ADCP介绍

ADCP走航测量
ADCP在走航测量中测量如下数据：
• 水的相对速度（相对于船的速度，由“水跟踪”测出 ）
• 船速(由“底跟踪”测出, 或由GPS算出) • 水深（由河底回波强度测出，类似于回声测深仪） • 船的航行轨迹（由船速和计时数据算出，或由GPS算
出）
距离 = 3m
ADCP走航测量
0.2
0.2 Depth
RDI公司ADCP发展历程
• 1981，第一代：窄带 ADCP • 1991，第二代：宽带 ADCP • 1995，第三代：“骏马”系列 ADCP • 尺寸大大减小；价格降低一半左右
“骏马”系列 ADCP三种型号
“瑞江”牌：河流型 “监测”牌：直读型 “哨兵”牌：自容型
第三代河流ADCP与第二代河流ADCP的比较
声学多普勒原理
• 由于观察者与声源之间的相对运动使观察 者接收到的声波频率发生改变的一种现象
TRAIN APPROACHES-Higher Pitch
TRAIN RECEDES-Lower Pitch
经典实例
声学多普勒频移取决于沿声束方向运动
观察者速度
表观速度
0 波 / 单位时间
8 波 / 单位时间
• 水流断面被分割成若干个离散的层，叫 做深度单元
• 下面的内容将介绍怎样测量这些深度单 元中的流速数据的过程
RD Instruments
• Acoustic – 声学的 • Doppler -- 多普勒 • Current -- 流速 • Profiler -- 断面
声波的传播
• ADCP 向水中发射固定频率的声波短脉 冲。
由式（1）可以看到，随着呯数目的提高, 流速测量的短 期误差迅速减少。
ADCP短期误差比较
标准误差 (cm/s)
图１a. 流速测量短期误差的比较（1200 kHz ADCP)
25
20
15
10
5
0
0
10
20
30
40
50
时间平均步长（秒）
宽带 ADCP 模式１
窄带 ADCP
宽带 ADCP 模式 12
ADCP流速测量的空间和时间分辨率
时间平均步长 (流速测量1短期误差)比窄带ADCP要 小许多，上式表明对于给定的流速测量精度要求 （例如１cm/s）, 宽带ADCP达到精度要求所需 的时间平均步长要比窄带ADCP要短许多。即宽 带ADCP的时间分辨率比窄带ADCP高许多。
RDI 公司划分为四个部门（领域）
4 波 / 单位时间
4 波 / 单位时间
60
12 波 / 单位时间 10 波 / 单位时间
相对运动矢量
• 当两个物体以一定角度相对运动时，将 得到不同的“多普勒频移”。
• 如果二者相互垂直（90度）运动，将不 发生多普勒频移。
• 只有当两个物体的相对运动角度不是90 度时，才发生多普勒频移。
声束坐标及沿声束方向流速
频率改变
脉冲相干
0.5-1 % 一对短脉冲 不
较长、变化的 相位改变
宽带
25% (6%)
两个以上编码脉冲波 系列 是。每个编码脉冲波 系列由若干个编码单 元组成 较短、不变
相位改变
宽带 ADCP
• 发射两组或两组以上编码脉冲波序列。序列之间间隔为“延 迟”。
• 脉冲序列中编码单元的个数取决于延迟长度（时间）。 • 脉冲序列数目取决于单元尺寸。 • 分析回波信号，计算自相关函数。用相关系数最大处对应的
• Current – 从每个波束接收到的回波信号可得 到水流的东向、北向和垂向速度分量。
• Profiler – 将从上到下的整个水柱划分成若干 个深度单元，各深度单元的流速数据组成流速 断面。
船载 ADCP 流速测量
• ADCP 测量水流对ADCP的相对运动。 • 船载ADCP 测量到的相对运动是船速加
相位改变计算流速。至少要求有两个脉冲序列来计算相关函 数。
宽带ADCP编码脉冲波序列
未编码脉冲波波形
编码脉冲波波形：相位改变180度
编码单元
ADCP流速测量的短期精度
流速测量的短期精度通常由标准误差来量度：

(1)
N R t
式中：ε＝标准误差(m/s)； ＝标准差(m/s),在许多文献中被称为单呯标准差； N＝呯次数；R为呯速率； t＝呯集合采样步长或时间平均步长(s)。
回波
cell 2
回波
cell 1
回波
开始 结束
发射脉冲
回波 闸口１ 闸口２ 闸口３ 闸口４
时间
单元 ４ 单元 ３ 单元 ２
单元 １ 盲区
ADCP利用倾斜计数据进行倾斜校正
未倾斜时对应单元
倾斜后对应单元 倾斜角度
换能器发射能量分布：主瓣与旁瓣
o
180
o
180
o
270 o 90
40 db 30 db 0 db 10 db
Fd ＝ 2 F V/C
Fd ＝声学多普勒频移 F ＝ 发射波频率 V ＝沿声束方向流速 C＝声波在水中的传播速度
流速测量
• 每个波束接收到的信号被独立地处理后 转换成沿波束方向的流速分量。
• 根据ADCP波束与水面之间的夹角，各 沿波束方向的流速分量被转换成水平和 垂直分量。
不同坐标下的流速及其转换
ADCP 工 作 前 提
• 用 ADCP 测流时有二个基本假设：
1. 反射声波信号的浮游物体是随着水流运动 的。
2. 所有四个ADCP波束都在测量同一个流速矢 量。即流速在一个小范围的同一水平面上是 不变的
水平层上的流速一致性
Current Vector
Homogeneous Layer: Zero error velocity
• 一个运动物体发出的声波被一个静止的观察者 听见时在频率上将发生变化。
• 如果发声体朝着观察者运动，被听见的声音频 率会升高。
• 如果发声体背着观察者运动，被听见的声音频 率会降低。
• 这种现象的例子是当你站在铁路旁并有一列火 车通过时，当火车逼近你时其汽笛声声调变高 ，当火车离你远去时，汽笛声声调变底。
底跟踪脉冲
短脉冲未能 覆盖河底
长脉冲 覆盖河底
短脉冲
长脉冲
流速计算
• 在同一个数据组中，ADCP 分别记录下底跟踪 速度和断面水流速度信息。
• 实测的断面水流速度信息包括船体的运动。 • 在RDI 软件中用户可以选择参考底跟踪数据（
或GPS数据）而得到“真”水流速度。 • 真水流断面速度 = 实测的水流断面速度 – 底
o
90 o
270
o
270 o 90
2
40 db 30 db 20 db 10 db
o
90 o
270
o
0
大直径换能器
o
0
小直径换能器
旁瓣（Side Lobe）
• 对于声束角＝20 度的ADCP，旁 瓣区大约为水深 的 6%
• 25 度: 10%
• 30 度: 15%
6% 94%
20? 20?
Side lobe Main lobe
跟踪速度
ADCP分类
• 窄带 (Narrowband), 即脉冲不相干 ( pulse incoherent）
• 脉冲相干(pulse to pulse coherent)
• 宽带 (Broadband)
ADCP 主要差别
频带宽 脉冲波型 编码
窄带
0.5-1 % 一个长脉冲 不
脉冲延迟
多普勒频移 （流速）测量
ADCP无线电遥控作业
美国地调局 USGS
ADCP自容作业（美国 Pumoncky 河）
长江三峡黄陵庙水文站ADCP
系统集成: • ADCP • DGPS • 测深仪 • 电罗经
长江三峡导流明渠截流水文测验： ADCP应用, 2002. 11. 6.
长江三峡导流明渠截流水文测验： ADCP应用（续）, 2002. 11. 6.
VＵ VＥ
VＮ
V1, V2, V3, V4
V4 V1
VX, VY, Vz
V2 V3
VE, VN, VU
声束对
水平流速
非水平流速
１－２声束对
３－４声束对
流速矢量 实测流速分量 未测流速分量
流速空间分布及空间平均
流速空间分 布均匀
流速空间分布 不均匀
流速断面
• 一台 ADCP 可以顶替若干台传统的流速 仪。
化，价格大幅度降低 • 1996，声学多普勒计程仪（DVL）
RDI公司的重要技术成果 (2)
• 1997，“骏马”系列“瑞江”牌河流型 ADCP
• 1998，相控阵 ADCP专利技术 • 1999，ADCP 波浪仪专利技术 • 2001，H-ADCP：用于河流流量在线监测 • 2001, 零盲区技术 • 2001, 模式 11、12 • 2003, ChannelMaster H-ADCP • 2003, StreamPro ADCP
• 这些声脉冲碰到水中的散射体（浮游生 物，泥沙等）将发生散射。
声波的传播
1 cm
Euphasiid
1 cm
Pteropod
1 mm
Copepod
声波的传播
• 被散射体反射回的声波被ADCP接收到 • 当散射体有相对运动，其反射的声波在
频率上有一定的变化（频移） • 这种效应叫做多普勒效应 …
多普勒效应
近岸与内陆水域
导航
深海水域
管道及人工渠道
RDI公司的重要技术成果 (1)
在二十多年的发展历程中，RDI公司始终位于 ADCP技术的世界领先地位。
• 1981，生产出世界上第一台商品 ADCP • 1982，河流型 ADCP，开创了ADCP河流流
量测量的纪元 • 1991，宽带 ADCP专利技术 • 1995，“骏马”系列 ADCP：使ADCP小型
Non-Homogeneous Layer: Large error velocity
ADCP 测流原理小结
• Acoustic -- ADCP 向水中发射固定频率的超 声波短脉冲。
• Doppler --这些超声波脉冲碰到水中的散射体 （浮游生物，泥沙等）将发生散射。从散射体 返回的信号在频率上有变化（频移）。
真实的水流速。 • 要获得真实的水流速必须减去船速。 • 与测流完全相同的原理，ADCP 可以测
量其相对于地的运动速度，该功能叫做 底跟踪...
底跟踪和水层流速
Vc = Vb - Vraw
水跟踪和底跟踪
水跟踪 由水中颗粒的回波测量水 流相对于ADCP的运动， 该功能叫做水跟踪。
底跟踪 由河底或海底的回波测量 河底或海底相对于ADCP 的运动，该功能叫做底跟 踪。如果河底或海底无推 移质，底跟踪测得的速度 即为测船的速度。
• ADCP首先测量的是沿声束方向的流速分量。
• 根据声束角，将声束坐标下的流速分量转换成 ADCP坐标(X-Y-Z)下的流速分量
• 利用罗盘提供的方向、倾斜计提供的纵摇和横摇数 据，将ADCP坐标(X-Y-Z)下的流速分量转换成地球 坐标下的流速分量—东向，北向和垂向分量。
不同坐标下的流速及其转换
• 在使用ADCP时，用户可以设置不同厚 度的深度单元（即Bin）。
• 对每个深度单元， ADCP 可测出其中流 速矢量的东向，北向和垂向分量。
• 各个深度单元的流速数据组合成流速断 面。
深度单元
ADCP
机械式流速仪
ADCP如何测量垂线上各点流速（流速剖面）
离 ADCP 距离
cell 4
cell 3
0.1
Q ENSEMBLE = 1.5 m3/s S Q = 1.5 m3/s
距离= 9m
ADCP走航测量
0.2 0.3 0.2 0.3 0.1 0.3
0.3 0.2
Depth
Q ENSEMBLE = 4.2 m3/s S Q = 5.7 m3/s
距离= 15m
ADCP走航测量
0.2 0.3 0.4 0.5 0.2 0.3 0.4 0.5 0.1 0.3 0.4 0.5
ADCP 基本原理概要
• 声学多普勒测流仪基本原理要点 a) 什么是多普勒现象 b) 什么是波束和地球坐标 c) 船的航向、纵摇、横摇的影响 d) 什么是深度单元（Bin) e) 什么是流速断面 f) 什么是底跟踪
ADCP 流速断面的基础
• ADCP 是专用于测量断面的水流速度和 方向的声学设备
“瑞江”牌ADCP: 走航测量
WinRiver
• ADCP • 电脑 • WinRiver软件 • 12伏汽车蓄电池
12 V
“瑞江”牌ADCP船侧安装
美国地调局 USGS
ADCP安装在无动力小双体船上
美国地调局 USGS
ADCP与涉水流量测验比测 (USGS Florida)
USGS ADCP应用
ADCP 河流流量测量
原理及操作使用方法
美国RDI公司 水利部南京水利水文自动化研究所
RDI公司简介
• 1981年建立，在美国加利福尼亚州，圣地亚哥 • 创始人：Fran Rowe, Kent Deines (RD) • 最大的ADCP生产厂家 • 已通过 ISO9001 国际质量体系认证 • ADCP 产品年销售额约二千万美元 • 大约四千多台ADCP应用于世界各地 • 大约一百多台ADCP 在中国