ADCP流速及流量测量原理[精制材料]
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• Profiler – 测量不同层次（depth cell）的 流速
实操应用
19
走航式ADCP流速测量
(A)
Beam does not completely illuminate
bottom at one time.
(B)
Beam illuminates bottom completely
at one time
ADCP
传统流速仪
实操应用
18
ADCP 测流回顾
• Acoustic – 以固定频率发射声波脉冲. • Doppler – 接受反射回来有“多普勒”频移
的声波，通过频移计算波束向的相对速度
• Current – 应用4波速向相对速度、波速间夹 角、姿态数据（首向heading,纵摇pitch,横摇 roll）
现代海洋测绘
ADCP流速及流量测量原理
PPT by 陈志高
实操应用
1
声学多普勒流速剖面仪
• Acoustic • Doppler • Current • Profiler
起源：1980s 四大海洋观测仪器之一：
✓ 海洋 ✓ 湖泊 ✓ 河口
实操应用
2
基本概念
ADCP 是用于采集流 速大小和方向的声学设备
• Acoustic • Doppler
• Current
• Profiler
实操应用
12
流速测量
• ADCP通常具有3个以上换能器，同时发射和接 受3个波束以上的声信号，获得3个以上的相对 速度
• 信号按波束独立处理并转换成波束向相对速度 • 利用波速间的角度，将波束向（波束坐标）的
相对速度转换为水平和垂向速度（地球坐标）
0.2
0.2 Depth
0.1
流量测量
实操应用
Q ENSEMBLE = 1.5 m3/s S Q = 1.5 m3/s
22
Distance = 9m
流量测量
0.2 0.3 0.2 0.3 0.1 0.3
0.3 0.2
Depth
实操应用
Q ENSEMBLE = 4.2 m3/s S Q = 5.7 m3/s
Bottom
Short Pulse
Water-track
Long Pulse
Bottom-track
实操应用
20
盲区
上下盲区：
微断面
u u*
9.5 ( z )b z0
水深单元
左右盲区：
岸边距
V Vm
上盲区
下盲区
为流速系数：0.67~0.75
实操应用
实测区
岸边距 岸边区
21
Distance = 3m
25
流量测量
Distance = 27m
0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.8 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.6 0.8 0.8 0.1 0.3 0.4 0.5 0.5 0.6 0.7 0.7
0.3 0.3 0.4 0.4 0.5 0.5 0.5 0.2 0.3 0.3 0.3 0.4 0.4 0.4
实操应用
8
多普勒频移
TRAIN APPROACHES-Higher Pitch
TRAIN RECEDES-Lower Pitch
实操应用
9
相对速度
• 悬浮颗粒物与换能器有相对运动才存在“多普勒 效应”
• 如果悬浮颗粒物运动垂直于（90度）换能器则没 有“多普勒效应”
• 知道了悬浮颗粒物与换能器发声方向的角度就可
1 4 cos 1
V1 V2 VV34
2 2 sin 14
坐标关系和速度转换
地球坐标系：
如果存在安装误差或罗经误差
实操应用
15
流速剖面
• Acoustic • Doppler • Current
• Profiler
实操应用
16
传统流速仪法
流速测量
流量测量
起点桩
V Kn C
实操应用
13
坐标关系和速度转换
波束坐标系：V1、V2、 V3、 V4
仪器坐标系：U、V、 W、 e
1
U
V
W
e
源自文库
2 sin
0
1 4 cos
1
实操应 2用2 sin
1 2 sin
0
1 4 cos
1 2 2 sin
0
1 2 sin 1 4 cos
1 2 2 sin
0
1 2 sin
流速剖面视为不同水 层(Bin)或深度单元（ Bepth Cell）的流速
实操应用
3
基本概念
• Acoustic
• Doppler • Current • Profiler
实操应用
4
声波发射
• ADCP的换能器以固定频率向水体和水底分 别发射一个短脉冲和长脉冲声波
• 声脉冲由于水里颗粒物存在反射并被换能 器接收
以通过“多普勒”频移推算出悬浮颗粒物的运动
速度
实操应用
10
Time 0 Time 1 Time 1 Time 1
相对速度
8 Waves Measured
10 Waves 9 Waves
ADCP Transducer
A
Acoustic Beam
8 Waves 实操应用
Scatters 11
流速测量
实操应用
5
声波发射
1 cm
Euphasiid
1 cm
Pteropod
1 mm
Copepod
实操应用
6
声波发射
• ADCP收到悬浮颗粒物反射回来的声波由于 悬浮颗粒物的相对速度而产生频移
• 这就是多普勒效应
实操应用
7
多普勒效应
• Acoustic
• Doppler
• Current • Profiler
23
Distance = 15m
流量测量
0.2 0.3 0.4 0.5 0.2 0.3 0.4 0.5 0.1 0.3 0.4 0.5
0.3 0.3 0.4 0.2 0.3 0.3
0.2
Depth
实操应用
Q ENSEMBLE = 12.3 m3/s S Q = 18 m3/s
24
Distance = 21m
流量测量
0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.6 0.1 0.3 0.4 0.5 0.5 0.6
0.3 0.3 0.4 0.4 0.5 0.2 0.3 0.3 0.3 0.4
0.2 0.2 0.3
Depth
实操应用
Q ENSEMBLE = 17.1 m3/s S Q = 35.1 m3/s
V—流速（m/s） n —旋桨回转率，n=N/T(1/s) K —水力螺距（m） C为仪器常数（m/s）
V1
V2
V3 V4
f0
A1 D1A2
A3
f1 d1
D2 D3 f2
D4
d2
f3
d3
水面 fn fn-1
流速面积法
实操应用
17
流速剖面
✓ 实时 ✓ 多垂线 ✓ 多水深单元 ✓ 效率高 ✓ 量程大
水深单元
实操应用
19
走航式ADCP流速测量
(A)
Beam does not completely illuminate
bottom at one time.
(B)
Beam illuminates bottom completely
at one time
ADCP
传统流速仪
实操应用
18
ADCP 测流回顾
• Acoustic – 以固定频率发射声波脉冲. • Doppler – 接受反射回来有“多普勒”频移
的声波，通过频移计算波束向的相对速度
• Current – 应用4波速向相对速度、波速间夹 角、姿态数据（首向heading,纵摇pitch,横摇 roll）
现代海洋测绘
ADCP流速及流量测量原理
PPT by 陈志高
实操应用
1
声学多普勒流速剖面仪
• Acoustic • Doppler • Current • Profiler
起源：1980s 四大海洋观测仪器之一：
✓ 海洋 ✓ 湖泊 ✓ 河口
实操应用
2
基本概念
ADCP 是用于采集流 速大小和方向的声学设备
• Acoustic • Doppler
• Current
• Profiler
实操应用
12
流速测量
• ADCP通常具有3个以上换能器，同时发射和接 受3个波束以上的声信号，获得3个以上的相对 速度
• 信号按波束独立处理并转换成波束向相对速度 • 利用波速间的角度，将波束向（波束坐标）的
相对速度转换为水平和垂向速度（地球坐标）
0.2
0.2 Depth
0.1
流量测量
实操应用
Q ENSEMBLE = 1.5 m3/s S Q = 1.5 m3/s
22
Distance = 9m
流量测量
0.2 0.3 0.2 0.3 0.1 0.3
0.3 0.2
Depth
实操应用
Q ENSEMBLE = 4.2 m3/s S Q = 5.7 m3/s
Bottom
Short Pulse
Water-track
Long Pulse
Bottom-track
实操应用
20
盲区
上下盲区：
微断面
u u*
9.5 ( z )b z0
水深单元
左右盲区：
岸边距
V Vm
上盲区
下盲区
为流速系数：0.67~0.75
实操应用
实测区
岸边距 岸边区
21
Distance = 3m
25
流量测量
Distance = 27m
0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.8 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.6 0.8 0.8 0.1 0.3 0.4 0.5 0.5 0.6 0.7 0.7
0.3 0.3 0.4 0.4 0.5 0.5 0.5 0.2 0.3 0.3 0.3 0.4 0.4 0.4
实操应用
8
多普勒频移
TRAIN APPROACHES-Higher Pitch
TRAIN RECEDES-Lower Pitch
实操应用
9
相对速度
• 悬浮颗粒物与换能器有相对运动才存在“多普勒 效应”
• 如果悬浮颗粒物运动垂直于（90度）换能器则没 有“多普勒效应”
• 知道了悬浮颗粒物与换能器发声方向的角度就可
1 4 cos 1
V1 V2 VV34
2 2 sin 14
坐标关系和速度转换
地球坐标系：
如果存在安装误差或罗经误差
实操应用
15
流速剖面
• Acoustic • Doppler • Current
• Profiler
实操应用
16
传统流速仪法
流速测量
流量测量
起点桩
V Kn C
实操应用
13
坐标关系和速度转换
波束坐标系：V1、V2、 V3、 V4
仪器坐标系：U、V、 W、 e
1
U
V
W
e
源自文库
2 sin
0
1 4 cos
1
实操应 2用2 sin
1 2 sin
0
1 4 cos
1 2 2 sin
0
1 2 sin 1 4 cos
1 2 2 sin
0
1 2 sin
流速剖面视为不同水 层(Bin)或深度单元（ Bepth Cell）的流速
实操应用
3
基本概念
• Acoustic
• Doppler • Current • Profiler
实操应用
4
声波发射
• ADCP的换能器以固定频率向水体和水底分 别发射一个短脉冲和长脉冲声波
• 声脉冲由于水里颗粒物存在反射并被换能 器接收
以通过“多普勒”频移推算出悬浮颗粒物的运动
速度
实操应用
10
Time 0 Time 1 Time 1 Time 1
相对速度
8 Waves Measured
10 Waves 9 Waves
ADCP Transducer
A
Acoustic Beam
8 Waves 实操应用
Scatters 11
流速测量
实操应用
5
声波发射
1 cm
Euphasiid
1 cm
Pteropod
1 mm
Copepod
实操应用
6
声波发射
• ADCP收到悬浮颗粒物反射回来的声波由于 悬浮颗粒物的相对速度而产生频移
• 这就是多普勒效应
实操应用
7
多普勒效应
• Acoustic
• Doppler
• Current • Profiler
23
Distance = 15m
流量测量
0.2 0.3 0.4 0.5 0.2 0.3 0.4 0.5 0.1 0.3 0.4 0.5
0.3 0.3 0.4 0.2 0.3 0.3
0.2
Depth
实操应用
Q ENSEMBLE = 12.3 m3/s S Q = 18 m3/s
24
Distance = 21m
流量测量
0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.6 0.1 0.3 0.4 0.5 0.5 0.6
0.3 0.3 0.4 0.4 0.5 0.2 0.3 0.3 0.3 0.4
0.2 0.2 0.3
Depth
实操应用
Q ENSEMBLE = 17.1 m3/s S Q = 35.1 m3/s
V—流速（m/s） n —旋桨回转率，n=N/T(1/s) K —水力螺距（m） C为仪器常数（m/s）
V1
V2
V3 V4
f0
A1 D1A2
A3
f1 d1
D2 D3 f2
D4
d2
f3
d3
水面 fn fn-1
流速面积法
实操应用
17
流速剖面
✓ 实时 ✓ 多垂线 ✓ 多水深单元 ✓ 效率高 ✓ 量程大
水深单元