ADCP验流仪说明.doc

1、ADCP声学多普勒测流仪声学多普勒测流仪河流流量测量和实时检测河流流量测量和实时检测原理原理 及及 操作使用方法操作使用方法培培 训训 提提 纲纲美美 国国 R D I 公公 司司美国劳雷工业公司美国劳雷工业公司 2002 年 3 月RDI公司简介公司简介 1981年建立，在美国加利福尼亚州，圣地亚哥年建立，在美国加利福尼亚州，圣地亚哥 创始人：创始人： Fran Rowe, Kent Deines (RD) 最大的最大的 ADCP生产厂家生产厂家 已通过已通过 ISO9001 国际质量体系认证国际质量体系认证 ADCP 产品年销售额约二千万美元产品年销售额约二千万美元 大约三千五百台大约三千

2、五百台 ADCP应用于世界各地应用于世界各地 大约八十台大约八十台 ADCP 在中国在中国ADCP 基本原理概要基本原理概要声学多普勒测流仪基本原理要点声学多普勒测流仪基本原理要点a) 什么是多普勒现象什么是多普勒现象 b) 什么是波束和地球坐标什么是波束和地球坐标c) 船的航向、纵摇、横摇的影响船的航向、纵摇、横摇的影响d) 什么是深度单元（什么是深度单元（ Bin)e) 什么是流速断面什么是流速断面f) 什么是底跟踪什么是底跟踪ADCP 流速断面的基础流速断面的基础 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

3、层水流断面被分割成若干个离散的层 ， 叫做深度单元叫做深度单元 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 声学的声学的 Doppler - 多普勒多普勒 Current - 流速流速 Profiler - 断面断面声声 波波 的的 传传 播播 ADCP 向水中发射固定频率的声波短脉冲。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这些声脉冲碰到水中的散射体 （ 浮游生物浮游生物 ， 泥沙等泥沙等 ） 将发生散射。将发生散射。声声 波波 的的 传传 播播 被散射体反射回的

4、声波被被散射体反射回的声波被 ADCP接收到接收到 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）移） 这种效应叫做多普勒效应这种效应叫做多普勒效应 多多 普普 勒勒 效效 应应 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。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。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

5、子是当你站在铁路旁并有一列火车通过时，当火车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。相相 对对 运运 动动 矢矢 量量 当两个物体以一定角度相对运动时，将得到不同的当两个物体以一定角度相对运动时，将得到不同的 “多普勒频移多普勒频移 ”。 如果二者相互垂直（如果二者相互垂直（ 90度）运动，将不发生多普勒频移。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。度时，才发生多普勒频移。流

6、流 速速 测测 量量 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。分量。 根据根据 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。转换成水平和垂直分量。地地 球球 坐坐 标标 转转 换换 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，北向和垂向东向，北向和垂向分量。分量。X Y Z 变成变成 东向东

7、向 ,北向北向 ,垂向垂向流流 速速 断断 面面 一台一台 ADCP 可以顶替若干台传统的流速仪。可以顶替若干台传统的流速仪。 在使用在使用 ADCP时时 ， 用户可以设置不同厚度的深度单元用户可以设置不同厚度的深度单元 （ 即即 Bin）。）。 对每个深度单元，对每个深度单元， ADCP 可测出其中流速矢量的东向，北向和可测出其中流速矢量的东向，北向和垂向分量。垂向分量。 各个深度单元的流速数据组合成流速断面。各个深度单元的流速数据组合成流速断面。ADCP 工工 作作 前前 提提 用用 ADCP 测流时有二个基本假设：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。反射声

8、波信号的浮游物体是随着水流运动的。2. 所有四个所有四个 ADCP波束都在测量同一个流速矢量。即流速在一个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小范围的同一水平面上是不变的ADCP 测流原理小结测流原理小结 Acoustic - ADCP 向水中发射固定频率的超声波短脉冲。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）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）。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

9、的回波信号可得到水流的东向、北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。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。度单元的流速数据组成流速断面。船载船载 ADCP 流速测量流速测量 ADCP 测量水流对测量水流对 ADCP的相对运动。的相对运动。 船载船载 ADCP 测量到的相对运动是船速加真实的水流速。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。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，与测流完全相同的原理， A

10、DCP 可以测量其相对于地的运动速度，可以测量其相对于地的运动速度，该功能叫做底跟踪该功能叫做底跟踪 .底底 跟跟 踪踪 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。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。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，其余的参数用户只需决定是否需要底跟踪，其余的参数 ADCP 会自动设置。会自动设置。底底 跟跟 踪踪 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（度阈值（

11、 BA 值）。值）。 只有当底回波信号通过上二个检查后，只有当底回波信号通过上二个检查后， ADCP 才用其计算底跟踪才用其计算底跟踪速度分量。速度分量。 当上一步检查通过后，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（量满足最小相关性阈值要求（ BC 值）。值）。流流 速速 计计 算算 在同一个数据组中，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分别记录下底跟踪速度和断面水流速度信息。度信息。 实测的断面水流速度信息包括船体的运动。实测的断面水流速度信息包括船体的运动。 在在 RDI 软件中用户可以

12、选择参考底跟踪数据（或软件中用户可以选择参考底跟踪数据（或 GPS数据）而得数据）而得到到 “真真 ”水流速度。水流速度。真水流断面速度真水流断面速度 = 实测的水流断面速度实测的水流断面速度 底跟踪速度底跟踪速度ADCP 底底 跟跟 踪踪 小小 结结 ADCP 测量水流对测量水流对 ADCP的相对运动。的相对运动。 要获得真实的水流速必须减去船速。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，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，可以测量其相对于地的运动速度，该功能叫做底跟踪该功能叫做底跟踪 . 在同一个数据组中，在同一个数据组中， ADCP 分别记录下底

13、跟踪速度和断面水流速分别记录下底跟踪速度和断面水流速度信息。度信息。 在在 RDI 软件中用户可以选择参考底跟踪数据而得到软件中用户可以选择参考底跟踪数据而得到 “真真 ”水流速度。水流速度。RDI公司公司 ADCP发展历程发展历程 1981，第一代：窄带，第一代：窄带 ADCP 1991，第二代：宽带，第二代：宽带 ADCP 1995，第三代：，第三代： “骏马骏马 ”系列系列 ADCP尺寸大大减小；价格降低一半左右尺寸大大减小；价格降低一半左右 RDI公司第三代河流公司第三代河流 ADCP“骏马骏马 ”系列系列 ：（ 1）船测（走航测量）：）船测（走航测量）： “瑞江瑞江 ”牌牌 ADCP

14、（ 2）定点实时监测：水平）定点实时监测：水平 ADCP（ H-ADCP）第三代河流第三代河流 ADCP:“骏马骏马 ”系列系列 “瑞江瑞江 ”牌牌 ADCP走航测量：走航测量： “瑞江瑞江 ”牌牌 ADCP“瑞江瑞江 ”牌牌 ADCP船侧安装船侧安装ADCP安装在无动力小双体船上安装在无动力小双体船上ADCP无线电遥控作业无线电遥控作业走航测量：走航测量： “瑞江瑞江 ”牌牌 ADCPADCP 同时测量以下数据：同时测量以下数据： 水相对于船的流速水相对于船的流速 船的速度（由底跟踪或船的速度（由底跟踪或 DGPS） 水深水深 沿航线距离沿航线距离ADCP流量测量与航迹无关流量测量与航迹无关

15、ADCP系统频率系统频率“瑞江瑞江 ”ADCP有两种频率：有两种频率： 1200 kHz 600 kHz另外，另外， “监测监测 ”牌牌 300 kHz ADCP加上底跟踪功能也可以用于流量测加上底跟踪功能也可以用于流量测量。量。“瑞江瑞江 ”ADCP优点：优点： 采用了采用了 RDI公司的宽带信号处理专利技术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。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测量剖面深度范围大例如例如 600 kHz ADCP，其测量剖面深度范围可以从，其测量剖面深度范围可以从 0.7米至米至 75米米（注

16、：剖面深度与含沙量及单元长度有关）。这样一台（注：剖面深度与含沙量及单元长度有关）。这样一台 600 kHz ADCP可以适用于大部分河流的水深情况。可以适用于大部分河流的水深情况。“瑞江瑞江 ”ADCP优点：优点： 对较高含沙量河流适用性较好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，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

17、 较低频率的系统（较低频率的系统（ 600 kHz 和和 300 kHz ）在较高含沙量情）在较高含沙量情况下具有较好的穿透性，并且分辨率较高。况下具有较好的穿透性，并且分辨率较高。“瑞江瑞江 ”ADCP优点：优点： “瑞江瑞江 ”1200 kHz 和和 600 kHz ADCP 有两种工作模式：标准工有两种工作模式：标准工作模式和浅水高精度工作模式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，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

18、量精度。量精度。 “瑞江瑞江 ”ADCP优点：优点： “零盲区零盲区 ”技术技术首先应用于首先应用于 1200 kHz ADCP。因此，。因此， “瑞江瑞江 ”1200 kHz ADCP 可以用于更浅水深的河流和湖泊。可以用于更浅水深的河流和湖泊。 “瑞江瑞江 ”1200 kHz和和 600 kHz ADCP采用采用 12伏汽车蓄电池供电，伏汽车蓄电池供电，十分方便。十分方便。 系统可靠性好，故障率低。系统可靠性好，故障率低。水平水平 -ADCP应用应用（ 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）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。测系统。（ 2）

19、与其它仪器和设备集成为水情遥测站）与其它仪器和设备集成为水情遥测站“水平水平 -ADCP”流量推算方法流量推算方法 第一种：流速面积法第一种：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。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，即美国地理调查局第二种：回归法，即美国地理调查局 “Index-Velocity”方法方法回归法是建立河流或明渠断面平均流速与回归法是建立河流或明渠断面平均流速与 “水平水平 -ADCP”实测流速实测流速之间的相关关系。有了相关曲线或方程，由之间的相关关系。有了相关曲线或方程，由 “水平水平 -ADCP”实测流实

20、测流速即可推算出断面平均流速。从而算出流量。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可以大于 “水平水平 -ADCP” 最大剖面宽度。最大剖面宽度。河流声学多普勒测流仪河流声学多普勒测流仪操作使用方法操作使用方法“瑞江瑞江 ”ADCP的安装与连接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 。波束波束 3指向船头方向或船右舷指向船头方向或船右舷 45度方向。度方向。“瑞江瑞江 ”ADCP的自检的自检运

21、行运行 BBTALK软件软件 设置串口，对设置串口，对 ADCP类选型类选型 WH 运行运行 TestWH.rds 命令文件，自动完成测试命令文件，自动完成测试 在每天工作前后都应检测在每天工作前后都应检测 ADCPWinRiver 软件的操作软件的操作设置通讯参数设置通讯参数 在“文件”菜单中选“采集模式”自动设置仪器参数自动设置仪器参数 在在 “设置设置 ” 中选中选 “配置向导配置向导 ”，在这个单元中，需要填写所有的，在这个单元中，需要填写所有的空格，尤其是空格，尤其是 “ADCP配置配置 “。河床的类型河床的类型 Mud 稀泥稀泥 Silt - 淤泥淤泥 Sand - 细沙细沙 Gr

22、avel 砂砾砂砾 Cobbles - 鹅卵石鹅卵石 Boulders 漂石漂石 Riprap - 乱石基乱石基 Smooth Rock 光滑的岩石光滑的岩石 Fractured Rock 有裂缝的岩石有裂缝的岩石 有流动底时要采用辅助手段有流动底时要采用辅助手段 (测深仪等测深仪等 )顶部和底部盲区的处理顶部和底部盲区的处理1. 常数外推法常数外推法2. 幂函数法幂函数法 V = a Z bb = 0.1667边部盲区的处理边部盲区的处理比例外推法：比例外推法：Q边部边部 = C Vm L dm其中：其中：C = 边部形状系数边部形状系数 (0.35 三角形，三角形， 0.91 矩形矩形 )

23、Vm = 实测的第一段的平均流速实测的第一段的平均流速L = 开始实测时船到岸的距离开始实测时船到岸的距离dm = 第一段的深度第一段的深度测测 流流 模模 式式 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)设置仪器参数设置仪器

24、参数 偏移量偏移量 在在 “设置设置 ” 菜单中选菜单中选 “配置设置配置设置 ”设置仪器参数设置仪器参数 “处理处理 ” 声速声速 回波强度回波强度 横截面积横截面积 数据过滤数据过滤 流速误差阈值流速误差阈值流量流量边岸估算边岸估算侧身仪侧身仪 /外部罗经外部罗经 /GPS记录记录图形属性图形属性设置仪器参数设置仪器参数 命令命令1. 固定命令固定命令2. 自动设置命令自动设置命令3. 用户命令用户命令 ，常用的有：，常用的有：WS- 水层厚度水层厚度WN- 水层个数水层个数WM- 测流模式测流模式保存保存 （ 读入读入 ） 仪器设置仪器设置在在 “文件文件 ” 菜单中选择菜单中选择 “保

25、存配置文件保存配置文件 ” “打开配置文件打开配置文件 ”设置用户选项设置用户选项 启动设置启动设置 在在 “设置设置 ” 菜单中选菜单中选 “用户选项用户选项 ” 一般不用立即记录数据一般不用立即记录数据设置用户选项设置用户选项 显示坐标及平均显示坐标及平均 X轴可以是：轴可以是：数据号数据号 时间时间剖面长度剖面长度 指定指定 用多少个数据计算平均值用多少个数据计算平均值设置用户选项设置用户选项 参数自动装载参数自动装载设置用户选项设置用户选项 流速显示方式流速显示方式 缺省用地球坐标缺省用地球坐标 原始数据是波束坐标原始数据是波束坐标 设置船速数据来源设置船速数据来源 在在 “设置设置

26、” 菜单中选菜单中选 “参考参考 ” 然后根据实际情况选择然后根据实际情况选择 ：水水 底跟踪底跟踪GPS (GGA) GPS (VTG) 无无底跟踪精度最高，依次递减底跟踪精度最高，依次递减设置数据单位设置数据单位 在在 “设置设置 ”菜单中选菜单中选 “单位单位 ” 然后根据需要选择：然后根据需要选择：英制英制 （ 英尺等英尺等 ）公制公制 （ 米等米等 ）数数 据据 采采 集集 在在 “采集采集 ”菜单中选择：菜单中选择： 开始开始 /停止发射声波停止发射声波横断面测量（横断面测量（ T）设置设置 ADCP时钟时钟执行终端程序执行终端程序 数数 据据 文文 件件 数据文件名的格式为数据文

27、件名的格式为 ： ddddMMMx.NNN其中：其中：dddd 用户指定的文件名前缀用户指定的文件名前缀MMM 测量序号，从测量序号，从 000开始自动增加开始自动增加x - 自动添加的文件类型标志，有：自动添加的文件类型标志，有：r 原始数据原始数据w 参数设置文件参数设置文件n GPS 数据文件数据文件d 测深仪数据文件测深仪数据文件t ASCII 码输出文件码输出文件h 外部罗经数据文件外部罗经数据文件NNN - 文件序号，从文件序号，从 000 开始，自动增加开始，自动增加测量注意事项测量注意事项 船速越慢精度越高。船速越慢精度越高。 在未知河段测量时，应先预测一次，根据河床深度、形状

28、及流在未知河段测量时，应先预测一次，根据河床深度、形状及流速大小决定测量参数。速大小决定测量参数。 应当用多次测量的平均值作为最后的测流结果。应当用多次测量的平均值作为最后的测流结果。ADCP 维护保养注意事项维护保养注意事项 换能器面不能压在硬物上，也不能长期受太阳光照射换能器面不能压在硬物上，也不能长期受太阳光照射 。 每次用完后要清洗擦干每次用完后要清洗擦干 ADCP表面。表面。 每次插每次插 ADCP上的插头时，要抹一点硅脂。上的插头时，要抹一点硅脂。 插好插好 ADCP上的插头后，要锁好锁圈，而在拔下插头前，一定要上的插头后，要锁好锁圈，而在拔下插头前，一定要先松开锁圈。先松开锁圈。

29、 ADCP 不需标定。不需标定。 即使即使 ADCP不在水中，也可以让它发射声波脉冲，即在不在水中，也可以让它发射声波脉冲，即在空气中可以检测空气中可以检测 ADCP， 而不会有任何损坏，这一点不而不会有任何损坏，这一点不同于许多其它的声学设备同于许多其它的声学设备 。数据回放及处理功能数据回放及处理功能 读入读入 ADCP原始数据文件原始数据文件 显示各种数据图形显示各种数据图形 重新计算盲区流量重新计算盲区流量 按新的参数计算平均值按新的参数计算平均值 输出输出 ASCII码的原始数据码的原始数据 输出平均数据文件输出平均数据文件 输出测流报告输出测流报告 打印各种数据打印各种数据图各种显

30、示图各种显示图 在在 “查看查看 ”菜单中可选择：菜单中可选择： 剖面图剖面图 - 流速、回波强度、流量等断面图流速、回波强度、流量等断面图 等值线图等值线图 - 流速、回波强度、相关性等等值图流速、回波强度、相关性等等值图 航迹航迹 流速矢量及航迹线图流速矢量及航迹线图 时间序列时间序列 航向、纵横摇、船速等剖面图航向、纵横摇、船速等剖面图 列表查看列表查看 GPS、 底跟踪、流量、流速等数据表底跟踪、流量、流速等数据表修改图形显示比例尺修改图形显示比例尺 “设置设置 ”命令中选命令中选 “系统设置系统设置 ”数数 据据 处处 理理 “设置”中选“配置设置” 修改盲区参数重新计算盲区流量修改

31、盲区参数重新计算盲区流量 修改边部参数重新计算边部流量修改边部参数重新计算边部流量 在在 “设置设置 ” 菜单中选菜单中选 “用户选项用户选项 ” 选择新的平均间隔计算新的平均值选择新的平均间隔计算新的平均值 在在 “设置设置 ”菜单中选菜单中选 “选择文件部分数据选择文件部分数据 ”选择所有数据或者指定始、末数据点号剪裁数据文件选择所有数据或者指定始、末数据点号剪裁数据文件数数 据据 输输 出出 输出输出 ASCII码的原始数据码的原始数据 输出平均数据文件输出平均数据文件 输出测流报告输出测流报告 , 测流报告文件名的后缀为：测流报告文件名的后缀为： *.sum打印输出各种数据图打印输出各种数据图 先选中要打印的图形窗先选中要打印的图形窗 选中打印预览选中打印预览 选中打印选中打印