1、第2頁ADCP聲學(xué)多普勒測流儀河流流量測量和實時檢測原理及操作使用方法培訓(xùn)提綱美國R D I公司美國勞雷工業(yè)公司2002年3月RDI公司簡介? 1981年建立，在美國加利福尼亞州，圣地亞哥?創(chuàng)始人：Fran Rowe, Kent Dei nes （RD）?最大的ADCP生產(chǎn)廠家?已通過I SO9001國際質(zhì)量體系認證? ADCP產(chǎn)品年銷售額約二千萬美元?大約三千五百臺ADCP應(yīng)用于世界各地?大約八十臺ADCP在中國a) b) c) d) e) f)ADCP基本原理概要 聲學(xué)多普勒測流儀基本原理要點什么是多普勒現(xiàn)象什么是波束和地球坐標(biāo)船的航向、縱搖、橫搖的影響什么是深度單元（Bin）什么是流速斷

2、面什么是底跟蹤ADCP流速斷面的基礎(chǔ)? ADCP是專用于測量斷面的水流速度和方向的聲學(xué)設(shè)備?水流斷面被分割成若干個離散的層，叫做深度單元?下面的內(nèi)容將介紹怎樣測量這些深度單元中的流速數(shù)據(jù)的過程?Acoust i c? Doppl er? Current? Prof i l erRD I nst r ument s-聲學(xué)的-多普勒- 流速- 斷面聲波的傳播? ADCP向水中發(fā)射固定頻率的聲波短脈沖。?這些聲脈沖碰到水中的散射體（浮游生物，泥沙等）將發(fā)生散射。聲波的傳播?被散射體反射回的聲波被ADCP接收到?當(dāng)散射體有相對運動，其反射的聲波在頻率上有一定的變化（頻移）?這種效應(yīng)叫做多普勒效應(yīng)多普勒

3、效應(yīng)? 一個運動物體發(fā)出的聲波被一個靜止的觀察者聽見時在頻率上將發(fā)生 變化。?如果發(fā)聲體朝著觀察者運動，被聽見的聲音頻率會升高。?如果發(fā)聲體背著觀察者運動，被聽見的聲音頻率會降低。?這種現(xiàn)象的例子是當(dāng)你站在鐵路旁并有一列火車通過時，當(dāng)火車逼近你 時其汽笛聲聲調(diào)變高，當(dāng)火車離你遠去時，汽笛聲聲調(diào)變底。相對運動矢量?當(dāng)兩個物體以一定角度相對運動時，將得到不同的“多普勒頻移”。?如果二者相互垂直（90度）運動，將不發(fā)生多普勒頻移。?只有當(dāng)兩個物體的相對運動角度不是90度時，才發(fā)生多普勒頻移。流速測量?每個波束接收到的信號被獨立地處理后轉(zhuǎn)換成沿波束方向的流速分量。?根據(jù)ADCP波束與水面之間的夾角，各

4、沿波束方向的流速分量被轉(zhuǎn)換成水 平和垂直分量。地球坐標(biāo)轉(zhuǎn)換?將所有四個波束的數(shù)據(jù)與另外提供的船的航向、縱搖和橫搖數(shù)據(jù)結(jié)合， 我們可以得到地球坐標(biāo)下的三維矢量一東向，北向和垂向分量。XYZ 變成 東向，北向，垂向流速斷面? 一臺ADCP可以頂替若干臺傳統(tǒng)的流速儀。?在使用ADCP時，用戶可以設(shè)置不同厚度的深度單元（即Bin）。?對每個深度單元，ADCP可測出其中流速矢量的東向，北向和垂向分量。?各個深度單元的流速數(shù)據(jù)組合成流速斷面。ADCP工作前提?用ADCP測流時有二個基本假設(shè)：1 .反射聲波信號的浮游物體是隨著水流運動的。2 .所有四個ADCP波束都在測量同一個流速矢量。即流速在一個小范圍

5、的同一水平面上是不變的ADCP測流原理小結(jié)? Acoustic - ADCP向水中發(fā)射固定頻率的超聲波短脈沖。? Doppler -這些超聲波脈沖碰到水中的散射體（浮游生物，泥沙等）將 發(fā)生散射。從散射體返回的信號在頻率上有變化（頻移）。? Current -從每個波束接收到的回波信號可得到水流的東向、北向和 垂向速度分量。? Profiler -將從上到下的整個水柱劃分成若干個深度單元，各深度單元的流速數(shù)據(jù)組成流速斷面。船 載 ADCP 流 速 測 量? ADCP測量水流對ADCP的相對運動。? 船載ADCP 測量到的 相 對 運動是船速加真實的水流速。?要獲得真實的水流速必須減去船 速 。

6、? 與測流完全相同的原理，ADCP可以測量其相對于地的 運 動 速 度 ， 該 功能叫做底跟蹤.底跟蹤?底跟蹤不同于水層測量，因為其發(fā)射的聲波必 須 完整 地 達 到 水 底 。? ADCP 根 據(jù) 其 對 水 深 的 粗 略 估 計 自 動 調(diào) 節(jié) 發(fā) 射 脈 沖 的 長 度 。? 用戶只需決定是否需要底跟蹤，其余的參數(shù) ADCP 會 自 動 設(shè) 置 。底跟蹤? ADCP 首 先 檢 查 從 水 底 返 回 的 信 號 強 度 是 否 超 過 指 定 的 底 回 波 強 度 閾 值（BA值）。? 只有當(dāng)?shù)谆夭ㄐ盘柾ㄟ^上二個檢查 后 ， ADCP才用其計算底跟蹤速度分量。? 當(dāng)上一步檢查通過后

7、，ADCP 還 要 確 認 根 據(jù)底回波得到的速度分量滿足最小相關(guān)性閾值要求（BC值）。流速計算? 在同一個數(shù)據(jù)組中，ADCP分 別 記 錄 下 底 跟 蹤 速 度 和 斷 面 水 流 速 度 信 息 。?實測的斷面水流速度信 息 包 括 船 體 的 運 動 。?在RDI軟件中用戶可以選擇參考底跟蹤數(shù)據(jù)（或GPS數(shù)據(jù)）而得到“真” 水流速度。真水流斷面速度=實測的水流斷面速度-底跟蹤速度ADCP 底 跟 蹤 小 結(jié)? ADCP測量水流對ADCP的相對運動?要 獲 得 真 實 的 水 流 速 必 須 減 去 船 速? 與測流完全相同 的原理 ， ADCP 可以測量其相對 于地的運動 速度，該功能

8、叫做底跟蹤.? 在 RDI? 在同一個數(shù)據(jù)組 中，ADCP 分 別 記錄下底跟蹤速 度和斷面水 流速度信息。軟 件中用 戶可以 選擇 參 考 底跟蹤 數(shù)據(jù) 而得 到“真”水流 速度 。? 1981 ，? 1991 ，? 1995，第一代 第二代 第三代RDI公司ADCP發(fā)展歷程 窄 帶ADCP寬 帶ADCP“ 駿 馬 ” 系 列 ADCP尺寸大大減?。粌r格降低一半左右RDI 公 司 第 三 代 河 流 ADCP“駿 馬 ”系 列 ：（1） 船測（走航測量）：“ 瑞 江”牌ADCP（2） 定點實時監(jiān)測：水平ADCP（H-ADCP）第 三 代 河 流 ADCP:“駿馬”系列“瑞江”牌ADCP走航測

9、量：“瑞江”牌ADCP“瑞江”牌ADCpfi側(cè)安裝ADCP安裝在無動力小雙體船上ADCP無線電遙控作業(yè)走 航 測 量 ：“ 瑞 江 ” 牌 ADCPADCP同時測量以下數(shù)據(jù)：?水相 對于船的流 速? 船 的 速 度 （ 由 底 跟 蹤 或 DGPS）?水深?沿航 線距離ADCP流量測量與航跡無關(guān) ADCP系統(tǒng)頻率 “瑞江” ADCP有兩種頻率：-1200 kHz-600 kHz另外，“監(jiān)測”牌300 kHz ADCP加上底跟蹤功能也可以用于流量測量。 “瑞江” ADCP優(yōu)點：? 采 用 了 RDI 公 司 的 寬 帶 信 號 處 理 專 利 技 術(shù)在保證精度的前提下，提高了流速測量的空間和時間

10、分辨率。? 測量剖面深度范圍大例 如 600 kHz ADCP， 其 測 量 剖 面 深 度 范 圍 可 以 從 0. 7米 至 75米 （ 注 ： 剖 面深度與含沙量及單元長度有關(guān)）。這樣一臺600 kHz ADCP可以適用 于大部分河流的水深情況。“瑞江” ADCP優(yōu)點：? 對較高含沙量河流適用性較好高含沙量意味著水體對聲波能量的吸收增強。這時需要采用較低頻率 的系統(tǒng)才能達到較大的剖面深度和保持底跟蹤。然而一般低頻系統(tǒng)分 辨率 較 低 。 由于 采 用 了 寬帶信號處 理專利技術(shù)，RDI較 低頻率的系統(tǒng)（600 kHz 和300 kHz ）在較高含 沙量情況下具有 較好 的穿透性，并且分辨

11、率較高。“瑞江” ADCP優(yōu)點：?“ 瑞 江 ” 1200 kHz 和 600 kHz ADCP 有 兩 種 工 作 模 式 ： 標(biāo) 準(zhǔn) 工 作 模 式和淺水高精度工作模式? 標(biāo)準(zhǔn)工作模式適應(yīng)范圍大，應(yīng)用于大多數(shù)情況。然而在水很淺，流速 很低情況下，采用淺水高精度工作模式可以有效的提高測量精度。瑞江" ADCP優(yōu)點:? “零盲 區(qū)”技術(shù)首 先 應(yīng) 用 于 1200 kHz ADCP。 因 此 ， “ 瑞 江 ” 1200 kHz ADCP 可 以 用 于更淺水深的河流和湖泊。? “瑞江” 1200 kHz和600 kHZ ADCP采用12伏汽車蓄電池供電，十分方 便。? 系統(tǒng)可靠性好

12、，故障率低。水平-ADCP應(yīng)用（1） 通過電 纜與 電 腦 連 接 即可 以 作 為一個 獨 立 的 流 速 ， 流 量 實 時 監(jiān) 測 系統(tǒng)。（2） 與其它 儀器 和 設(shè) 備 集 成為 水 情 遙測站“ 水 平 - ADCP” 流 量 推 算 方 法?第一種：流速面積法這種方法原則上不需要率定。目前僅適用于矩形斷面的人工渠道。? 第二種：回歸法，即美國地理調(diào)查局“Index- Vel oci ty” 方 法回歸法是建立河流或明渠斷面平均流速與“水平 - ADCP”實測流速之間的相關(guān)關(guān)系。有了相關(guān)曲線或方程，由“水平- ADCP” 實測流速即可推算出斷面平均流速。從而算出流量。適用于規(guī)則斷面的

13、人工渠道，也適用于天然河流。河寬或渠寬可以大 于 “ 水 平 - ADCP” 最 大 剖 面 寬 度 。河流聲學(xué)多普勒測流儀操作使用方法“瑞江” ADCP的安裝與連接?換能 器的 深 度要 超過 船底 ， 安 裝 要 牢固 ，避 免在 其 周圍 產(chǎn)生 水泡 。? 波 束 3指 向 船 頭 方 向 或 船 右 舷 45度 方 向 。“瑞江” ADCP的自檢運行BBTALK件?設(shè)置串口，對ADCP類選型WH? 運行Test WH. rds 命令文 件 ， 自動 完 成 測 試? 在每天 工 作 前 后 都 應(yīng)檢測 ADCPWi nRi ver 軟 件 的 操 作設(shè)置通訊參數(shù)? 在“文件”菜單中選“

14、采集模式”自動設(shè)置儀器參數(shù)?在 “設(shè) 置 ” 中 選 “配 置 向 導(dǎo) ”， 在 這 個 單 元 中 ， 需 要 填 寫 所 有 的 空 格 ， 尤其是“ADCP配置“。河床的類型? MUd -稀泥? Si l t - 淤 泥Sand - - 細 沙Gravel -砂礫Cobbl es - 鵝 卵 石Boulders -漂石Ri prap - - 亂 石 基Smooth Rock -光滑的巖石Fractured Rock -有裂縫的巖石? 有 流 動 底 時 要 采 用 輔 助 手 段 (測 深 儀 等 ) 頂部和底部盲區(qū)的處理1. 常 數(shù) 外 推 法2. 冪 函 數(shù) 法V=aZbb = 0.

15、 1667邊部盲區(qū)的處理比例外推法：Qh部=C Vm L dm其中：C = 邊部形狀系數(shù)(0. 35 三角 形 ， 0.91 矩 形 )Vm = 實測的第一段的平 均 流速L =開 始 實 測 時 船 到 岸 的 距 離dm= 第一段的深度測 流 模 式 1 ， 5， 8模式 1 適合所有河流：最大流速到20 米 /秒，最大剖面深度: 45 m (600 kHz) ， 12m (1200 kHz)模式 5 適合淺水低流速河流：流速低于0.5 米 /秒，低紊流，最大剖面深度: 7 m (600 kHz)； 3.5 m (1200 kHz)模式 8 適合淺水河流：流速低于1.0 米 /秒，高紊流，

16、最大剖面深度: 7 m (600 kHz)； 3.5 m (1200 kHz)設(shè)置儀器參數(shù)-偏移量?在 “設(shè) 置 ” 菜 單 中 選 “配 置 設(shè) 置 ”設(shè)置儀器參數(shù)-“處理”?聲速?回波 強度?橫截 面積?數(shù)據(jù) 過濾?流速 誤差 閾 值流量邊岸估算側(cè) 身 儀 /外 部 羅 經(jīng) /GPS記錄圖形屬性設(shè)置儀器參數(shù)-命令1. 固 定命令2. 自動設(shè)置命令3. 用戶命令，常用 的 有 ：WS-水層厚度WN-水層個數(shù)WM-測流模式保存（讀入）儀器設(shè)置在 “文件”菜單中選擇? “保存配置文件”? “打開配置文件”設(shè)置用戶選項-啟動設(shè)置?在 “設(shè) 置 ” 菜 單 中 選 “用 戶 選 項 ”?一般 不用

17、立 即 記 錄數(shù) 據(jù)設(shè)置用戶選項-顯示坐標(biāo)及平均? X軸可以是：數(shù)據(jù)號時間剖面長度?指定 用多 少 個 數(shù) 據(jù)計 算 平均 值設(shè)置用戶選項-參數(shù)自動裝載設(shè)置用戶選項-流速顯示方式?缺省用地球坐標(biāo)?原始數(shù)據(jù)是波束坐標(biāo)設(shè)置船速數(shù)據(jù)來源?在 “設(shè) 置 ” 菜 單 中 選 “參 考 ”?然 后 根 據(jù) 實 際 情 況 選 擇 ：水底跟蹤GPS （ GGA）GPS （ VTG） 無底跟蹤精度最高，依次遞減設(shè)置數(shù)據(jù)單位? 在“設(shè) 置 ”菜 單中 選“單 位” ?然后根據(jù)需要選擇：英制（英尺等） 公制（米等）數(shù)據(jù)采集?在“采集 ”菜 單 中 選 擇 ：開 始 /停 止 發(fā) 射 聲 波橫 斷 面 測 量 （

18、T）設(shè)置ADCP時鐘執(zhí)行終端程序數(shù)據(jù)文件?數(shù) 據(jù) 文 件 名 的 格 式 為 ：ddddMMMx. NNN其中：dddd -用戶指定的文件名前綴MMM -測量序號，從000開始自動增加x - 自 動 添 加 的 文 件 類 型 標(biāo) 志 ， 有 ：r -原始數(shù)據(jù)w-參數(shù)設(shè)置文件n - GPS數(shù)據(jù)文件d -測深儀數(shù)據(jù)文件t - ASCII碼輸出文件h -外部羅經(jīng)數(shù)據(jù)文件NNN - 文 件 序 號 ， 從 000 開 始 ， 自 動 增 加測量注意事項? 船速越慢精度越高。? 在未知河段測量時，應(yīng)先預(yù)測一次，根據(jù)河床深度、形狀及流速大小 決定測量參數(shù)。? 應(yīng)當(dāng)用多次測量的平均值作為最后的測流結(jié)果。ADCP 維 護 保 養(yǎng) 注 意 事 項? 換能器面不能壓在硬物上，也不能長期受太陽光照射。? 每次用完后要清洗擦干ADCP表面。? 每次插ADCP上的插頭時，要抹一點硅脂。? 插好ADCP上的插頭后，要鎖好鎖圈，而在拔下插頭前，一定要先松開 鎖圈。? ADCP 不 需 標(biāo) 定 。? 即使ADCP不在水中，也可以讓它發(fā)射聲波脈沖，即在空氣中可以檢測 ADCP， 而 不 會 有 任 何 損 壞 ， 這 一 點 不 同 于 許 多 其 它 的 聲 學(xué) 設(shè) 備 。數(shù)據(jù)回放及處理功能?讀入ADCP原始數(shù)據(jù)文件?顯示 各種數(shù)據(jù)圖 形?重新 計