ADCP声学多普勒测流仪河流流量测量和实时检测原理及操作使用方法培训提纲美 国 R D I 公 司美国劳雷工业公司2002 年 3 月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•大约三千五百台ADCP应用于世界各地•大约八十台ADCP在中国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• 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 InstrumentsAcoustic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。
• 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•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• 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地球坐标转换• 将所有四个波束的数据与另外提供的船的航向、纵摇和横摇数据结 合，我们可以得到地球坐标下的三维矢量—东向，北向和垂向分量XYZ 9变成9东向，北向，垂向流速断面• 一台 ADCP 可以顶替若干台传统的流速仪。
•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）• 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• 底跟踪不同于水层测量，因为其发射的声波必须完整地达到水底。
• ADCP 根据其对水深的粗略估计自动调节发射脉冲的长度• 用户只需决定是否需要底跟踪，其余的参数 ADCP 会自动设置底跟踪• ADCP 首先检查从水底返回的信号强度是否超过指定的底回波强 度阈值（ BA 值）•只有当底回波信号通过上二个检查后，ADCP才用其计算底跟踪 速度分量• 当上一步检查通过后， ADCP 还要确认根据底回波得到的速度分 量满足最小相关性阈值要求（ BC 值）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-底跟踪速度ADCP 底 跟 踪 小 结• ADCP测量水流对ADCP的相对运动• 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...• 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•在RDI软件中用户可以选择参考底跟踪数据而得到“真”水流速度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RDI公司第三代河流ADCP“骏马”系列 ：(1) 船测(走航测量)：“瑞江”牌ADCP(2) 定点实时监测：水平ADCP (H-ADCP)第三代河流ADCP:“骏马”系列“瑞江”牌ADCP 走航测量：“瑞江”牌ADCP “瑞江”牌ADCP船侧安装ADCP安装在无动力小双体船上ADCP无线电遥控作业走航测量：“瑞江”牌ADCPADCP 同时测量以下数据：• 水相对于船的流速・船的速度(由底跟踪或DGPS)• 水深• 沿航线距离ADCP流量测量与航迹无关ADCP系统频率“瑞江” ADCP有两种频率：-1200 kHz-600 kHz另外，“监测”牌300 kHz ADCP加上底跟踪功能也可以用于流量测 量。
瑞江” ADCP优点：•采用了 RDI公司的宽带信号处理专利技术 在保证精度的前提下，提高了流速测量的空间和时间分辨率• 测量剖面深度范围大例如600 kHz ADCP,其测量剖面深度范围可以从0・7米至75米（注：剖面深度与含沙量及单元长度有关）这样一台600 kHzADCP可以适用于大部分河流的水深情况瑞江” ADCP优点:• 对较高含沙量河流适用性较好高含沙量意味着水体对声波能量的吸收增强这时需要采用较低频率的系统才能达到较大的剖面深度和保持底跟踪然而一般低频系统分辨率较低由于采用了宽带信号处理专利技术， RDI 较低频率的系统（600 kHz 和300 kHz ）在较高含沙量情况下具有较好的穿透性，并且分辨率较高瑞江” ADCP优点：• “瑞江”1200 kHz 和 600 kHz ADCP 有两种工作模式：标准工 作模式和浅水高精度工作模式• 标准工作模式适应范围大，应用于大多数情况然而在水很浅， 流速很低情况下，采用浅水高精度工作模式可以有效的提高测量 精度瑞江” ADCP优点：• “零盲区”技术首先应用于1200 kHz ADCPo因此，“瑞江”1200 kHz ADCP 可 以用于更浅水深的河流和湖泊。
• “瑞江”1200 kHz和600 kHz ADCP采用12伏汽车蓄电池供电，十分方便•系统可靠性好，故障率低水平-ADCP应用1） 通过电缆与电脑连接即可以作为一个独立的流速，流量实时监 测系统2） 与其它仪器和设备集成为水情遥测站“水平-ADCP”流量推算方法• 第一种：流速面积法 这种方法原则上不需要率定目前仅适用于矩形断面的人工渠道•第二种：回归法，即美国地理调查局“Index-Velocity”方法 回归法是建立河流或明渠断面平均流速与“水平-ADCP”实测流速 之间的相关关系有了相关曲线或方程，由“水平-ADCP”实测流速 即可推算出断面平均流速从而算出流量适用于规则断面的人工渠道，也适用于天然河流河宽或渠宽 可以大于“水平-ADCP”最大剖面宽度河流声学多普勒测流仪操作使用方法“瑞江” ADCP的安装与连接•换能器的深度要超过船底，安装要牢固，避免在其周围产生水泡•波束3指向船头方向或船右舷45度方向瑞江” ADCP的自检运行BBTALK软件•设置串口，对ADCP类选型WH• 运行 TestWH.rds 命令文件，自动完成测试•在每天工作前后都应检测ADCPWinRiver 软件的操作设置通讯参数• 在“文件”菜单中选“采集模式”自动设置仪器参数• 在“设置” 中选“配置向导”，在这个单元中，需要填写所有的 空格，尤其是“ADCP配置“。
河床的类型• Mud -稀泥• Silt -- 淤泥• Sand -- 细沙• Gravel -砂砾• Cobbles -- 鹅卵石• Boulders - 漂石• Riprap -- 乱石基• Smooth Rock - 光滑的岩石• Fractured Rock - 有裂缝的岩石• 有流动底时要采用辅助手段(测深仪等)顶部和底部盲区的处理1. 常数外推法2. 幂函数法V=aZbb = 0.1667边部盲区的处理 比例外推法：Q = C Vm L dm边部其中：C = 边部形状系数 (0.35 三角形，0.91 矩形)Vm= 实测的第一段的平均流速L = 开始实测时船到岸的距离 dm = 第一段的深度测 流 模 式 1，5，8 模式1 适合所有河流：最大流速到 20 米/秒， 最大剖面深度: 45 m (600 kHz) ，12m (1200 kHz) 模式 5 适合浅水低流速河流：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 适合浅水河流：流速低于 1.0 米/秒，高紊流， 最大剖面深度: 7 m (600 kHz)；3.5 m (1200 kHz)设置仪器参数-偏移量• 在“设置” 菜单中选“配置设置”设置仪器参数-“处理”• 声速• 回波强度• 横截面积. LI—t \ L, x H• 数据过滤• 流速误差阈值流量边岸估算侧身仪/外部罗经/GPS记录图形属性设置仪器参数-命令1. 固定命令2. 自动设置命令3. 用户命令，常用的有：WS- 水层厚度WN- 水层个数WM- 测流模式保存（读入）仪器设置在“文件” 菜单中选择• “保存配置文件”• “打开配置文件”设置用户选项-启动设置• 在“设置” 菜单中选“用户选项”• 一般不用立即记录数据设置用户选项-显示坐标及平均• X轴可以是：谢『卜由口数据号时间剖面长度• 指定用多少个数据计算平均值设置用户选项-参数自动装载设置用户选项-流速显示方式• 缺省用地球坐标• 原始数据是波束坐标设置船速数据来源• 在“设置” 菜单中选“参考”• 然后根据实际情况选择：水底跟踪 G。