖面深度的矛盾特别突出。

这是因为窄带ADCP盲区较大、且垂向空间分辨率较低的缘故。

而对于宽带ADCP，最小和最大剖面深度的矛盾较小。

这是因为宽带ADCP盲区较小、且垂向空间分辨率较高。

７．四波束和三波束有的厂家的ADCP采用四波束换能器，而有的厂家的ADCP采用三波束换能器。

尽管ADCP 只要有三个波束就可以测量三维流速，采用四个波束的ADCP的性能将好于三波束ADCP。

四波束ADCP的主要优点有：a.即使因为某种原因（例如：水中杂物，游鱼，水下结构物等），四个波束中某一波束或者某一波束的某一单元失去信号或者信号不好，其它三个波束仍然能够提供有效数据。

因而流速测量的可靠性提高。

b.采用四个波束测量，增加了测量信息量，使流速测量的短期精度比采用三波束提高约25%。

c.由于四波束的对称性，能够有效地消除由于船只横摇和纵摆引起的流速测量误差。

当然，四波束ADCP的造价要比三波束ADCP高。

８．保修期保修期的长短反映了厂家对其产品质量的信心和对客户的责任心。

保修期越长对用户越有利。

但厂家在产品介绍书中并不标明保修期。

用户需向厂家或其代理询问。

９．价格目前国内不同品牌的ADCP价格相差大约为10% 至25%。

与其它任何产品一样，名牌ADCP 价格较高。

因为名牌ADCP可靠性好，精度（特别是短期精度）高，并且在所有上述指标方面优于其它品牌的ADCP。

所谓一分钱一分货。

要引进还是应该引进最好的ADCP。

注释：宽带ADCP和窄带ADCP宽带ADCP与窄带ADCP的区别在于它们采用不同的声信号发射、接收和处理方法。

窄带ADCP的声信号发射、接收和处理方法是：对于每一个流速测量，ADCP发射一个单独的，相对讲较长的脉冲声波，然后聆听（即接受）水体中颗粒物对这个脉冲的反射波，并记录发射波与反射波之间的频率改变。

这个频率改变即称为多普勒频移，用来计算水体的速度。

宽带ADCP的声信号发射、接收和处理方法是：对于每一个流速测量，ADCP发射一系列编码脉冲波组，ADCP测量脉冲波组之间的相关系数及相位差，用来计算多普勒频移。

对于用户来讲，所关心的并不是宽带ADCP和窄带ADCP在声信号发射、接收和处理方法上的差别，而是宽带ADCP和窄带ADCP在性能上到底有什么差别。

窄带ADCP流速测量短期误差较大。

对于ADCP走航测量,特别是对于流速空间分布的测量，由于窄带ADCP短期精度的限制，只好采用较大的深度单元和较多的脉冲采样进行平均来达到所需的测量精度。

这意味着流速测量在垂向和水平方向的分辨率降低。

宽带ADCP流速测量短期精度比窄带ADCP高四倍左右。

宽带ADCP流速测量的时间分辨率（或走航测量时的水平空间分辨率）比窄带ADCP高16倍左右。

宽带ADCP盲区较小、垂向空间分辨率较高。

在ADCP发展的历史中，是先有窄带ADCP（1981），后有宽带ADCP（1991）。

宽带ADCP 的诞生是ADCP技术发展的重要里程。

宽带ADCP技术是美国 RDI公司的专利。

目前，只有RDI公司生产宽带ADCP。