ADCP资料处理中的船速计算
走航式ADCP在水文测验中的应用浅识-1
走航式ADCP在水文测验中的应用浅识-1走航式ADCP 在水文测验中的应用浅识【摘要】过去，水文工作者大量使用单点式流速仪测量流速；现在，我们手中增加了一种先进的测流仪——声学多普勒测流剖面仪，它对于水文测验工作来说，确实是一项革命性的先进技术，相信在不久的将来，它会获得十分广泛的应用本文通过阐述ADCP 的基本原理和应用方式，说明采用ADCP 进行水文测验具有高频、高效的特点，其成果精度高可靠度高。
随着水文巡测的开展，水文测验要求的提高，推广ADCP 在水文测验中的应用在技术和规范方面存在着局限性。
建议尽快制定相关规范规定，推动水文现代化进程。
关键词：ADCP 阿坝水文测验1.走航式ADCP 的基本原理ADCP 是声学多普勒流速剖面仪的英文简称，即Acoustic Doppler Current Profilers ，它是由美国RDI 公司于20世纪80年代研制出来的新仪器。
1.1 声学多普勒原理：声学多普勒效应就是，当声源与接受物体以相对速度V 相对运动时，接受物体所收到的振动频率与振动源所发出的频率有所不同，称之为多普勒效应。
由多普勒效应所形成的频率变化叫做多普勒频移，它与相对速度V 成正比，与振动的频率成反比。
1.1.1 走航式ADCP 测量原理：ADCP 利用声学多普勒效应进行测流。
换能器发射出一定频率的脉冲，该脉冲碰到水体中的悬浮物质后产生后向散射回波信号，该信号为ADCP 所接收。
悬浮物质随流而漂移，使该回波信号的频率与发射的频率之间产生一个频差，即多普勒频移：CV F F s d 2 Fd ：声学多普勒频率Fs ：发射声波的频率V ：颗粒物沿声波方向的移动速度C ：声波在水中的传播速度从理论上讲，走航式ADCP 流量测量原理与传统的人工船测或缆道测量等的基本原理一样：在测流断面上布设多条垂线，在每条垂线处测量水深并测量多点的流速，计算得到垂线的平均流速。
走航式ADCP 实测的是断面中部区域内的流速，这个区域称为ADCP 实测区。
走航ADCP数据处理方法
•猜测罗经误差值，对5-8层速度进行校正 •利用船转向期间被测流速不变的条件 •多次猜测，最合理的流速时，猜测值为安 装误差值（标定值） •利用这个标定值对流速观测值进行校正
Liang CJ. et al, 2005
44
数据质量控制
• 标识需要祛除的底数据 • 标识受干扰的层 • 标识噪声 • 选取合适的质控参量和阈值
• Acoustic • Doppler • Current • Profiler
4
基本概念
1. ADCP基本概念 ADCP基本概念 a) 多普勒频移 b) 波束坐标和地球坐标系 c) 首向(heading)、纵摇(pitch)、横摇(roll) 首向(heading)、纵摇(pitch)、横摇(roll) d) 层厚 e) 流速剖面 f) 同源性 g) 底跟踪
H/P/R $PRDID
GPS - $VTG Heading -$HDT Heading -$HDG Pitch/Roll - $PRDID
29
OS Transducer Well Installation
30
WH Transducer Well Installation
31
32
33
Transducer Side Installation
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波束风量和水平分量
ADCP Transducer
Sc att e
rer
A Acoustic Beam
Ve loc
ity
Scatterers
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地球坐标转换
19
流速剖面
• Acoustic • Doppler • Current
• Profiler
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层厚（Depth Cells/Bin） 层厚（Depth Cells/Bin）
ADCP流速及流量测量原理
ADCP流速及流量测量原理ADC流速及流量测量原理是指使用ADCP（Acoustic Doppler Current Profiler）测量水流速和流量的原理。
ADCP是一种利用声学多普勒效应测定液体中微小颗粒速度的设备，可以通过声波对液体中流动物体的速度进行测量，进而计算水流速和流量。
ADCP的测量原理包括声波的发射和接收、多普勒效应的应用以及数据处理三个方面。
首先，在ADCP中，通过一个或多个发射器向水体中发射一束或多束高频声波，一般在100kHz至1MHz之间。
这些声波在水体中传播并与水体中的颗粒相互作用。
由于声速在液体中有一定值，当声波遇到运动的颗粒时，声波的频率将发生变化。
根据多普勒效应，颗粒运动方向和音源接收器之间的相对速度将导致声波的频率偏移。
经过接收器接收的声波频率相对于发射时的频率偏移量与颗粒速度成正比。
其次，ADCP利用多普勒效应来测量颗粒的速度。
接收到的声波频率偏移量与颗粒速度成正比，通过测量频移量的大小可以得出颗粒的速度。
多个接收器可以同时测量不同方向的速度分量。
这种多普勒效应测量的速度被称为径向速度，即相对于发射器和接收器之间连线的径向速度。
最后，通过对径向速度的测量数据进行处理，可以得到水流速和流量的信息。
针对横截面或纵向的速度分布，可以进行不同的数据处理方法，如简单平均或高斯拟合。
通过分析速度分布在水体断面上的变化，可以计算出水体的平均流速和流量。
此外，还可以根据声波的传播时间和相互作用，对水体的深度进行测量。
总之，ADCP利用声波与水体中微小颗粒相互作用，通过多普勒效应测量颗粒的速度，进而计算水流速和流量。
其原理包括声波发射和接收、多普勒效应的应用以及数据处理。
该技术在水文学和海洋学研究中得到广泛应用，可以用于测量河流、海洋和湖泊等水体的流速和流量，对水资源管理和环境保护具有重要意义。
浅谈ADCP流量测验中的技术处理
先 引进走 航 式声 学 多普 勒流 速仪 ， 开 展 了感 潮 河 段 流 量 深 仪 测 量 水 深 。如 果 流 量 测 量 时 外 接 ＧＰ Ｓ 、 外 部罗 经 、 测
测 验 ， 目前 国 内 已 引 进 了 大 量 的 声 学 多 普 勒 流 速 仪 ， 并 深 仪等设 备 时 ， 则 外 接设 备 的刷新 频率 或 采样 频率 宜大 陆 续 用 于 复 杂 流 态 下 的 流 量 测 验 或 工 程 设 计 、建 设 、 运 于 声 学 多 普 勒 流 速 仪 流 量 测 验 的 采 样 频 率 ， 否则 容 易形
素 有很 多 ， 其 中较为 突 出 的主要 有 ： 铁磁 影 响 、 底 沙 运 动 有 在 余 震 衰 减 掉 后 压 电 陶 瓷 片 才 能 正 常 接 收 回 波 信 号 ， 和 水 深误 差 、 盲 区流 速 插补 、 水 位误 差 、 船 速 的影 响 、 施 余 震衰 减需 要一 点 时间 ， 这个 时 间乘 以声 速 即为流 速仪 测 方法 等 。 这 些 技 术 问题 也 是 走 航 式 流 量 测 验 误 差 的 主 的 盲 区 （ 称 为上 、 下盲 区 ： 水 面部分 和 近水底 部 分 ） ； 而对 要来 源 ， 在 流 量 测 量 中会 常 常 遇 到 ， 急需 用 科学 、 合 理 的 于 无 法 施 测 的 左 、 右岸 边流 量称 为左 、 右盲 区 。 在 实 际 测 方法 解决 和 处理 。 下面 ， 我就 结合 我单 位 几年 来 （ 笔 者所 量 中 ， 对 于上 、 下 盲 区流量 ， 我 们一 般采 用 合适 的流 速分 在单 位 在 ２ ０ ０ ７年 引 进 走 航 式 ＡＤＣ Ｐ进 行 水 文 测 验 ） ， 在 布 曲线 来 推 算 ，并 通 过 旋 浆 式 流 速 仪 施 测 进 行 比对 ， 用
船载ADCP资料处理方法
船载ADCP资料处理方法由于ADCP直接获取的资料并非真实的流速、流向，而是海水相对于运动船体的速度，所以对其资料的后处理技术提出了更高要求。
目前对走航ADCP资料处理方面的工作做得比较早，也比较成熟的是美国的夏威夷大学。
通常走航ADCP观测资料的处理是通过平均数据来处理的，即夏威夷大学提出的“选取参考层”处理方法，本文提出了一种对其原始信号进行直接处理的方法，即所谓的“基准流速控制”处理方法。
该方法不但减少了资料处理过程中的人为干预，而且有效地提高了资料时效和精度。
一、ADCP资料处理内容（一）平均数据文件的质量控制平均数据是ADCP所观测数据在一段时间内的平均。
通常认为单次回波所测的流速误差较大，一般都使用一段时间的平均流速来表示某一点的海水流速，ADCP流速数据的平均时间根据具体情况取3、5、10min不等。
对于该数据可以通过时间范围、测区范围、测量深度、回波强度离散度、平均回波强度、最大船速、转弯角度、加速度、数据良好比例和误差速度等方面进行质量控制。
（二）原始数据文件的质量控制ADCP原始数据文件记录了每个波束的信号，对其进行质量控制，然后再经转换、平均得到平均数据，达到对其整体资料进行质量控制的目的，得到更高质量的数据。
首先要将4个波束的实测数据转换为船体坐标X、Y、Z的3个速度分量和误差速度，然后经过坐标转换成为地球坐标下的相对流速数据。
式中，X′、Y′为坐标旋转后的东分量、北分量；heading为罗经指向角。
读取不同航次大量原始数据进行分析，查找产生误差的原因，下面分析各个方面误差产生的原因及采取的处理方法。
⑴导航船速误差。
GPS船速的误差主要是由于定位误差造成的，对于误差较大的船速必须予以剔除。
⑵底跟踪速度误差。
底跟踪速度误差是测流仪应用多普勒原理测量得到的，有时也会产生底跟踪速度值会比真值相差很多，这种误差主要来自于船速和环境噪声，在遇到这种情况时使用GPS船速取代底跟踪船速。
ADCP(走航式)使用说明书解读
ADCP（走航式）使用说明书一、仪器安装将仪器按图示安装在测杆上。
要求3#波束对船头方向，插ADCP上的插头时，要抹一点硅脂，插好后要锁好锁圈（在拔下插头前，一定要先松开锁圈）。
电缆出线首先要用线卡固定，再用扎带捆在测杆上，引入船上。
12V电源正负极切勿接反（红正黑负），另一九针插头插入计算机串口，二、仪器自检在仪器入水前进行（在每天工作前都应检测ADCP），运行BBTALK 软件，按软件提示操作。
（1）设置串口，对ADCP类选型WH(2)设置波特率9600（3）发送唤醒命（4）运行TestWH.rds 命令文件，自动完成测试在“文件”菜单中选“发送命令文件”（文件名：TestWH.rds）随即开始自动检测，按提示操作，当提示rubber beam 1 时，用手快速摩擦波束1的超声波发射面，如果正常会显示“pass”，随后再分别摩擦波束2、3、4的超声波发射面，正常显示“pass”，表明检测通过。
可以将仪器连同测杆装入水中，进行断面流量测量。
三、数据采集运行WinRiver软件1、参数设置（1）在“文件”菜单中选“采集模式”（2）设置通讯口在“设置”中选“通讯”，然后点击“增加”，按实际情况分别设置连接ADCP, GPS 等设备的串口参数。
（3）自动设置仪器参数“配置向导”是WinRiver V.1.03 版的特色，它的功能是按照用户提供的具体河流数据，根据RDI公司的专家经验自动设置仪器参数。
在“设置”中选“配置向导”。
在弹出菜单中，根据实际情况填写所有的空格，尤其是“ADCP配置”。
然后点击“运行向导”，程序会根据所填数据自动确定仪器参数，如水层单元个数，水层单元厚度，测流模式等。
最后点击“确定”退出该菜单。
如果程序发现可能发生如“流动底”等问题，将会在警告窗口显示相应的警告信息，但不影响其设置仪器参数。
（4）检查仪器设置在“设置”中选“配置设置”，检查各菜单参数设置。
一般不需要修改设置值，但对有经验的用户，可以在“命令”菜单中的“用户命令”栏中输入自己的命令。
船载ADCP测量误差的因素分析和校正方法
第24卷第4期2006年10月海洋科学进展ADVANCES IN MARINE SCIENCEVol.24No.4Oct.,2006船载ADCP测量误差的因素分析和校正方法*刁新源1,2,于非1,2,葛人峰1,2,郭景松1,2,张志欣1,2(1.国家海洋局第一海洋研究所,山东青岛266061;2.海洋环境科学和数值模拟国家海洋局重点实验室,山东青岛266061)摘要:系统归纳和分析了引起船载ADCP测量误差的主要因素和校正方法。
结合实际经验对ADCP资料后处理中的难点问题提出了解决方案,并且取得了良好的结果。
关键词:ADCP;误差分析;数据处理中图分类号:P716文献标识码:A文章编号:167126647(2006)0420552209ADCP(Acoustic Doppler Curr ent Profiler)作为一种海流观测仪器,自从20世纪70年代出现以来得到了广泛的应用。
许多国际性大型海洋调查研究项目如T OGA,WOCE,WEPOCS等都使用ADCP作为海流观测仪器。
众所周知,ADCP是一种声学测量仪器,早期采用窄带技术的ADCP使用声学多普勒原理进行水流流速的测量。
所谓声学多普勒原理是指,当被观测物体相对于声源有径向位移的时候,造成的观测到的声源特性发生改变的现象,即:f d=f s(V/C)(1)式中,f d是多普勒漂移频率;f s是物体静止时的声波频率;V是物体相对于声源的径向速度;C是声速。
通过对f d和f s的测量就可以计算出水流的速度。
近些年来采用宽带技术的ADCP则是依靠测量声波的时间延迟而不是频率的变化来计算水流的流速。
在ADCP的使用过程中,针对其测量原理和观测误差,前人已经做过了大量的研究,如Terrence(1989)提出了ADCP换能器安装偏角的计算方法[1];N ew(1992)分析了影响ADCP数据质量的几个因素[2];蒋松年(1992)进行了A DCP的观测及资料处理的讨论[3];吴中鼎(2004)阐述了关于ADCP资料处理中船速的计算[4],等等。
船载ADCP资料处理
经过 坐标 转换 成 为地球 坐标下 的相 对流 速数据 。
式 中， 、 ｙ 为坐 标旋 转后 的东 分量 、 北分 量 ； ｈ ｅ ａ ｄ ｉ ｎ ｇ 为 罗经 指 向角 。读 取不 同航 次大 量原 始数据 进行 分 析， 查找 产 生误差 的原 因 ， 下 面分 析各个 方 面误 差产 生 的原 因及 采取 的处 理方法 。 （ １ ） 导航 船速误 差 。Ｇ Ｐ Ｓ船 速 的误 差 主 要 是 由 于定位 误差 造成 的 ， 对 于 误差 较 大 的船 速必 须 予 以
剔 除。
是 通过平均数据 来 处理 的 ， 即夏威 夷大 学 提 出的“ 选
取 参考层” 处理方 法 ， 本文 提 出 了一 种对 其 原始信 号 进行直接处理 的方 法 ， 即所 谓 的“ 基 准 流 速控 制 ” 处 理方法 。该方法 不 但减 少 了资 料处 理过 程 中 的人 为 干预 ， 而且有效地 提高 了资料 时效和精度 。
高 质量 的数据 。
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ３ — ０ ８ — ２ ７ ； 修 回 日期 ： ２ ０ １ ４ — ０ ９ — ２ ４ 作者简 介 ： 吴云帆 （ １ ９ ９ １ 一 ） ， 女， 天津人 ， 硕士研究生 ， 主要从 事海洋气象与数据分析研究 。 １ 概Fra bibliotek述 、
首先要将 ４ 个波束 的实测数据转换为船体坐标
ｙ 、 ｚ的 ３个 速 度 分 量 和 误 差 速度 ， 然后按式 （ １ ）
Ｘ ＝Ｙ×ｓ ｉ ｎ（ ｈ ｅ ａ ｄ ｉ ｎ ｇ ）＋Ｘ Ｘ Ｃ Ｏ Ｓ（ ｈ ｅ ａ ｄ ｉ ｎ ｇ ） Ｙ Ｙ Ｘ Ｃ Ｏ Ｓ（ ｈ ｅ ａ ｄ ｉ ｎ ｇ ）一Ｘ ×ｓ ｉ ｎ（ ｈ ｅ ａ ｄ ｉ ｎ ｇ ） （ １ ）
ADCP基本原理及比测试验
均 流速 平 均相 关系 数 为 ０ ． ９ ２ 。以 ＡＤ ＣＰ实测 流量 值 为横
１ ３ ８
ＡＤ ＣＰ设备按技术要求安装在三体船上 ，利用缆道拉动
Ｐ ｒ ｏ ｆ ｉ ｌ ｅ ｒ ”的缩写 ，中文译 为声学 多普 勒流 速剖 面仪 。 ＡＤ ＣＰ是当今测流仪器中先进设 备的代表 ，专 门用于河 流、水渠或狭窄海峡的流量测量工作 ，该仪器性能稳定 ， 是一种快速、有效的测流设备。当安装有该设备的测船从 河流某断面一侧岸边运行至另一侧岸边时 ，就能实Ｂ － ， Ｊ ￣ Ｕ 出 并显示该河流的流量、水深及断面面积 ，与传统的流速仪 侧法比较省时 、省力 ， 效率大大提高 。
岸结束 ， 再从右岸开始测量到左岸结束 ，这一个往返为一 个测 次 。一个 测流 过程 为两 个测 次 ，四个 来回 。然 后利 Байду номын сангаас
ＡＤ ＣＰ程 序计 算 出 ４次 流 量 的平 均 值 和 流速 仪 精 测 法计 算 出的流量 进 ， ｆ ￣ － ｌ ： １ ５ 较。 流 速仪 精测 法使 用 同一缆 道 ，沿 同一 断面进 行 测量 。 在 断 面 上 布 设 ９条 垂 线 ，每 条 垂 线 上 布 置 ３个 测 点 ， 共计 ２ ７个测点 ，然后根据水文规范要 求计算 出流量与
用走航式 Ａ ＤＣ Ｐ测流时人工输入左右岸水边距离 ，其余 断面数据均由仪器实测 ，然后将结果进行比较 。
比测试验
本次 Ｌ Ｌ ￣ ， Ｕ 试验 的 比测 断面 位于 石津 干渠 向南 水北 调总 干渠分水口前 １ ５ ０ ｍ， 该断面为浆砌石断面 ， 无冲於变化 。
ADCP基本原理及应用
ADCP基本原理及应用佘亮亮1,2，谢悦波1,2，1河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京 (210098)；2河海大学水文水资源学院，南京 (210098）E-mail：lianglshe@摘要：多普勒测流仪(ADCP)是当前在水文行业推广的一种新型测流仪器，该仪器利用声学多普勒原理，测量水流速度剖面，具有测验时间短、分辨率高、精度好、资料完整、信息量大等优点。
本文详细介绍了多普勒测流仪测流的基本原理，通过实例，比较它与传统流速仪的测量结果，并分析误差的来源和合理性，说明其在感潮河段测流测验中，表现出速度快、精度高、省时省力，较传统流速仪所不可比拟的优越性，因此在复杂的长江河口地区应大力推广该技术，加快实现水文水利现代化。
关键词：ADCP，原理，优越性中图分类号：P331. 引言声学多普勒流速剖面仪（Acoustic Doppler Current Profiler）（图1）的英文缩写为ADCP，它是近十多年才发展和应用的一种快速、经济、有效的高精度测流仪器。
该仪器自20世纪90年代初被引进我国，至今已在我国的河流、湖泊、海洋等的水体流量测验中广泛应用，特别是在潮汐河段的水文测验中应用较多。
图1 声学多普勒流速剖面仪2. 声学多普勒原理与方法简介ADCP安装在特制的船上（图2），每个ADCP配有4个换能器（图3），换能器与ADCP 轴线成一定夹角，每个换能器既是发射器又是接收器。
换能器发射的声波能集中于较窄的范围内，也称为声束。
换能器发射固定频率的声波，然后聆听被水体中颗粒物散射回来的声波。
假定颗粒物的运动速度和水体流速相同，当颗粒物的运动方向接近换能器时，换能器聆听到的回波频率比发射波的频率高；当颗粒物的运动方向背离换能器时，换能器聆听到的回波频率比发射波的频率低。
声学多普勒频移，即发射声波频率与回波频率之差由下式确定：2 D S VF FC=式中：D F 为声学多普勒频移，S F 为发射声波频率，V 为颗粒物沿声束方向的移动速度，C 为声波在水中的传播速度，2为系数。
船速计算方式
船速计算方式
1.船舶速度的计算方式：
船舶速度=航行时间×路程/时间
其中航行时间和路程：一般是指航行期间用的真实时间和船舶经过的实际距离。
2.船速单位：
常用船速单位是节，节数等于一小时行走1nmi（纳米），即每小时1节。
也有其他单位：海里、千米、米/秒等。
3.船舶速度的测量方法：
一般较常用的测量方法有摆出、点出、导航仪、GPS的测量方法等。
摆出：即提供一把摆动的绳子，绳子端加上一枚铁尾牌，以牌作半径，将牌放在船上，摆动牌子，固定牌子放置的时间就是船的航行速度；点出即根据船舶推进器轮流转动的角度和所运行的距离来测量船舶的航行速度；导航仪一般采用浮子法测量船舶航行速度；GPS一般也可以测量船舶航行速度，即由GPS接收机提供的船舶位置和船舶速度两个参数计算出船舶的航行速度。
走航式ADCP的原理及降低误差的主要方法
CHENGSHIZHOUKAN 2019/11城市周刊８０走航式ADCP 的原理及降低误差的主要方法李 斌 湖南省怀化市水文水资源勘测局摘要：声学多普勒流速剖面仪简称ADCP ，是目前我国测量海流剖面以及河道流向最方便的方法。
本文具体对声学多普勒流速剖面仪，简称ADCP 的组成原理进行了讲解、并重点对误差以及有效的解决措施等进行了分析，为相关工作人员提供参考。
关键词：走航式ADCP；误差；方法上世纪70年代来，ADCP 作为海洋观测仪，在大型海洋调查中得到了广泛的使用。
近年来，随着科学不断进步，ADCP 的适用范围已经逐渐扩展到海洋资源探查、环境监测以及分离潮流等多个领域方面，为未来的海洋调查以及科学研究打下了一个坚实的基础。
其次，走航式ADCP 测流具备分辨高、观测多层、操作简单以及成本较低等特点，优化完善了传统测流仪器的不足，减少了测量的时间，且目前在我国已经进行了多方面的普及。
但是由于海域较大、海洋条件多样化、船速的变化以及摇摆等各类因素影响，在数据误差以及控制方面仍存在一定的问题，所以还需要我们不断的去改革优化，以此促进其更好地发展[1]。
一、ADCP 组成与工作原理１．组成。
ADCP 的组成主要是由硬件和软件两部分组成的，其中硬件的系统主要包含声波器、甲板单元、采集以及计算机等，而软件系统和硬件系统相对，其中包括检测仪器软件、采集数据软件以及处理数据软件等。
在这其中，声波器能准确接收返回的声波，而甲板单元则是将返回的声波转换成信号传送给计算机，计算机进行最终的处理和记录。
如果检测水中沙含量较多，ADCP 在测量时就会产生一定的误差，所以，为了消除此类误差就需要在其仪器上安装相应的校正仪器。
２．工作原理。
ADCP 具备四个基础的声波器，其能发射和接收产生的声波，且每个声波器的发生线都与仪器底部成六十度角。
声波器在水中发出对应的声波，当声波遇到水中的散射体，便会主动进行反射，如果散射体朝向仪器的方向，反射的则高于发射声波，反之则低于反射的声波。
走航式ADCP与传统测验的比较分析
走航式ADCP与传统测验的比较分析摘要：当前在进行水文测验工作中，采用走航式ADCP进行流量的测验被广泛应用。
走航式ADCP的测验应用相对传统的流速仪的测验方法，在测验的准确性和工作原理等方面有着较大的优势。
本文就结合走航式ADCP流量测验和传统的流速仪的测验方法进行对比，提出采用走航式ADCP应用在流量测验中的优势所在。
关键词：走航式ADCP;流量测验；测验对比走航式ADCP，是声学多普勒流速剖面仪的简称。
作为当前被广泛采用的较为成熟的流量测验仪器，走航式ADCP的测验工作应对水文应急监测、突发性水事件、边界水量巡测等，数据精确、操作简便。
通过与传统的流量测验方法进行对比，走航式ADCP的精度更高、劳动强度小，而且速度快，具有对河床断面、河流流苏、流量、流向等进行随时测量的特性。
应用前景十分广阔。
1、走航式ADCP的定义以及功能概述走航式ADCP是美国RDI公司生产的，全称为声学多普勒流速剖面仪，目前分为走航式和固定式两种。
走航式ADCP上配备与ADCP轴线形成夹角的换能器，共有4个。
利用声学系统向水体发射固定的频率的声波，在水体中声波是悬浮的，遇到水体中的颗粒物产生反射波，通过对反射波与发射波的频率的记录，得到了多普勒频移。
继而可以计算出水流的相对ADCP 的速度，走航式ADCP还能够向河床发射底跟踪声波，测算出ADCP的运动速度和水的深度，根据水流相对速度，将船速扣除，然后得到水流的绝对速度[1]。
多普勒频移方程的计算公式：Fd=2FV/C公式中，F为发射波频移，V为沿声束方向的水流速度，C为声波在水中的传播速度。
2、传统水文测验方法在传统水文测验过程中，所使用的传统水文测验方法，通常是采用流速设备完成整体的流量测验。
此种流量设备的主要测量方法，是通过借助大断面之间的测量，根据不同的断面情况完成测深垂线、测速垂线的整体布设，通过根据所设垂线的有关水深情况，使用几点法展开，完成最终的流量测验结果计算[3]。
声学多普勒流速剖面仪(ADCP)的应用实例
声学多普勒流速剖面仪 (ADCP) 的应用实例声学多普勒流速剖面仪 (ADCP) 是一种融合了多学科技术而研制的新型测速声呐设备，作为水声技术的一个典型应用，作为一种测速仪器，ADCP 在水运工程 (包括内河和海洋工程) 中得到了广泛应用，对于声学多普勒测流技术的研究日益受到人们的关注。
目前测流仪器种类繁多, 按照工作原理的不同可以分为机械式海流计、压力式海流计、电磁式海流计以及声学海流计等。
现在大量运用的是声学多普勒海流计。
声学多普勒海流计采用声遥测方式，对被测流场无干扰，能够获得高精度的速度信息，被国际海委会定为4 种先进的海洋观测仪器之一，因此ADCP 成为当前广泛采用的测流仪器，是水资源调查中必不可少的重要测验设备。
通过ADCP 在具体工程中的应用研究，归纳总结了ADCP 在工程应用中的主要工作流程，以及在工程应用中的注意事项。
一、ADCP 工作原理( 一 ) 多普勒效应波源和观察者有相对运动时，观察者接收到波的频率与波源发出的频率并不相同的现象；如果二者相互接近，观察者接收到的频率增大；如果二者远离，观察者接收到的频率减小。
这便是著名的多普勒效应 (奥地利物理学家及数学家克里斯琴· 约翰· 多普勒于1842 年首先提出这一理论) ，它不仅适用于声波，同样适用于所有类型的波，包括电磁波。
ADCP 就是利用声波的多普勒效应发展起来的一种新型测流设备, 它是一种既可测量相对水底速度, 同时又可以兼顾测量相对水流速度的声呐设备。
ADCP 利用声学多普勒原理，测量分层水介质散射信号的频移信息，并利用矢量合成方法获取海流垂直剖面水流速度, 即水流的垂直剖面分布。
对被测验流场不产生任何扰动，也不存在机械惯性和机械磨损，能一次测得一个剖面上若干层的流速的三维分量和绝对方向。
(二) ADCP 测流原理水体中存在大量的散射体，诸如微小粒子、浮游生物等，它们随水体流动。
这些散射体和水体是融为一体的，其速度即代表水流速度。
ADCP(声学多普勒海流剖面仪)测量原理与技术
一般来说GPS方法测船速不如“底跟踪”方 法精确。
ADCP测量原理与技术
盲区
所谓盲区, 是由于测船不能靠近, 或者因ADCP本身的原因, 仪器无法测 到数据的区域, 称为“ 盲区”, 亦可称作“ 非实测区”。 顶部盲区；底部盲区；侧部盲区
TRAIN APPROACHES-Higher Pitch
TRAIN RECEDES-Lower Pitch
ADCP测量原理与技术
波束和地球坐标
波束（wave beam）是指由换能器发射出来的声脉冲波在测流面上形成的 形状（比如说像手电筒向黑暗处射出的光束）。
地球直角坐标系：原点O与地球质心重合，Z轴指向地球北极，X轴指向 地球赤道面与格林尼治子午圈的交点 。
横摇（roll），又称侧滚角，导航系统中用来标 识目标的横向倾角，其值等于目标物体所在平 面上，与艏艉线垂直的线与其在水平面的投影 间的夹角。
升沉（heave），船体在垂向的移动距离。
纵摇、横摇、升沉由姿态传感器测得。
ADCP测量原理与技术
深度单元（Bin)
水流在垂向上被分割成若干单元，叫深度单元（depth cell） 一台ADCP相当于许多单点测流仪
ADCP测量原理与技术
艏向、纵摇、横摇、升沉
艏向（Heading），在某时刻船首在水平面上的方位，用与基准方位间的偏转角度 表示，通常基准方位为0°按顺时针依次增加，360°与0°重合。 由罗经测得。
纵摇（pitch），又称俯仰角，导航系统中用来 标识目标的纵向倾角，其值等于艏艉线与其在 水平面的投影间的夹角。
ADCP测量原理与技术
ADCP资料处理中的船速计算
收稿日期:2004203231;修回日期:2004207216作者简介:吴中鼎(19612),男,浙江嘉兴人,高级工程师,主要从事物理海洋学研究。
ADCP 资料处理中的船速计算吴中鼎1,梁广建2,李占桥1,陈 淼1(11海军海洋测绘研究所,天津 300061;2192488部队,广东湛江 524064) 摘要:船载ADCP 具有走航测流的特点,弥补了传统测流仪器只有停船才能观测的不足。
它可以同时观测多层海流数据,获取连续性资料。
ADCP 测得流速是海水相对于船体的速度,在正常观测条件下,船速远大于海水流速,因而船速计算是ADCP 资料处理的关键。
本文对不同的船速计算方法进行了比较,对使用参考层法计算船速的原理、特点和效果进行了论述。
关键词:测流;声学多普勒海流剖面仪;资料处理;船速中图分类号:P714 文献标识码:B 文章编号:167123044(2004)05200132031 引 言111 ADCP 的工作原理ADCP (acoustic doppler current profilers )全称声学多普勒海流剖面仪,它的工作原理是,安装在船底的换能器以一定的频率发射声波,海水中微粒会将部分声波反射回来,由于水体的运动,反射的声波会发生频率上的变化,由此可以计算出海水流速。
为准确定位,船载式ADCP 必须配有罗经和G PS 定位仪,罗经可接船上的电罗经信号,仪器内部也可带有罗经。
112 问题的提出测流仪器的观测精度除与仪器精度有关外,还与测量平台的状态密切相关,由于ADCP 观测到的是海水相对于船体的速度,如果测量平台的移动速度不能精确算出,仪器的测流精度再高,资料也是不可信的。
一般的船速计算方法有以下三种:(1)根据底跟踪来测船速,它与ADCP 测流原理一样,也是通过声波遇到海底后反射回来的多普勒频移来计算海底与仪器间的速度即为船速;(2)由G PS 定位仪测量的经纬度位置经滤波后计算船速;(3)由G PS 定位仪测得的船速。
h-adcp 流量计算公式讲解
h-adcp 流量计算公式讲解h-ADCP通过发射一束声波到水中，当声波遇到流动的水体时，会发生多普勒频移现象。
根据多普勒频移的大小，我们可以推算出水流速度的大小和方向。
而流量则是根据水流速度和截面积的乘积来计算的。
h-ADCP流量计算公式如下所示：Q = ∑(U * A)其中，Q表示流量，U表示水流速度，A表示流速剖面所对应的截面面积。
在实际应用中，我们通常会使用h-ADCP来测量河流、海洋、湖泊等水体的流量。
首先，我们需要将h-ADCP装置安装在一个适当的位置，通常是在水体的底部或者浮在水面上。
然后，我们会将h-ADCP连接到一个计算机或者数据采集器上，以便进行数据的记录和处理。
一般来说，h-ADCP会以一定的时间间隔进行测量，从而得到一系列的水流速度数据。
为了准确计算流量，我们需要在测量之前确定好流速剖面的截面面积。
这可以通过测量断面的宽度和深度来获取，然后根据断面的形状来计算出截面面积。
在得到水流速度和截面面积的数据之后，我们可以使用h-ADCP流量计算公式来计算出流量。
公式中的求和符号表示对整个流速剖面进行求和，即将每个测量点的水流速度乘以对应的截面面积，并将所有结果相加。
需要注意的是，h-ADCP测量的流速剖面通常是在垂直方向上的，也就是说，它可以提供不同深度处的水流速度数据。
因此，在计算流量时，我们需要将每个测量点的水流速度乘以对应深度处的截面面积，并将所有结果相加，才能得到准确的流量值。
总结一下，h-ADCP流量计算公式是根据声波的多普勒效应来测量水流速度和计算流量的一种方法。
通过将h-ADCP安装在水体中，测量水流速度和确定流速剖面的截面面积，我们可以使用流量计算公式来准确计算出水体的流量。
这种方法在水文、水资源管理和环境监测等领域具有广泛的应用前景。
ADCP资料处理中的船速计算
ADCP资料处理中的船速计算
吴中鼎;梁广建;李占桥;陈淼
【期刊名称】《海洋测绘》
【年(卷),期】2004(024)005
【摘要】船载ADCP具有走航测流的特点,弥补了传统测流仪器只有停船才能观测的不足.它可以同时观测多层海流数据,获取连续性资料.ADCP测得流速是海水相对于船体的速度,在正常观测条件下,船速远大于海水流速,因而船速计算是ADCP资料处理的关键.本文对不同的船速计算方法进行了比较,对使用参考层法计算船速的原理、特点和效果进行了论述.
【总页数】4页(P13-15,19)
【作者】吴中鼎;梁广建;李占桥;陈淼
【作者单位】海军海洋测绘研究所,天津,300061;92488部队,广东,湛江,524064;海军海洋测绘研究所,天津,300061;海军海洋测绘研究所,天津,300061
【正文语种】中文
【中图分类】P714
【相关文献】
1.大规模计算机集群在地震勘探资料处理中的应用探讨 [J], 尹龙;张卫华;程实;郭冶;梁妍;牛犇
2.船载ADCP资料处理 [J], 吴云帆;吴中鼎;李占桥
3.ADCP的观测及资料处理技术 [J], 蒋松年
4.极地科学考察船载ADCP资料处理 [J], 陈红霞;刘娜;潘增弟
5.ADCP在厦门湾鼓浪屿--嵩屿水道纳潮量计算中的应用 [J], 郭斌斌;李琦;肖波;傅晓洲
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ADCP测流
1．引言河流流量测量是水文工作者的重要任务之一。
传统的河流流量方法包括人工船测，桥测，缆道测量，和涉水测量等。
其基本原理是在测流断面上布设多条垂线。
在每条垂线处测量水深并用流速仪测量一至几个点的流速仪从而得到线平均流速。
进而得到断面面积和断面平均流速。
流量则由断面面积和断面平均流速的乘积得到。
ADCP是英文Acoustic Durrent Profiler的缩写。
中文通常译为声学多普勒流速剖面仪。
当装备有ADCP的测量船从河流某断面一侧航行至另一侧时，ADCG即刻测出河流流量。
本文简要介绍ADCP和ADCP河流流量测量原理和方法。
2．ADCP简介顾名思义，ADCP是一种利用声学多普勒原理测量水流速度剖面的仪器。
与机械式电磁式流速仪不同，ADCP是一种遥测仪器。
即ADCP流速测量点不在ADCP所处的位置。
而且，ADCP可以测量距其一定范围内的许多点的流速。
也就是说，一台ADCP可以替代许多台机械式电磁式流速式。
为了测量三维流速，ADCP一般装备有四个（或三个）声换能器。
换能器总是安装成与ADCP轴线成一定倾角。
每个换能器即是发射器对应于一个声束。
换能器发射的声波尽可能集中于较窄轴线成一定倾角。
每个换能器即是发射器又是接收器。
换能器发射的声波尽可能集中于较窄的声束范围内。
每一个换能器对应于一个声束。
换能器发射某一固定频率的声波，然后聆听被子水体中颗粒物散射回来的声波。
假定水体中颗粒物与水体流速相同。
当颗粒物的移动方向是接近换能器时，换能器聆听到的回疲频率高。
当颗粒物的移动方向是背离换能器时，换能器聆听到的回波频率比发射波频低。
声学多普勒频移，即发射声波频率与回波频率之差由下式确定：式中：Fd是声学多普勒移；FS是回波频率；V是颗粒物沿声方向的移动速度（即沿声束方向的水流速度）C是声波在水中全会传播速度。
ADCP每个换能器轴线即为一个声束座标。
每个换能器测量的流速是水流是水流沿其声束座标方向的速度。
任意三个换能器轴线即组成一组相独立的空间声束座标系。
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收稿日期:2004203231;修回日期:2004207216作者简介:吴中鼎(19612),男,浙江嘉兴人,高级工程师,主要从事物理海洋学研究。
ADCP 资料处理中的船速计算吴中鼎1,梁广建2,李占桥1,陈 淼1(11海军海洋测绘研究所,天津 300061;2192488部队,广东湛江 524064) 摘要:船载ADCP 具有走航测流的特点,弥补了传统测流仪器只有停船才能观测的不足。
它可以同时观测多层海流数据,获取连续性资料。
ADCP 测得流速是海水相对于船体的速度,在正常观测条件下,船速远大于海水流速,因而船速计算是ADCP 资料处理的关键。
本文对不同的船速计算方法进行了比较,对使用参考层法计算船速的原理、特点和效果进行了论述。
关键词:测流;声学多普勒海流剖面仪;资料处理;船速中图分类号:P714 文献标识码:B 文章编号:167123044(2004)05200132031 引 言111 ADCP 的工作原理ADCP (acoustic doppler current profilers )全称声学多普勒海流剖面仪,它的工作原理是,安装在船底的换能器以一定的频率发射声波,海水中微粒会将部分声波反射回来,由于水体的运动,反射的声波会发生频率上的变化,由此可以计算出海水流速。
为准确定位,船载式ADCP 必须配有罗经和G PS 定位仪,罗经可接船上的电罗经信号,仪器内部也可带有罗经。
112 问题的提出测流仪器的观测精度除与仪器精度有关外,还与测量平台的状态密切相关,由于ADCP 观测到的是海水相对于船体的速度,如果测量平台的移动速度不能精确算出,仪器的测流精度再高,资料也是不可信的。
一般的船速计算方法有以下三种:(1)根据底跟踪来测船速,它与ADCP 测流原理一样,也是通过声波遇到海底后反射回来的多普勒频移来计算海底与仪器间的速度即为船速;(2)由G PS 定位仪测量的经纬度位置经滤波后计算船速;(3)由G PS 定位仪测得的船速。
用底跟踪测量船速是ADCP 仪器的一个显著特点,也是这种仪器比其他测流仪器优越的技术措施之一,它测的船速精度达到1cm/s 。
在实际运用中,经过比较发现用底跟踪观测的船速数据最好,与之相比第(2)种与第(3)种方法的观测效果明显较差。
但是,用底跟踪测船速要有一定的条件,如发射频率150kH z 的ADCP 最大测量底跟踪深度为350m ,38kH z 为2km (这是理论值,实际只达到1km 左右),而我们实际海洋调查中,海域深度可能达到2km 以上,无法利用底跟踪。
同时由于远离大陆,也不能利用差分G PS 来提高计算船速的精度,这样大大降低了实际海流调查中的数据精度。
本文根据几年来的海洋调查经验,对大量资料进行计算并通过现场试验总结出了解决方案。
2 解决方案211 船状态的控制从资料的图形来看,在船转向与船速改变时往往会出现流速的异常值,这是因为ADCP 的真实流速值是将5min 内所测的流速值平均后再减此时用G PS 滤波计算的船速值得到的。
如果5min 内船速或船向变化太大,则G PS 计算的船速误差就大,影响了真实流速的计算精度。
因此在操船时应尽量保持船的匀速运动,由于海流与风的影响,船比较难维持直线运动,但要尽量保持船向不变,在修正航向时转向要缓慢。
另外,ADCP 的测流精度还与船速有关,为船速的±012%±5cm/s ,船速越大,背景噪音越大,流速精度越差;但船速太小,船向又难把握,且影响调查进度,不能在短时间内测量更大的范围。
因此,船速保持在8～12kn ,测流的效果最好。
212 船速的修正计算—参考层法船在运动过程中,由于风、浪等环境因素和操纵船只的人为因素的影响,会造成调查船速度随机性第24卷第5期2004年9月海 洋 测 绘HY DROGRAPHIC SURVEYING AND CHARTINGVol 124,No 15Sep 1,2004的突然变化,虽然这些变化值很小,只有10～100cm/s的量级,但对于流速来说是相当大的,这些噪音在测量时被仪器认为是流速,而在G PS滤波计算船速时被保留在流速数据里。
因此,对G PS数据滤波处理只能滤掉G PS测量时的噪音,提高船速平均值的计算精度,但海流的计算不但要精度高的船速平均值,还必须明确船速的微小变化,进而将其剔除,以得到真实的海流数据。
但如何才能保留船速的微小变化呢?利用参考层滤波法就能实现。
它的依据是:海流的变化是平缓且连续的,对海流数据进行滤波能反映它的趋势同时剔除其中的随机噪音。
用滤波后的流速值与实测流速值来回算船速,即可得到保留了环境因素和人为因素噪音的船速,进而利用其与实测流速即可算出真实流速。
(1)第一次计算流速:用ADCP测得的流速值与G PS计算的船速值相减得到各层流速值,此时的流速值包含着船态不稳造成的异常值;(2)参考层选取:从计算的真实流速中选取流速比较稳定、完好率高的层次作为参考层,可以是一层,也可以是多层,选取多层作为参考层效果更好一些,但一定要确保流速数据平稳;(3)参考层滤波:对选取的参考层在空间上平均,然后以时间系列滤波。
这里我们建议用三阶平滑滤波器,这种滤波方法类似潮流滤波器,是一种常用的流速滤波器。
滤波公式:若1h内有m个观测值,若m为奇数,可用3m个数据x1,x2,111,x3m作三次平滑。
设第一次平滑的结果为Z K,则有:Z K=1m+1∑mn=0X n+K(K=1,2,…,2m) 设Y L为对m+1个Z K值进行平滑的结果,可将它写成:Y L=1m+1∑mK=0Z K+L(L=1,2,…,m) 最后对Y L作类似平滑,可得三级平滑低通滤波的结果X0:X0=1m∑mL=1Y L 同理,若1h内取样的个数m为偶数时,完成这样一个滤波要3m-1个数据,计算方法与奇数时的过程相似。
先算Z K:Z k=1m∑m-1n=0X n+K(K=1,2,…,2m) 然后计算Y L:Y L=1m∑m-1K=0Z K+L(L=1,2,…,m+1) 最后再对Y L作平滑,可得m为偶数时的三级平滑低通滤波值X0:X0=1m+1∑m+1L=1Y L (4)计算船速:用滤波后的流速值与用ADCP测的流速值通过矢量算法算出船速;(5)再次计算流速:用ADCP测得的流速值与上步方法算出的船速值矢量合成真实流速。
3 几种处理方法的比较图1、图2是用底跟踪计算船速、G PS计算船速、参考层滤波法船速来计算真实流速值的比较。
图中曲线为流速的东西分量(正为东分量)与南北分量(正为北分量),横坐标为时间,纵坐标为流速值,范围分别为±150cm/s和±100cm/s。
在实际测量中,用底跟踪计算的船速是最为精确的,因而我们选用一段有底跟踪的数据来比较,并以用底跟踪计算的船速值为标准来衡量其它方法的计算结果。
从图中可以看出用G PS计算的船速值来计算流速值尖锋值较多,这多是船体由于随机因素引起的小摆动造成的,而用参考层方法来处理的船速计算出来的流速值与用底跟踪处理出来的结果较一致,曲线较光滑,可见船速噪音已基本被处理掉。
4 结 论用参考层方法处理的结果与用底跟踪值处理的结果基本接近,用这种方法能弥补深海无法进行底跟踪值时的不足,基本上能够达到与用底跟踪计算船速一样的效果,大大提高了ADCP资料的处理中海流计算的精度。
同时,使用这种方法同样要进行以下的质量控制。
(1)时间系统校正:使ADCP系统时间与G PS系统时间一致;(2)速度的质量控制:根据流场的变化规律及误差速度值,判别流速在水平方向变化梯度正确与否;(3)良好率的质量控制:根据资料采集质量情况,删除良好率低的资料(一般是良好率小于50%的资料);(4)回波强度质量控制:根据回波强度信号,删除二次回波信号(软件中当异常值来处理);(5)视情处理船在非正常航行时所测的资料,如船急转弯、急加速、船速大于临界速度等情况;41海 洋 测 绘第24卷图1 用三种方法计算流速值的比较(一)图2 用三种方法计算流速值的比较(二) (6)对规律性差、有疑问的资料,查看值班日志及调查海区的有关资料,视情处理。
目前流速仪器的精度已不断提高,有的已达到了毫米级,但是在测量中如果船速的测量精度不提高,同样得不到高精度的流速资料,仪器的高精度性能得不到应用。
对此,在使用ADCP 测流时尽可能配备高精度的G PS 定位仪器,还应对观测资料的处理工作给予充分的重视。
参考文献:[1] 陈上及,马继瑞1海洋数据处理分析方法及其应用[M ]1北京:海洋出版社,19911[2] 方欣华,吴 巍1海洋随机资料分析[M ]1青岛:青岛海洋大学出版社,20021(下转第19页)51第5期吴中鼎,等 ADCP 资料处理中的船速计算表1转台标定前后数据对比表方位零位俯仰零位横滚零位转台与阵列中心距(mm)设计值0°00′00″100°00′00″100°00′00″10280001000修正前标定值3°20′58″18-0°30′47″124°04′31″17280121646修正后标定值0°00′05″14-0°00′18″110°00′05″14差 值5″14-18″115″14121646注:①方位右偏为正、左偏为负;俯仰上偏为正、下偏为负;横滚左低右高为正、左高右低为负。
②精度完全满足标称值(≤20″)参考文献:[1] 李广云,倪 涵1工业测量系统[M]1北京:解放军出版社,19941[2] 李广云1工业测量系统进展[M]1北京:解放军出版社,20001The Discusses About the Benchmark Test Method of Radar Emulator Turning Platform and the Layout of Antenna Array In Microwave DarkroomGUO Fu2sheng,ZHANG Sheng2feng,MA Guo2yuan(63883Troops,Luoyang,Henan,471000) Abstract:This paper discusses the method of establishment of theodolite and total station three2dimensional aptitude measure system in darkroom aiming at the particularity of radar emulator turning platform and the layout of antenna array in microwave darkroom.Adopting non2contact measure mode and the geometry fitting data processing system to settle zero marks of turning platform and the mensuration and recension of various error,this method has been tried out by the graduate school and obtain a good effect,which has good direction effect in analogous industry measure engineering.K ey words:engineering measure;microwave darkroom;emulator turning platform;benchmark test(上接第15页)Vessel Velocity Computing in ADCP Data ProcessingWU Zhong2ding1,LIANG Guang2jian2,LI Zhan2qiao1,CHEN Miao1(11Naval Institute of Hydrographic Surveying and Charting,Tianjin,300061;2192488Troops,Zhanjiang,Guangdong,524064) Abstract:The vessel2mounted ADCP can measure speed and direction of water currents form a moving vessel instead of the measure method of the traditional instruments that must do form the stopping vessel1ADCP can scale multi2layer water at the same time and obtain current data continuously1The current velocity that ADCP measured relatives to the vessel velocity,and the vessel velocity is much faster than current velocity in normal measure condition, so computing the vessel velocity is the most important key in ADCP data processing1In this paper we compare the different methods of velocity computing in ADCP data processing and discuss the principle,characteristic and result of method using reference layer to comput vessel velocity1K ey words:current measurement;ADCP;data processing;vessel velocity 91第5期郭福生,等 微波暗室雷达仿真转台与阵列基准测试方法探讨。