声学多普勒流速剖面仪的应用实例

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1、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

2、，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。、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

3、 ,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。当ADCP向水体中发射声波脉冲信号，被 水体中悬浮的、随水体运动的散射体后产生反射， ADCP 再 对回波信号进行接收和处理。根据多普勒原理，由于 ADCP

4、和散射体之间存在相对运动，发射声波与散射回波频率之间 就存在一个多普勒频率，这种频率的变化完全取决于反射体 的运动速度。通过测量这个多普勒频移就可以直接解算出 ADCP 和散射体的相对速度。如果将海流分为若干层，通过 测量就可以得到海流各层相对ADCP的流速剖面。ADCP换 能器既是发射器又是接收器，它从根本上摆脱了机械式仪器 的测验原理。一般地，ADCP的工作频率低，则作用距离远而空间分 辨率低；ADCP的工作频率高，则作用距离近而空间分辨率 高。这就要求选择测流系统的工作频率时，要根据不同目的 来进行折中。这种频率的变化完全取决于反射体的运动速 度，即水流速度， ADCP 便可根据该多普勒

5、频移计算出相对 于 ADCP 的流速大小。当ADCP向水体中发射的声波脉冲信号碰到水体中悬浮 的、随水体运动的微粒后产生反射， ADCP 可以根据被反射 到ADCP的声波脉冲信号和ADCP发射的声波脉冲信号频率 的差异(即多普勒频移)，计算出相对于 ADCP 的流速大小：V=c X Fd/(2Fs) (1)式中：V为相对于测船的水体流速；Fd为声学多普勒频 移； Fs 为发射声波脉冲信号频率； c 为声波脉冲信号在水体 中的传播速度(不计盐度和深度)，即：c=1449.2+4.6T-5.5X10-2T2+2.9X10-4T3(2)式中： T 为换能器附近的水体温度。ADCP 的每个换能器轴线即

6、为一个波束坐标，每个换能 器测得的流速是沿其波束坐标方向的流速，任意三个换能器 轴线轴线即组成一组相互独立的空间波束坐标系。另外，ADCP有其自身的坐标系（局部坐标系）：X-Y-Z。Z方向同 ADCP轴线方向一致。ADCP首先测出沿每一波束坐标的流 速分量；然后利用波束坐标与X-Y-Z坐标之间的转换关系（取 决于波束角）将波束坐标系下的流速转换为X-Y-Z坐标系下 的三维流速；然后利用罗盘和倾斜计提供的方向和倾斜角度 将X-Y-Z坐标系下的流速转换为地球坐标系下的流速。二、实例（一）工程概况该工程位于某某市，本次测验区域位于万泉河（嘉积 - 博鳌段）。此次水文测验中断面流量测量采用美国RDI公

7、司 的多普勒流速仪 Workhorse ADCP （频率为1200kHz）。该仪 器具有走航功能，测量方便精确，同时提供流量、流速和流 向数据。仪器的精度为测量值的（ 0.25% 2.5） mm/s， 可设置分层厚度为0.252米，测量范围15米，测量流速范 围05m/s。断面流量观测包括：枯水期、中水期、洪水期 分三次对 7条设计的断面进行流量观测。（二）水文测验测前准备 ADCP的安装、检查及比测为消除 ADCP 在动船过程中颠波可能会产生气泡的影 响，ADCP安装时的入水深度不宜小于1米。根据船形和使 用 ADCP 的规格及入水深度，设计安装架垂直主杆的长度确 保ADCP安装安全牢固；A

8、DCP测验时必须用电罗经导航； 电罗经一般要求安装在测船龙骨附近，且尽可能使电罗经零 方向与测船龙骨方向平行，安装完毕后应在断面上进行定标 试验，以微调电罗经零方向；并测定罗经零方向与测船龙骨 方向的夹角的校准值。 现场技术人员在 ADCP 测流前应进行检查和比测试 验，检查和比测的方法过程为：测验人员对ADCP、GPS和 电罗经应进行检查，确定各通讯连接和电源供电是否正常， 并按要求填写检查登记表。 计算机中 ADCP 测验软件的安装,根据 ADCP 的型号 在计算机中安装相对应版本的测验软件，并作好记录。 在断面流速较大的中泓附近将ADCP与常规流速流向 仪进行比测，采集的样本不少于 30

9、 次，并对两者的资料进 行对比分析，以确定断面上是否有底沙运动及ADCP的测流 精度，记录比测资料及分析成果；如有底沙运动，应分析底 沙运动流速范围大小，为资料的处理提供依据。现场工作前需现场进行仪器测试：先将ADCP固定在测 量船侧舷，使 3#换能器位于测船前进方向（并使得 3#和 4# 换能器连线方向与测船龙骨方向平行，以确保所测流向的准 确性）。此次现场测试采用BBTalk软件对ADCP进行检测， 检测结果显示：所有传感器均处于正常状态。使用 ADCP 进行水文测验 测验参数的设置根据断面的形状、断面水文特性、船速、ADCP的型号 和测站任务书的有关技术要求综合分析确定断面的主要测 验参

10、数。采用观测软件WinRiver对仪器进行设置。根据现场情况 设置如下：最大水深 15 米；最大流速 3 米；每层厚度 0.25 米；盲区 0.25 米；吃水 0.6 米；地质为砾石。 ADCP测验结构文件的建立将 ADCP 的入水深度、数据通讯端口、记录数据的存放 目录、电罗经按装零度方向与测船龙骨方向夹角的校准值、 ADCP 时间校准等、测验过程的显示方式及直接指令构成 ADCP 测验结构文件。 ADCP测验中的GPS导航为保证测验过程中测船沿断面航行并获取高精度定位 数据，在进行ADCP的测验过程中宜使用DGPS （或 RTKGPS）进行导航定位。本 次 定 位 采 用 美 国 Trim

11、ble 公 司 生 产 的 DSM212/DSM212L GPS 接收机。该仪器内置 DGPS 差分信 号接收功能模块，可以同时跟踪 12 颗卫星，数据更新率达 到10Hz,在差分模式下其内部符合精度为土0.3米，动态定 位精度为0.75 米。 ADCP水文测验仪器安装，包括 ADCP 和 GPS 的安装，电缆线的联接， ADCP入水深度的确定。ADCP的安装必须保正3#、4#换能 器的连线与船龙骨线平行，且 GPS 天线应与 ADCP 在同一 垂直位置。测量船为 3.5 米长、 1.5 米宽，操纵灵活、吃水小，适合 在浅水区工作。由 DGPS 导航定位，在指定的断面位置观测， 由多年从事水上

12、测量的具有丰富经验的人员操纵测量船只， 使测线按计划线进行，尽量匀速行驶。在岸边先固定测量船， 将仪器设置好，开始观测，输入距离岸边（左岸或右岸）距 离，在观测 10 组数据后再开动船，目的是为了准确的估算 起测点到岸边这段水流的流量。结束时也同样要多测量 10 组数据在结束，并输入距岸边的距离。ADCP 与 GPS 安装完毕后运行 ADCP 的测试软件，分别 测试计算机和ADCP、GPS的通讯测试，ADCP状态测试， 在各项测试均顺利通过的情况下，才能进行测验。ADCP 时间校正：必须以 GPS 的时间为依据，严格校对 ADCP 和 GPS 两者之间时差，确保两者之间的时间差小于 1.0s。

13、从右岸开始到左岸结束，船速不超过1.5m/s,再由左 岸到右岸观测。两次观测的流量值之差不大于平均值的 5% 即为合格。数据处理及报表统计 ADCP断面流量计算ADCP 数据处理过程主要有垂线上下盲区流速的插补、 断面左右岸边滩盲区流量插补和 ADCP 二进制文件转换为 ASCII 文件后流速流向流量的编程计算。 垂线上下盲区流速的插补垂线上下盲区流速的插补有两种方式，其一：根据常规 流速流向仪实测的流速流向资料，分析率定断面流速沿垂线 分布的模型，ADCP上下盲区按照模型进行插补；其二：直 接参照理论上常规流速流向分布模型。本断面经多次比测 （与常规的海流计同步观测）资料分析，垂线上下盲区的

14、流 速的插补模型为，上盲区流速流向为ADCP所测第一个单元 的流速流向，下盲区流速为ADCP所测最后一个有效单元的 流速乘以0.72,流向为ADCP所测最后一个有效单元的流向。 断面左右岸边滩盲区流量计算断面左右岸边滩盲区流量计算有两种方式：当ADCP在 断面上固定的起点和终点上航行测验，并且有分析成果说 明，测验起点和终点间的流量所占断面总流量的比值恒定， 则根据实测流量除以其所占的百分比即为断面；当 ADCP 每 次在断面上不同的的起点和终点上航行测验时，则边滩流量 按常规多垂线测流时边滩流量的计算方法计算，即根据 ADCP 开始和结束时所测的垂线流速乘以岸边流速系数乘以 垂线距岸边的距离

15、。本断面经多次分析采用第一种方法计算边滩盲区流量，流量比例系数为 72%。 断面流量计算其流量测验的方法，本质上为沿断面方向的积宽和沿水深方向的积深。 数据报表的形成由 WinRiver 软件将原始数据处理成数据文件，经过整理 后形成数据报表。再将从左岸到右岸的数据分段处理，最终 生成流速、流向等相关报表。（三）ADCP在水运工程中的应用实例近年来，ADCP先后在水运工程等领域已逐步得到推广应用，并取得了很好的应用效果。如三峡工程、上海国际航 运中心洋山深水港与东海大桥工程，杭州湾跨海大桥，上海 松浦大桥水文站测流，长江、黄河、珠江等内河水系，以及 沿海各港口、风电、核电等工程中得以应用并取得

16、良好效果。在 1997 年三峡工程大江截流和 2002 年 11 月 6 日三峡工程明渠截流中，均使用ADCP进行流量测量，并取得了圆满成功。某某会与RDI公司联合于2002年9月1823日在国内 首次开展ADCP与DGPS、测深仪及电罗经集成的试验，该 试验选择了位于三峡大坝下游约 5km 处的黄陵庙水文站测 流断面。试验结果表明：采用DGPS、测深仪及电罗经数据 得到的流量与底跟踪得到的流量吻合很好，满足测流精度， 从而解决了 ADCP 在洪水期使用时遇到的高含沙量水流、水 底存在推移质运动以及磁罗盘受铁壳船干扰等问题。上海国际航运中心洋山深水港工程区域具有水深、流 急、泥沙含量高的特点, 这种多变的流态使得传统流速仪测 流的方法受到限制。在建设过程中, 使用具有测验时