ADCP流速及流量测量原理

水深单元
左右盲区：
V Vm
为流速系数：0.67~0.75
岸边距 上盲区
下盲区
实测区
岸边距 岸边区
21
Distance = 3m
0.2
0.2 Depth
0.1
流量测量
Q ENSEMBLE = 1.5 m3/s S Q = 1.5 m3/s
Distance = 9m
流量测量
0.2 0.3 0.2 0.3 0.1 0.3
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） Profiler – 测量不同层次（depth cell）的 流速
19
走航式ADCP流速测量
(A)
Beam does not completely illuminate
流量测量
起点桩
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
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
ADCP
传统流速仪
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

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
15
流速剖面
Acoustic Doppler Current
Profiler
16
传统流速仪法
流速测量
V来自百度文库 Kn C
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）
现代海洋测绘
ADCP流速及流量测量原理
PPT by 陈志高
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
2
基本概念
ADCP 是用于采集流 速大小和方向的声学设备 流速剖面视为不同水 层(Bin)或深度单元 （Bepth Cell）的流速
0.3 0.2
Depth
Q ENSEMBLE = 4.2 m3/s S Q = 5.7 m3/s
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
Q ENSEMBLE = 12.3 m3/s S Q = 18 m3/s
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
7
多普勒效应
Acoustic
Doppler
Current Profiler
8
多普勒频移
TRAIN APPROACHES-Higher Pitch
TRAIN RECEDES-Lower Pitch
10 Waves 9 Waves
ADCP Transducer
A
Acoustic Beam
8 Waves
Scatters
11
流速测量
Acoustic Doppler
Current
Profiler
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

2 sin
0
1 4 cos
1
2 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
1 4 cos 1

V1 V2 VV34

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 以通过“多普勒”频移推算出悬浮颗粒物的运动 速度
10
Time 0 Time 1 Time 1 Time 1
相对速度
8 Waves Measured
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
bottom at one time.
(B)
Beam illuminates bottom completely
at one time
Bottom
Short Pulse
Water-track
Long Pulse
Bottom-track
20
盲区
上下盲区：
微断面
u u*

9.5 ( z )b z0
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
Q ENSEMBLE = 17.1 m3/s S Q = 35.1 m3/s
3
基本概念
Acoustic
Doppler Current Profiler
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
5
声波发射
1 cm
Euphasiid
1 cm
Pteropod
1 mm
Copepod
0.2 0.2 0.3 0.3 0.3 0.2
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）
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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