ADCP验流仪说明.doc

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 Instruments
• Acoustic – 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。

X Y Z è 变成 è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ADCP
ADCP 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 kHz ADCP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 ADCP。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ADCP

WinRiver 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 = a Z b
b = 0.1667

边部盲区的处理
比例外推法：
Q边部 = C Vm L dm
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
• 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：
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
GPS (GGA)
GPS (VTG)
无
　　底跟踪精度最高，依次递减

设置数据单位
• 在“设置”菜单中选“单位”
• 然后根据需要选择：
英制（英尺等）
公制（米等）

数 据 采 集
• 在“采集”菜单中选择：
开始/停止发射声波
横断面测量（T）
设置ADCP时钟
执行终端程序

数 据 文 件
• 数据文件名的格式为：
ddddMMMx.NNN
其中：
dddd – 用户指定的文件名前缀
MMM – 测量序号，从000开始自动增加
x -- 自动添加的文件类型标志，有：
r – 原始数据
w– 参数设置文件
n – GPS 数据文件
d – 测深仪数据文件
t – ASCII 码输出文件
h – 外部罗经数据文件
NNN -- 文件序号，从 000 开始，自动增加

测量注意事项
• 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、形状及流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。

ADCP 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。
• 每次用完后要清洗擦干ADCP表面。
• 每次插ADCP上的插头时，要抹一点硅脂。
• 插好ADCP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。
• ADCP 不需标定。
• 即使ADCP不在水中，也可以让它发射声波脉冲，即在空气中可以检测ADCP，而不会有任何损坏，这一点不同于许多其它的声学设备。

数据回放及处理功能
• 读入ADCP原始数据文件
• 显示各种数据图形
• 重新计算盲区流量
• 按新的参数计算平均值
• 输出ASCII码的原始数据
• 输出平均数据文件
• 输出测流报告
• 打印各种数据图

各种显示图
• 在“查看”菜单中可选择：
• 剖面图--- 流速、回波强度、流量等断面图
• 等值线图 -- 流速、回波强度、相关性等等值图
• 航迹– 流速矢量及航迹线图
• 时间序列 – 航向、纵横摇、船速等剖面图
• 列表查看 – GPS、底跟踪、流量、流速等数据表

修改图形显示比例尺
• “设置”命令中选“系统设置”

数 据 处 理
• “设置”中选“配置设置”
• 修改盲区参数重新计算盲区流量
• 修改边部参数重新计算边部流量
• 在 “设置” 菜单中选 “用户选项”
• 选择新的平均间隔计算新的平均值
• 在“设置”菜单中选“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

数 据 输 出
• 输出ASCII码的原始数据
• 输出平均数据文件
• 输出测流报告, 测流报告文件名的后缀为： *.sum

打印输出各种数据图
• 先选中要打印的图形窗
• 选中打印预览
• 选中打印