走航式聲學(xué)多普勒流速儀適應(yīng)性研究.docx

1、文章編號(hào)：1007-7596(2014)07-0019-03走航式聲學(xué)多普勒流速儀適應(yīng)性研究李世強(qiáng)(黑龍江省水文局，哈爾濱150001)摘要:走航式聲學(xué)多普勒流速儀能夠提高流量測(cè)臉工作效率，但是其設(shè)計(jì)應(yīng)用環(huán)境與我國(guó)內(nèi)陸河流情況不能完全相適應(yīng)，一定程度上影響測(cè)流精度。黑龍江省水文局開(kāi)展了一系列實(shí)驗(yàn)研究,逐步解決出現(xiàn)的問(wèn)題，努力減小設(shè)備測(cè)驗(yàn)誤差，提高工作效率。關(guān)鍵詞:ADCP；GPS；比測(cè)實(shí)驗(yàn)；比測(cè)環(huán)境中圖分類號(hào):P335文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B收稿日期2014-02-10作者簡(jiǎn)介李世強(qiáng)(1982-),男，黑龍江牡丹江人，工程師，碩士。前言河流流鼠測(cè)驗(yàn)是水文測(cè)驗(yàn)最主要的項(xiàng)目之一。防汛抗旱和水資源管理工作對(duì)水

2、文測(cè)驗(yàn)工作提出了更高的要求。傳統(tǒng)的河流流量測(cè)驗(yàn)是在測(cè)流斷面上布設(shè)多條垂線，算出垂線平均流速，進(jìn)而得到斷面面積和斷面平均流速。流量則由斷面面積與斷面平均流速的乘積得到。這種方法需要多人熟練配合，耗時(shí)長(zhǎng)。AcousticDopplerCurrentProfiler通常譯為聲學(xué)多普勒水流剖面儀,縮寫(xiě)為ADCPOADCP測(cè)量船從河流某斷面一側(cè)航行至另一側(cè)時(shí)，就能即刻計(jì)算出河流流量，比傳統(tǒng)的流速儀法效率提高數(shù)倍，遇洪水時(shí)更能凸顯ADCP快速測(cè)流的優(yōu)勢(shì)。黑龍江省水文局先后從SonTeck和RDI公司引進(jìn)多套ADCP測(cè)流設(shè)備。各測(cè)站經(jīng)過(guò)幾年的應(yīng)用，該設(shè)備基本實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能，并應(yīng)用到日常測(cè)流工作中。山于黑龍江

3、省境內(nèi)各河流匯流情況復(fù)雜、氣象情況多變,河流特性多樣等原因，ADCP在使用過(guò)程中逐漸暴露出一些問(wèn)題。為了解決這些問(wèn)題，提高流量:測(cè)驗(yàn)精度,提升測(cè)驗(yàn)設(shè)備長(zhǎng)期使用的可靠性和適用性，挖掘現(xiàn)有設(shè)備潛能，黑龍江省水文局監(jiān)測(cè)處將ADCP測(cè)驗(yàn)設(shè)備使用過(guò)程中遇到的和可能遇到的問(wèn)題進(jìn)行搜集整理,通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析和解決問(wèn)題。1對(duì)比測(cè)試實(shí)驗(yàn)當(dāng)河底泥沙含量較大時(shí)，會(huì)影響ADCP對(duì)河底深度的測(cè)量精度，對(duì)于測(cè)船行進(jìn)速度的測(cè)址也會(huì)出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致流域測(cè)址結(jié)果偏小。為了減小河底泥沙對(duì)測(cè)流精度的影響，通過(guò)比測(cè)實(shí)驗(yàn)找出減小影響的方法。比測(cè)實(shí)驗(yàn)包括3個(gè)部分:不同頻率ADCP之間比測(cè).ADCP與外接設(shè)備兼容性和ADCP外接設(shè)備的測(cè)流結(jié)果。

4、1.1不同頻率ADCP比測(cè)實(shí)驗(yàn)1.1.1比測(cè)環(huán)境2010年8月16日，松花江干流受降水和上游來(lái)水影響流量增大，上游地區(qū)子堤潰堤，造成箏源斷面泥沙含量:增大。理論上不同工作頻率的ADCP對(duì)河底泥沙的穿透能力不同，頻率高的設(shè)備更容易出現(xiàn)丟底的現(xiàn)象，而頻率低的設(shè)備穿透能力更強(qiáng)能夠保證探測(cè)到河底深度。比測(cè)實(shí)驗(yàn)選用工作頻率為1.5MHz和600kHz的兩款A(yù)DCP進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以此來(lái)驗(yàn)證不同頻率的ADCP在汛期漲水階段的測(cè)流能力。1.1.2比測(cè)結(jié)果高頻ADCP測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖1。從航跡圖中可以看出，中段區(qū)域流速最大，有流速異常情況；從斷面剖面圖中可以看出，水深最大處附近,底跟蹤情況出現(xiàn)異常，有3個(gè)以上工作剖面數(shù)

5、據(jù)損壞，根據(jù)聲學(xué)多普勒流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范(SI337-2006)本次測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)無(wú)效。低頻ADCP測(cè)址結(jié)果見(jiàn)圖2。從航跡圖中可以看出，全剖面流速變化均勻，無(wú)異常情況；從斷面剖面圖中可以看出，水深數(shù)據(jù)無(wú)異常，底跟蹤正常測(cè)量數(shù)據(jù)有效。從高頻ADCP與低頻ADCP比測(cè)結(jié)果來(lái)看，在泥沙含ht較大的情況R低頻設(shè)備相對(duì)高頻設(shè)備更具適應(yīng)性，測(cè)址精度更高。比測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。圖1高頻ADCP測(cè)流結(jié)果圖2低頻ADCP測(cè)流結(jié)果表1高頻ADCP與低頻ADCP比測(cè)數(shù)據(jù)水位流必”日期時(shí)間/m尚頓AMP低筍ADCP8月16H11：48：00127.824150.74395.991.2設(shè)備兼容性實(shí)驗(yàn)1.2.1硬件連接當(dāng)ADCP無(wú)法測(cè)得河

6、底深度并利用底跟蹤模式測(cè)得測(cè)船速度時(shí)，需要外接測(cè)深儀和GPS得到深度和速度數(shù)據(jù)。因此,驗(yàn)證ADCP與外接設(shè)備的通訊能力是十No.7.2014（TotalNo.42）分必要的，結(jié)合黑龍江省水文局現(xiàn)有設(shè)備，將高頻、低頻ADCP和GPS、測(cè)深儀設(shè)備分別進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊實(shí)驗(yàn)°數(shù)據(jù)通訊試驗(yàn)內(nèi)容包括數(shù)據(jù)傳輸和測(cè)辱精度2個(gè)方面。測(cè)流設(shè)備、GPS和測(cè)深儀分別通過(guò)RS232接口與電腦連接。試驗(yàn)以高頻ADCP和低頻ADCP為核心設(shè)備分兩組進(jìn)行，分別連接GPS設(shè)備和測(cè)深設(shè)備。GPS設(shè)備可以為RiverSurveyor程序（高頻ADCP設(shè)備測(cè)ht程序）和WinRiver程序（低頻ADCP測(cè)址程序）提供航線信息，

7、包括位骨、速度和時(shí)間等信息，程序可以計(jì)算出測(cè)船航行的速度和方向。測(cè)般程序具備連接外置GPS的功能，GPS設(shè)備可以與高頻ADCP和低頻ADCP設(shè)備協(xié)同工作。回聲測(cè)深儀可以為測(cè)ht程序提供水深數(shù)據(jù).程序中同樣具備外肯測(cè)深儀的連接功能。通過(guò)設(shè)置通訊參數(shù)，ADCP與GPS和測(cè)深儀可以進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊,數(shù)據(jù)格式滿足測(cè)流軟件計(jì)算要求。ADCP與GPS和測(cè)深儀設(shè)備連接參數(shù)見(jiàn)表2。表2ADCP與GPS和測(cè)深儀設(shè)備連接參數(shù)AMADCP修HADCPCPS設(shè)備焉洋設(shè)備GPS設(shè)備醐胞備RS232RS232KS232KS232傳曾裕式NMEAOI83NMU0I83NME.WIK3NMLW183M申GPCGA/(；mGIDB

8、TGPCCjVGPVIX；SDBT波特率4009600IIS200115200斜f鏢率IHinulibIHx通過(guò)連接試驗(yàn)，高頻ADCP和低頻ADCP均可以與兩種GPS設(shè)備和測(cè)深設(shè)備進(jìn)行通訊,GPS數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)發(fā)出，信號(hào)質(zhì)址穩(wěn)定，傳輸速度正常，可以為測(cè)量程序提供有效數(shù)據(jù)。在完成數(shù)據(jù)傳輸試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行測(cè)質(zhì)精度試驗(yàn).GPS設(shè)備可以提供3種測(cè)/模式分別提供導(dǎo)航模式，差分模式和RTK模式，即米級(jí)、分米級(jí)和厘米級(jí)精度。根據(jù)聲學(xué)多普勒流ht測(cè)驗(yàn)規(guī)范（SL337-2006）要求，外接GPS提供的數(shù)據(jù)精度不能低于差分精度.也就是說(shuō)差分模式和RTK模式的數(shù)據(jù)精度才能滿足ADCP測(cè)流要求。ADCP與GPS數(shù)據(jù)通訊

9、精度測(cè)試結(jié)果表3。表3ADCP與GPS數(shù)據(jù)通訊精度測(cè)試結(jié)果測(cè)毋模式高頻ADCP低頻ADCP裸卡GPS天寶GPS南方CPS徒卡CPS天寶GPS南方CPS導(dǎo)航模式（米級(jí)）不足不滿足不,足不漪足不滿足不滿足差分模式（分米級(jí)）滴足不滿足潢足漪足不清足潺足RTK模式（屋米圾）清足滿足滿足潢足滿足潸足由表3可知，導(dǎo)航模式下的數(shù)據(jù)精度不能滿足ADCP測(cè)流要求，天寶GPS不具備接收靜止衛(wèi)星差分信號(hào)的功能，同樣不能測(cè)流要求;彼卡和南方GPS的主機(jī)能夠接收靜止衛(wèi)星發(fā)送的差分信號(hào)，因此滿足測(cè)流要求,3個(gè)品牌GPS在RTK模式下的數(shù)據(jù)精度同樣可以滿足測(cè)流要求。1.3設(shè)備組合比測(cè)分析比測(cè)實(shí)驗(yàn)分兩組進(jìn)行，第一組是高頻AD

10、CP與天寶GPS連接，ADCP采用底跟蹤模式，GPS采用RTK模式；第二組是低頻ADCP與探卡GPS連接,ADCP采用底跟蹤模式,GPS采用差分模式。第一組實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4,第二組實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5,兩組比測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果見(jiàn)表6。表4高頻ADCP底跟蹤與外接GPS比測(cè)數(shù)據(jù)測(cè)次文件名稱開(kāi)始時(shí)閭-流量底跟蹤RTK模式差依hzlOO82416lO16:11:2137083900192hzl00824!62216:23：2136593781122hil00824l63416：35：253792387280hzl00824164616：46:513718383()112均值37193836117表5低頻ADCP

11、底跟蹤與彼卡差分模式比測(cè)數(shù)據(jù)測(cè)次文件名稱開(kāi)始時(shí)間燧跟蹤差分模式差僚I1KB200011:11:3430673344277IIKB200111：22：4431003402302HRB200211：37:2631593403244HRB2OO311:48:1730293350321均值30893375286表6兩組比測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果Zk的修正比例7Tm底跟蹤外接CPS第m371938361173.1%第二/a308933752869.3%通過(guò)比測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，通過(guò)外接GPS獲得船速能夠?qū)Υ嬖谧叩赚F(xiàn)象造成的流量數(shù)據(jù)偏小的情況能夠進(jìn)行修正。由于試驗(yàn)樣本數(shù)量不足，只能定性分析測(cè)流數(shù)據(jù)，不能得出確定具體修正

12、數(shù)據(jù)。因此還需要進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析。2結(jié)語(yǔ)結(jié)合高頻ADCP和低頻ADCP外接GPS比測(cè)試驗(yàn)的結(jié)果可以看出以下3點(diǎn)：1）在存在走底現(xiàn)象的測(cè)驗(yàn)斷面，高頻設(shè)備與低頻設(shè)備均會(huì)受到走底現(xiàn)象的干擾，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果偏小,但低頻設(shè)備對(duì)走低現(xiàn)象適應(yīng)性更好，在沒(méi)有其他設(shè)備輔助的情況下，可以選擇低頻設(shè)備減少測(cè)驗(yàn)誤差。2）外接GPS設(shè)備后，能夠?qū)y(cè)量結(jié)果進(jìn)行一定的修正，由于試驗(yàn)樣本數(shù)量不足，僅能進(jìn)行定性說(shuō)明可以修正。3）對(duì)于不同的水位基、水沙關(guān)系、水位流址關(guān)系和斷面沖淤情況，還需要進(jìn)行大量、詳細(xì)的比測(cè)試驗(yàn),才能夠準(zhǔn)確修正走底現(xiàn)在帶來(lái)的測(cè)量誤差，提高ADCP測(cè)驗(yàn)準(zhǔn)確性。參考文獻(xiàn)：1田淳.聲學(xué)多普勒測(cè)流原理及其應(yīng)用M.鄭州：黃河水利出版社,2003:36-39.2料貫中，蔣建英.陳望琴.走航式聲學(xué)多普勒流速儀流械測(cè)驗(yàn)過(guò)程控制方法M.北京：中國(guó)