关于多普勒流速剖面仪几项关键技术的说明.docx

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关于多普勒流速剖面仪几项关键技术的说明

关于多普勒流速剖面仪（ADCP）几项关键技术的说明

前言

目前ADCP的几项关键技术如：

1）换能器的个数

2）信号处理技术

3）工作模式

4）零盲区技术

为了使用户更清楚地了解先进的关键技术，我们专门就“三波束与四波束”、“宽带与窄带”和“单一模式与多模式”、“零盲区技术”等问题以及ADCP用于定点点测速等分别做了说明，其目的在于使用户正确认识各厂家的多普勒流速剖面仪在关键技术方面的差异，正确选择高性价比的产品。

一、关于四波束和三波束的比较

美国TRDI公司生产的多普勒流速剖面仪（ADCP）采用四波束换能器，而有的厂家的多普勒流速剖面仪采用三波束换能器。

那末是四波束好还是三波束好？

应该说，从原理上说，多普勒流速剖面仪只要有三个波束就可以测量三维流速，但是采用四个波束的的性能大大优于于三波束。

以下是四波束ADCP的主要优点：

1.即使因为某种原因（例如：

水中杂物，游鱼，水下结构物等），四个波束中某一波束或者某一波束的某一单元失去信号或者信号不好，其它三个波束仍然能够提供有效数据。

因而流速测量的可靠性和灵活性大为提高。

2.采用四个波束测量，增加了测量信息量，使流速测量的短期精度比采用三波束提高约25%。

3.由于四波束的对称性，能够有效地消除船只摇摆引起的流速测量误差。

当然，四波束ADCP的造价要比三波束高。

这也是TRDI公司的ADCP比其它厂家的价格略高的原因之一。

总之，四波束ADCP的可靠性和工作性能都比三波束要好。

二、宽带ADCP与窄带仪器的比较

目前在海洋和河流流速、流量测量中采用的ADCP主要有两种：

宽带ADCP和窄带仪器。

宽带ADCP与窄带的区别在于它们采用不同的声信号发射、接收和处理方法。

窄带的声信号发射、接收和处理方法是：

对于每一个流速测量，仪器发射一个单独的,相对讲较长的脉冲声波，然后接收水体中悬浮物对这个脉冲的回波信号，并记录发射波与回波之间的频率改变。

这个频率改变即为多普勒频移，用来计算水体的速度。

宽带ADCP的声信号发射、接收和处理方法是：

对于每一个流速测量，ADCP发射两组或更多组编码脉冲波，利用ADCP测量脉冲波组之间的相关系数及相位差来计算多普勒频移。

TRDI公司第一代ADCP（1981年至1990年）采用的是窄带数字信号处理技术。

虽然窄带处理技术在当时是测流领域的一大革新，但由于窄带ADCP流速测量短期误差较大，流速测量在垂向和水平方向的分辨率较低，不能满足用户的需要，因此1991年，TRDI公司又开发出它的第二代产品：

即宽带ADCP。

宽带ADCP短期误差小,其空间和时间分辨率较高。

宽带ADCP的诞生是ADCP技术发展的重要里程。

TRDI公司也因此在美国获得了宽带声信号发射、接收和处理方法的专利，专利号为：

BroadBandADCP–USPatent#35,535

BroadBandTransducer–USPatent#5,343,443

因为是专利，只有TRDI公司能够生产宽带ADCP,其它厂家只能仍然采用窄带声信号发射、接收和处理方法。

宽带信号处理技术与窄带比较有如下优点：

（1）宽带ADCP流速测量短期精度比窄带仪器高四倍左右（可以实现较快走航测量）

（2）宽带ADCP流速测量的时间分辨率（或走航测量时的水平空间分辨率）比窄带高近10倍左右。

系统频率（kHz）

深度单元长度（m）

单脉冲标准差（cm/s）

宽带

窄带

1200

0.26

11.7

76.9

（3）各仪器的流速测量精度及测量数据最大输出速率：

流速测量精度

数据最大输出速率

数据个数/秒

RDI宽带（ADCP）

SonTek窄带（ADP）

RDI宽带（ADCP）

SonTek窄带（ADP）

±0.25%±0.25cm/s

±1%±0.5cm/s

1.5（模式1）

3-13（模式12）

0.2

注：

数据最大输出速率取决于单元长度、单元个数。

（4）宽带ADCP盲区较小、垂向空间分辨率较高。

最小剖面深度是越小越好。

最大剖面深度是越大越好。

然而最小和最大剖面深度与系统频率有关，且互相矛盾。

通常系统频率越高，最小剖面深度越小，但最大剖面深度也越小。

系统频率越低，最大剖面深度越大，但最小剖面深度也越大。

对于窄带，最小和最大剖面深度的矛盾特别突出。

这是因为窄带仪器盲区较大、且垂向空间分辨率较低的缘故。

而对于宽带ADCP，最小和最大剖面深度的矛盾较小。

这是因为宽带ADCP盲区较小、且垂向空间分辨率较高，常规模式垂向可达128个单元，高分辨率模式垂向可达256个单元，而窄带垂向只能达到100个单元。

（5）宽带ADCP对水深和含沙量季节性变化的适应性较好。

窄带仪器对于水深和含沙量季节性变化的适应性很差。

因为窄带仪器盲区大、垂向空间分辨率低。

在枯水期水较浅时，只能采用较高频率的窄带仪器。

而当洪水期水深较大、含沙量较高时，较高频率的窄带仪器不能达到河底，只能采用较低频率的窄带仪器。

这样，同一台窄带仪器不能兼顾同一条河流的枯水期和洪水期的流速/流量测量。

国内几个窄带仪器的用户即遇到了这个问题。

解决的办法只能是购买两台窄带仪器：

一台较高频率的用于枯水期;另一台较低频率的用于洪水期。

这必然增加费用。

宽带ADCP对水深和含沙量季节性变化的适应性较好。

因为宽带ADCP（即使是低频系统）盲区较小、垂向空间分辨率分辨率较高。

因此较低频率的宽带ADCP即适用于枯水期水较浅的情况，也适用于洪水期水深较大、含沙量较高的情况。

三、关于ADCP工作模式的比较

美国TRDI公司生产的ADCP的标准配置包括两种工作模式：

标准模式和浅水高精度模式。

标准模式流速测量范围大，剖面深度大。

应用于大多数情况。

浅水高精度模式流速测量范围小，剖面深度小，但流速测量精度非常高。

其流速测量短期精度可达1个毫米／秒的量级。

因此，当流速很低，仅为几个厘米／秒的情况下，采用浅水高精度模式效果特别好。

我们曾在太湖流域某河流采用ADCP浅水高精度模式进行了流速和流量测量。

当时测流断面约一半部分流速仅为1－3cm/s。

测量效果很好（见下图）。

太湖流域某河流采用ADCP浅水高精度模式流速、流量测量实例

必须指出的是，只需要一个工作模式就够了的说法是不恰当的。

用户可以提这样的问题：

在1－3cm/s的流速情况下，窄带仪器能够得到精确的测量结果吗？

别说窄带仪器，就是宽带ADCP标准模式也不能在这样低的流速情况下得到精确的测量结果，而必须采用高精度模式。

事实上，所谓一个工作模式与TRDI公司宽带ADCP标准模式是相对应的。

它并不包含在低流速情况下精确测量的能力。

国内几个窄带的用户普遍反映，在走航测量时，当流速为10cm/s左右时（流速还并不算很低！

），窄带仪器流速测量精度已经很差，流速矢量沿航迹的分布很乱，呈“狼牙棒”状。

这是由于窄带仪器短期精度低，远低于宽带ADCP的缘故。

因此，对于浅水高精度模式所能够解决的低流速测量问题，窄带仪器的所谓一个工作模式并不能解决。

TRDI公司的ADCP包括两种工作模式显然提高了ADCP的性能和价值。

四、美国TRDI公司ADCP“零盲区”技术简介

ADCP的盲区是由于换能器发射声波脉冲后的余震不能立即消除，使靠近换能器附近的回波信号受到余震干扰引起的。

盲区的存在限制了ADCP在极浅水深条件下的应用。

TRDI公司开发了一种新技术，使换能器发射声波脉冲后的余震能够立即消除。

因此使盲区减小到零。

这种“零盲区”技术首先应用于“瑞江”1200kHz河流ADCP。

“零盲区”已作为“瑞江”1200kHz河流ADCP的标准配置。

型号为WHRZ1200。

“零盲区”ADCP已经在美国和欧洲进行了试验。

达到预期的效果。

需要指出的是，尽管在声学技术上盲区可以为零。

在实际应用中，盲区应设定为2至5厘米。

因为在换能器附近水流受到干扰，流速数据不准确。

下图显示了在欧洲的一次试验结果。

“瑞江”1200kHzADCP（“零盲区”）安装在一无动力小船上。

小船系在缆道上。

小船上配有电池盒和无线电发射机。

ADCP与电脑之间通过无线电通讯。

盲区设定为2厘米，单元设定为5厘，由水深剖面图可以看到，水深范围仅为0.37至0.57米，从0.15米水深处开始采集数据。

五、ADCP定点测速方面的应用

ADCP固定测速到在移动过程中进行流量测量这是流量测验技术的一次革命，但是由于冰期河流封冻以及有流动底（即有推移质发生时）而又没有配高精度GPS时，就需要改变ADCP的使用方式，即只使用ADCP的水跟踪和测深功能，在固定点用ADCP测出垂线或各点的流速，计算得到部分平均流速；利用ADCP测到的水深和输入其它方法获得的间距计算得到部分面积；部分平均流速与部分面积相乘即得到部分流量，部分流量之和即为断面流量。

要想实现定点流量测验，使用软件或人工做简单的计算就可实现。

TRDI的走航式ADCP及StreamProADCP都可以轻而易举的实现定点流量测验。

StreamProADCP及走航式ADCP用于冰期的定点流量测验

总之宽带ADCP与窄带仪器分别在黄委的小浪底水位站、甘肃的莺落峡水文站、河南省的淮滨水文站、广西的阳朔、桂林、平乐及梧州水文站、长委的的北培水文站、上海的松浦大桥水文站、浦东新区的张家浜水文站、黑龙江哈尔滨水文站等省市的水文站进行过同时和不同时得比测试验，实测结果和前面的结论是一致的。

附件1：

TRDI的宽带ADCP实测流量的界面图（流速分布和实际特别接近）

附件2：

美国海洋气象局进行的TRDI的ADCP与SonTek的ADP比侧（宽带的ADCP精度高于窄带的ADP）

附件3：

TRDI的ADCP在内蒙古的巴蒙总干渠大桥断面（三个桥孔）测流界面（非常接近实际）

附件4：

广西流速极底的天峨站4次测流的偏差系数仅为2%

附件5:

黑龙江省哈尔滨的比测情况

附件6:

1200k宽带声学多普勒流速剖面仪（ADCP）技术指标

品牌/型号

软/硬件配置

技术指标及说明

美国RDI公司

宽带零盲区ADCP/

WHRZ1200-Ⅰ

1.1200KHz四声束声学换能器

2.内置罗盘、倾斜计、温度传感器

3.具有底跟踪功能

4.10米数据电源电缆

5.RS232C标准数据通讯接口

6.中文WinRiver测流软件

7.外形尺寸：

重7公斤

直径23cm

高20cm

8.一套说明书

9.一套系统光盘

10.WinRiver软件操作手册（中文）

11.高速双工数传电台2部

12.三体船一套

13.专用防水连接电缆一套

14.变换接口一只

15.车用借电电缆一根

16.专用工具两套

17.备品备件一套

18.包装箱一个

测速范围（宽带专利技术）

0~±3m/s（缺省）

0~±20m/s（最大）

流速分辨率0.001m/s

流速测量精度±0.25%±0.5cm/s

最小剖面单元0.05m

最大剖面单元2.0m

最小应用水深0.3m

最大应用水深20m

方向精度±2°

姿态精度±1°

水温精度±0.1°

工作温度-5°～45°

存储温度-30°～75°

深水/浅水两种工作模式

流量测量重复精度优于5%

直流工作12VDC

走航式流量测量