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1、ADCPADCP介绍介绍PPTPPT课件课件ADCPA Acoustic coustic 声学声学D Doppler oppler 多普勒多普勒C Current urrent 流速流速P Profiler rofiler 剖面仪剖面仪三体船 ADCPADCP内置内置数传电台数传电台和电池和电池舵槽舵槽遥 测 型 ADCP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到的声波频率发生改变的一种现象经典实例经典实例ADCP 利用声波测量流速 声波是压力波，可在气体、液体、及固体中传播。声波是压力波，可在气体、液体、
2、及固体中传播。 声波波峰对应于高压区，波谷对应于低压区。声波波峰对应于高压区，波谷对应于低压区。 人们通过压力波对耳膜产生的振动感觉声波。内耳将压力波人们通过压力波对耳膜产生的振动感觉声波。内耳将压力波的机械能转化为大脑可识别的电信号。的机械能转化为大脑可识别的电信号。 人类能听到的声波频率范围为人类能听到的声波频率范围为 40-24,000 Hz40-24,000 Hz ADCP ADCP 频率范围为频率范围为 300,000-3,000,000 Hz 300,000-3,000,000 Hz ADCP利用水中颗粒测流速 ADCP ADCP 向水中发射固定向水中发射固定频率的声波短脉冲。频率
3、的声波短脉冲。 这些脉冲碰到水中的散这些脉冲碰到水中的散射体（浮游生物，泥沙射体（浮游生物，泥沙等）发生背散射。等）发生背散射。 ADCP ADCP接受回波信号并接受回波信号并处理得到流速。处理得到流速。不同坐标下的流速及其转换 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。水流在垂向上被分割成若干层，叫做深度单元水流在垂向上被分割成若干层，叫做深度单元（depth celldep
4、th cell）。）。一台一台ADCPADCP相当于许多台单点流速仪相当于许多台单点流速仪深度单元和流速剖面深度单元和流速剖面深度单元深度单元ADCP机械式流速仪机械式流速仪水跟踪和底跟踪水跟踪水跟踪 由水中颗粒的回波测量水流由水中颗粒的回波测量水流相对于相对于ADCPADCP的运动，该的运动，该功能叫做水跟踪。功能叫做水跟踪。底跟踪底跟踪 由河底或海底的回波测量河由河底或海底的回波测量河底或海底相对于底或海底相对于ADCPADCP的的运动，该功能叫做底跟踪。运动，该功能叫做底跟踪。如果河底或海底无推移质，如果河底或海底无推移质，底跟踪测得的速度即为测底跟踪测得的速度即为测船的速度。船的速度。
5、所需流速所需流速=测得流速测得流速 + 船速船速ADCPADCP在走航测量中测量如下数据：在走航测量中测量如下数据： 相对流速（由相对流速（由“ “水跟踪水跟踪” ”测出）测出）船速船速( (由由“ “底跟踪底跟踪” ”测出测出, , 或由或由GPSGPS算出算出) )水深（由河底回波强度测出，类似于回声测深仪）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，或由船的航行轨迹（由船速和计时数据算出，或由GPSGPS算出）算出）ADCP流量测验与航迹无关nVbVf0/航迹航迹ADCP 流量测验原理与传统流速仪法（人工船测、桥测、缆道、涉水）与传统流速仪法（人工船测
6、、桥测、缆道、涉水）的基本原理一样：的基本原理一样：将整个测流断面化分为许多子断面（即布设多条将整个测流断面化分为许多子断面（即布设多条垂线）垂线）在每个子断面中垂线处测量水深并测量多点的流在每个子断面中垂线处测量水深并测量多点的流速从而得到垂线（即子断面）平均流速速从而得到垂线（即子断面）平均流速ADCP实测区、非实测区、微断面、单元示意图实测区、非实测区、微断面、单元示意图ADCP实测区、非实测区、单元示意图ADCP方法与传统方法的不同 传统流速仪法是静态方法。流速仪是固定的。传统流速仪法是静态方法。流速仪是固定的。ADCPADCP方方法是动态方法。法是动态方法。ADCPADCP在随测量船
7、运动过程中进行测验。在随测量船运动过程中进行测验。 传统流速仪法要求测流断面垂直于河岸。传统流速仪法要求测流断面垂直于河岸。ADCPADCP方法不方法不要求测流断面垂直于河岸。测船航行的轨迹可以是斜线要求测流断面垂直于河岸。测船航行的轨迹可以是斜线或曲线。或曲线。 ADCP ADCP所测的垂线（子断面）可以很多，每条垂线上的所测的垂线（子断面）可以很多，每条垂线上的测点也很多。测点也很多。 ADCP获得河道流量的方法获得河道流量的方法 ADCP是一种利用声学多普勒原理测验水流速度剖面的仪器。 ADCP一般配备有四个换能器。换能器与ADCP轴线成一定夹角。每个换能器既是发射器又是接收器。换能器发
8、射某一固定频率的声波，然后聆听被水体中颗粒物散射回来的声波。假定颗粒物的运动速度与水体流速相同。当颗粒物的运动方向是接近换能器时，换能器聆听到的回波频率比发射波频率高。当颗粒物的运动方向是背离换能器时，换能器聆听到的回波频率比发射波频率低,这种颗粒物的运动引起频率的改变称为声学多普勒频移。回波频率与发射波频率之差由下式确 式中：式中：F Fd d 声学多普勒频移声学多普勒频移 F F 发射波频率发射波频率 V V颗粒物沿声束方向的移动速度（即沿声束方颗粒物沿声束方向的移动速度（即沿声束方向的水流速度）向的水流速度） C C声波在水中的传播速度声波在水中的传播速度上式中的系数是因为上式中的系数是
9、因为ADCPADCP即发射声波又接收回波，即发射声波又接收回波，因此多普勒频移加倍（因此多普勒频移加倍（GordonGordon， 19961996）。）。 距离距离 = 3mDepth0.20.20.1ADCP流量测验示意过程Q ENSEMBLE = 0.5 m3/sS S Q = 0.5 m3/s距离距离= 9mDepthADCP流量测验示意过程0.20.20.10.30.30.30.20.3Q ENSEMBLE = 1.4 m3/sS S Q = 1.9 m3/s距离距离= 15mDepthADCP流量测验示意过程0.20.20.10.30.30.30.20.3 0.40.4 0.50.
10、4 0.50.40.30.30.20.30.5Q ENSEMBLE = 4.2 m3/sS S Q = 6.1 m3/s距离距离= 21mDepth0.20.20.10.30.30.30.20.3 0.40.4 0.50.4 0.50.40.30.30.20.30.5 0.6 0.70.6 0.60.60.50.50.40.40.30.30.2Q ENSEMBLE = 5.7 m3/sS S Q = 11.8m3/sADCP流量测验示意过程距离距离= 27mDepthADCP流量测验示意过程0.20.20.10.30.30.30.20.3 0.40.4 0.50.4 0.50.40.30.30
11、.20.30.5 0.6 0.70.6 0.60.60.50.50.40.40.30.30.20.80.80.8 0.80.70.70.50.50.40.40.30.30.2Q ENSEMBLE = 7.2 m3/sS S Q = 19.0 m3/s距离距离= 33mDepthADCP流量测验示意过程0.20.20.10.30.30.30.20.3 0.40.4 0.50.4 0.50.40.30.30.20.30.5 0.6 0.70.6 0.60.60.50.50.40.40.30.30.20.80.80.8 0.80.70.70.50.540.40.40.30.30.21.0 1.01.
12、00.91.00.90.70.70.50.50.40.40.20.2Q ENSEMBLE = 9.4 m3/sS S Q = 28.4 m3/s距离距离= 39mDepthADCP流量测验示意过程0.20.20.10.30.30.30.20.3 0.40.4 0.50.4 0.50.40.30.30.20.30.5 0.6 0.70.6 0.60.60.50.50.40.40.30.30.20.80.80.8 0.80.70.70.50.50.40.40.30.30.21.0 1.01.00.91.00.90.70.70.50.50.40.40.20.21.0 1.01.00.91.00.90
13、.70.70.50.50.40.40.20.2Q ENSEMBLE = 9.4m3/sS S Q = 37.8 m3/s距离距离= 45mDepthADCP流量测验示意过程0.20.20.10.30.30.30.20.3 0.40.4 0.50.4 0.50.40.30.30.20.30.5 0.6 0.70.6 0.60.60.50.50.40.40.30.30.20.80.80.8 0.80.70.70.50.50.40.40.30.30.21.0 1.01.00.91.00.90.70.70.50.50.40.40.20.21.0 1.01.00.91.00.90.70.70.50.50
14、.40.40.20.20.90.80.80.60.50.40.20.80.80.70.50.4Q ENSEMBLE = 7.4 m3/sS S Q = 45.2m3/s距离距离= 51mADCP流量测验示意过程0.20.20.10.30.30.30.20.3 0.40.4 0.50.4 0.50.40.30.30.20.30.5 0.6 0.70.6 0.60.60.50.50.40.40.30.30.20.80.80.8 0.80.70.70.50.50.40.40.30.30.21.0 1.01.00.91.00.90.70.70.50.50.40.40.20.21.0 1.01.00.9
15、1.00.90.70.70.50.50.40.40.20.20.90.80.80.60.50.40.20.80.80.70.50.40.70.70.60.40.30.60.40.30.2Q ENSEMBLE = 4.2 m3/sS S Q = 49.4 m3/s距离距离= 57mADCP流量测验示意过程0.20.20.10.30.30.30.20.3 0.40.4 0.50.4 0.50.40.30.30.20.30.5 0.6 0.70.6 0.60.60.50.50.40.40.30.30.20.80.80.8 0.80.70.70.50.50.40.40.30.30.21.0 1.01.
16、00.91.00.90.70.70.50.50.40.40.20.21.0 1.01.00.91.00.90.70.70.50.50.40.40.20.20.90.80.80.60.50.40.20.80.80.70.50.40.70.70.60.40.30.60.40.30.20.40.30.20.20.1Q ENSEMBLE = 1.2 m3/sS S Q = 50.6 m3/s黄河小浪底站ADCP流量测验实例(2003.10.22)(2003.10.22)黄河小浪底站ADCP流量测验实例(2003.10.22)(2003.10.22)黄河小浪底站ADCP流量测验实例(2003.10.22
17、)(2003.10.22)黄河小浪底站ADCP流量测验实例(2003.10.22)(2003.10.22)黄河小浪底站ADCP流量测验实例(2003.10.22)(2003.10.22)黄河小浪底站ADCP流量测验实例(2003.10.22)(2003.10.22)黄河小浪底站ADCP流量测验实例(2003.10.22)(2003.10.22)黄河小浪底站ADCP流量测验实例(2003.10.22)(2003.10.22)黄河小浪底站ADCP流量测验实例(2003.10.22)(2003.10.22)黄河小浪底站ADCP流量测验实例(2003.10.22)(2003.10.22)ADCP分类窄
18、带窄带 (Narrowband): (Narrowband): ADCP ADCP的声信号发射和处理的一种方法的声信号发射和处理的一种方法. . 对于每一个流速测量，对于每一个流速测量，ADCPADCP发射一个单独发射一个单独 的、相对较长的脉冲波的、相对较长的脉冲波, ,然后聆听然后聆听( (即接受即接受) )水水 体中颗粒物对这个脉冲的反射波体中颗粒物对这个脉冲的反射波, , 并记录发并记录发 射波与反射波之间的频率改变即多普勒频移射波与反射波之间的频率改变即多普勒频移, , 用来计算水体的速度用来计算水体的速度. .脉冲相干 对于每一下流速测验，脉冲相干型对于每一下流速测验，脉冲相干型A
19、DCPADCP发射发射一对较短的脉冲波。一对较短的脉冲波。ADCPADCP先发射第一个脉冲，待先发射第一个脉冲，待ADCPADCP接收到这个脉冲波的回波后发射第二个脉冲。接收到这个脉冲波的回波后发射第二个脉冲。ADCPADCP测验两个回波之间的相位差并据此计算流速。测验两个回波之间的相位差并据此计算流速。相干型相干型ADCPADCP的优点是流速测验标准误差小，这个的优点是流速测验标准误差小，这个优点可以用来提高流速测验的空间或时间分辨率。优点可以用来提高流速测验的空间或时间分辨率。相干型相干型ADCPADCP缺点是测验剖面范围小、流速量程小。缺点是测验剖面范围小、流速量程小。( (RDI 11
20、RDI 11模式模式) )宽带 (Broadband): ADCP的声信号发射和处理的一种方 法.对于每一个流速测量,ADCP发射两组 或多组脉冲波序列. 每个脉冲波序列由许 多子脉冲(称为编码单元)组成ADCP测量回波序列的相关系数及相位差, 铲除粗 差,精确计算流速.其优点是流速测量标准 误差小,空间 (测点) 和时间 (垂线) 分辨率 高.ADCP 主要差别窄带窄带宽带宽带频带宽频带宽0.5-1 %0.5-1 %25% (6%)25% (6%)脉冲波型脉冲波型一个长脉冲一个长脉冲两个以上编码脉冲波系列两个以上编码脉冲波系列编码编码不不是。每个编码脉冲波系列由若是。每个编码脉冲波系列由若干
21、个编码单元组成干个编码单元组成脉冲延迟脉冲延迟较短、不变较短、不变多普勒频移多普勒频移（流速）测量（流速）测量频率改变频率改变相位改变相位改变ADCP短期误差比较1 1 1 1宽带宽带宽带宽带ADCPADCPADCPADCP精精精精度远高于窄度远高于窄度远高于窄度远高于窄带带带带2 2 2 2宽带宽带宽带宽带ADCP ADCP ADCP ADCP 标标标标准误差变化梯度准误差变化梯度准误差变化梯度准误差变化梯度比窄带小比窄带小比窄带小比窄带小 3 3 3 3宽带宽带宽带宽带ADCP ADCP ADCP ADCP 能能能能够实现较快速度够实现较快速度够实现较快速度够实现较快速度的走航测量的走航测
22、量的走航测量的走航测量 二、RDI 公司ADCP 主要优点比较根据公开发表的资料(供参考)1.宽带信号处理专利技术优点 短期精度高（比窄带高倍左右）短期精度高（比窄带高倍左右） 长期精度高（比窄带高至倍）长期精度高（比窄带高至倍） 时间分辨率高（相当于测速垂线多）（比窄带时间分辨率高（相当于测速垂线多）（比窄带 高十几倍）高十几倍） 垂向空间分辨率高（相当于垂线上测点多垂向空间分辨率高（相当于垂线上测点多, ,可采可采 用较小的单元用较小的单元, ,最多可达最多可达128128个）个）2. 四波束换能器如果有一个波束被阻挡或信号不好，其它如果有一个波束被阻挡或信号不好，其它三波束仍然提供有效数
23、据。三波束仍然提供有效数据。能自动消除船摇晃的影响能自动消除船摇晃的影响可用于数据质量控制可用于数据质量控制3. 零盲区专利技术 零盲区专利技术的应用，使中国北方河 流使用ADCP监测河道流量成为现实， 提高测验精度4. 多种工作模式 一台仪器可以配备多种模式，适应不同 的水流 条件 标准模式：适用大多数场合 高精度、高分辩率模式：用于浅水，低 流速情况三、与其它厂家ADCP的比较全球ADCP厂家比较 RDInstrumentsRDInstruments简简称称 RDIRDISonTekSonTekNorTekNorTek成立日期成立日期19811981年年19921992年年20012001
24、年被年被YSIYSI收收购购19961996年年员员工人数工人数约约 150150人人约约3030人人约约2020人人ISO9001ISO9001已通已通过过不不详详不不详详河流流量河流流量走航走航测测量系量系统统有有有有无无注：注：全球第一个和最全球第一个和最大的大的ADCPADCP生生产产厂家厂家美国地调局河流美国地调局河流ADCPADCP数量数量（截止（截止 2002 2002 年年 11 11 月月, , 总计总计165165台台RDI RDI 占占 89.1% SonTek89.1% SonTek占占 7.3% 7.3% ）RDI “瑞江瑞江”牌牌 ADCPSonTek ADPADC
25、P主要差别厂家厂家 RDIRDIADCPADCPSonTekSonTekNorTekNorTekADPADP声信号声信号处理技术处理技术宽带编码宽带编码（RDIRDI专利）专利）窄带窄带声换能器数目声换能器数目零盲区技术零盲区技术有有无无工作模式工作模式两种：两种： 标准模式标准模式 高精度模式高精度模式一种：一种： 标准模式标准模式全球走航式流速剖面仪实用水深比较ADCP剖面深度比较 (1)ADCP剖面深度比较 (2)黄河花园口(ADCP)流量测验断面图(2003.6.5)(2003.6.5)漓江阳朔站测流断面水草情况（2004.9.102004.9.10）桂江平乐漓江桂林漓江阳朔水文站AD
26、CP流量实测界面广西比测情况 通通过过用用美美国国RDIRDI公公司司四四波波束束零零盲盲区区（WHR1200-1WHR1200-1型型）ADCPADCP，对对桂桂江江平平乐乐水水文文站站和和漓漓江江阳阳朔朔 桂桂林林水水文文站站现现场场进进行行流流量量实实测测，ADCPADCP实实测测流流量量自自测测重重复复偏偏差差最最大大只只有有2.92.9 （均均小小于于5.05.0 美美国国地地调调局局规规定定）， ADCPADCP实实测测流流量量多多次次（2424次次）均均值值与与测测站站流流量量相相差差仅仅为为0.70.7 , ,单单次次为为3.73.7 ，这这说说明明ADCPADCP性性能能可可
27、靠靠，精精度度较较高高，在在水水草草严严重重的的江江段段使使用用仍仍然然能能够够快快速速地地进进行行流流量量测测验验，精度高于水文测验规范要求。精度高于水文测验规范要求。河南省水文局淮河淮滨（三）站比测情况（2004.8.9）黄河兰州站实测界面（2004.7.15）巴蒙总干渠大桥断面测流界面(往返)(2003.10.28)上海松浦水文站上海松浦水文站ADCPADCP船测流量与人工船测流量的比较船测流量与人工船测流量的比较五、ADCP安装 测验实例ADCP与涉水流量测验比测 (USGS Florida)利用缆道或船拖带ADCP进行流量测量USGS ADCP应用应用USGS ADCP应用应用全国水
28、利厅局长会议代表参观ADCP测流演示(2004.1.6)(2004.1.6)国家发改委领导观看ADCP测流(2004.4.28)(2004.4.28)汪部长观看ADCP演示（2004.6.302004.6.30）黄河花园口简易安装黄河花园口用ADCP进行流量测验(2003.5.31)东北清河水库用ADCP公断水事纠纷(2003.6.25)黄河小浪底用吊船拖带ADCP进行流量测验(2003.5.5)黄河小浪底ADCP进行流量测验结果(往)(2003.5.5)黄河小浪底ADCP进行流量测验结果(返)(2003.5.5)淮河淮滨水文站比测实况国家防总及黄委ADCP进行流量测验各级领导在花园口视查ADCP进行流量测验ADCP实时采集成果显示在实时采集成果显示在花园口会商室大屏幕花园口会商室大屏幕结束语 美国RDI 公司的声学多普勒流速剖 面仪(ADCP) : 声学盲区小,实用范围广, 采集速率快,成果质量高,提供质量控制, 排除误释影响,提供多种工作模式, 一台 仪器能够控制浅、深水变化过程, 性能 价格比高。我们的联系方式河南黄河水文仪器有限公司联系人：拓展翔地址：郑州市城北路东12号 450004手机：13674999191电话：0371-66026431/2/3传真：0371-66331468邮箱：网址：Questions?结束结束
