關(guān)于多普勒流速剖面儀幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的說明

1、.關(guān)于多普勒流速剖面儀（ADCP）幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的說明前言目前ADCP的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)如：1) 換能器的個(gè)數(shù)2) 信號(hào)處理技術(shù)3) 工作模式4) 零盲區(qū)技術(shù)為了使用戶更清楚地了解先進(jìn)的關(guān)鍵技術(shù)，我們專門就“三波束與四波束”、“寬帶與窄帶”和“單一模式與多模式” 、“零盲區(qū)技術(shù)” 等問題以及ADCP用于定點(diǎn)點(diǎn)測(cè)速等分別做了說明，其目的在于使用戶正確認(rèn)識(shí)各廠家的多普勒流速剖面儀在關(guān)鍵技術(shù)方面的差異，正確選擇高性價(jià)比的產(chǎn)品。一、 關(guān)于四波束和三波束的比較美國(guó)TRDI公司生產(chǎn)的多普勒流速剖面儀(ADCP)采用四波束換能器，而有的廠家的多普勒流速剖面儀采用三波束換能器。那末是四波束好還是三波束好？應(yīng)該說，從

2、原理上說，多普勒流速剖面儀只要有三個(gè)波束就可以測(cè)量三維流速，但是采用四個(gè)波束的的性能大大優(yōu)于于三波束。以下是四波束ADCP的主要優(yōu)點(diǎn)：1. 即使因?yàn)槟撤N原因（例如：水中雜物，游魚，水下結(jié)構(gòu)物等），四個(gè)波束中某一波束或者某一波束的某一單元失去信號(hào)或者信號(hào)不好，其它三個(gè)波束仍然能夠提供有效數(shù)據(jù)。因而流速測(cè)量的可靠性和靈活性大為提高。2. 采用四個(gè)波束測(cè)量，增加了測(cè)量信息量，使流速測(cè)量的短期精度比采用三波束提高約25%。3. 由于四波束的對(duì)稱性，能夠有效地消除船只搖擺引起的流速測(cè)量誤差。當(dāng)然，四波束ADCP的造價(jià)要比三波束高。這也是TRDI公司的ADCP比其它廠家的價(jià)格略高的原因之一。總之，四波束A

3、DCP的可靠性和工作性能都比三波束要好。二、 寬帶ADCP與窄帶儀器的比較目前在海洋和河流流速、流量測(cè)量中采用的ADCP主要有兩種：寬帶ADCP和窄帶儀器。寬帶ADCP與窄帶的區(qū)別在于它們采用不同的聲信號(hào)發(fā)射、接收和處理方法。窄帶的聲信號(hào)發(fā)射、接收和處理方法是：對(duì)于每一個(gè)流速測(cè)量，儀器發(fā)射一個(gè)單獨(dú)的,相對(duì)講較長(zhǎng)的脈沖聲波，然后接收水體中懸浮物對(duì)這個(gè)脈沖的回波信號(hào)，并記錄發(fā)射波與回波之間的頻率改變。這個(gè)頻率改變即為多普勒頻移，用來計(jì)算水體的速度。寬帶ADCP的聲信號(hào)發(fā)射、接收和處理方法是：對(duì)于每一個(gè)流速測(cè)量，ADCP發(fā)射兩組或更多組編碼脈沖波，利用ADCP測(cè)量脈沖波組之間的相關(guān)系數(shù)及相位差來計(jì)算

4、多普勒頻移。TRDI公司第一代ADCP（1981年至1990年）采用的是窄帶數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)。雖然窄帶處理技術(shù)在當(dāng)時(shí)是測(cè)流領(lǐng)域的一大革新，但由于窄帶ADCP流速測(cè)量短期誤差較大，流速測(cè)量在垂向和水平方向的分辨率較低，不能滿足用戶的需要，因此1991年，TRDI公司又開發(fā)出它的第二代產(chǎn)品：即寬帶ADCP。寬帶ADCP短期誤差小,其空間和時(shí)間分辨率較高。寬帶ADCP的誕生是ADCP技術(shù)發(fā)展的重要里程。TRDI公司也因此在美國(guó)獲得了寬帶聲信號(hào)發(fā)射、接收和處理方法的專利，專利號(hào)為：BroadBand ADCP US Patent # 35,535BroadBand Transducer US Pate

5、nt # 5,343,443因?yàn)槭菍＠?，只有TRDI公司能夠生產(chǎn)寬帶ADCP,其它廠家只能仍然采用窄帶聲信號(hào)發(fā)射、接收和處理方法。寬帶信號(hào)處理技術(shù)與窄帶比較有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）寬帶ADCP流速測(cè)量短期精度比窄帶儀器高四倍左右(可以實(shí)現(xiàn)較快走航測(cè)量)（2）寬帶ADCP流速測(cè)量的時(shí)間分辨率（或走航測(cè)量時(shí)的水平空間分辨率）比窄帶高近10倍左右。系統(tǒng)頻率(kHz)深度單元長(zhǎng)度(m)單脈沖標(biāo)準(zhǔn)差(cm/s)寬帶窄帶12000.2611.776.9（3）各儀器的流速測(cè)量精度及測(cè)量數(shù)據(jù)最大輸出速率：流速測(cè)量精度數(shù)據(jù)最大輸出速率數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)/秒RDI寬帶（ADCP）SonTek窄帶（ADP）RDI寬帶（ADCP）S

6、onTek窄帶（ADP）±0.25% ±0.25cm/s±1% ±0.5cm/s1.5（模式1）3-13（模式12）0.2注：數(shù)據(jù)最大輸出速率取決于單元長(zhǎng)度、單元個(gè)數(shù)。（4）寬帶ADCP盲區(qū)較小、垂向空間分辨率較高。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與系統(tǒng)頻率有關(guān)，且互相矛盾。通常系統(tǒng)頻率越高，最小剖面深度越小，但最大剖面深度也越小。系統(tǒng)頻率越低，最大剖面深度越大，但最小剖面深度也越大。對(duì)于窄帶，最小和最大剖面深度的矛盾特別突出。這是因?yàn)檎瓗x器盲區(qū)較大、且垂向空間分辨率較低的緣故。而對(duì)于寬帶ADCP，最小和最大剖面深

7、度的矛盾較小。這是因?yàn)閷拵DCP盲區(qū)較小、且垂向空間分辨率較高，常規(guī)模式垂向可達(dá)128個(gè)單元，高分辨率模式垂向可達(dá)256個(gè)單元，而窄帶垂向只能達(dá)到100個(gè)單元。（5）寬帶ADCP對(duì)水深和含沙量季節(jié)性變化的適應(yīng)性較好。窄帶儀器對(duì)于水深和含沙量季節(jié)性變化的適應(yīng)性很差。因?yàn)檎瓗x器盲區(qū)大、垂向空間分辨率低。在枯水期水較淺時(shí)，只能采用較高頻率的窄帶儀器。而當(dāng)洪水期水深較大、含沙量較高時(shí)，較高頻率的窄帶儀器不能達(dá)到河底，只能采用較低頻率的窄帶儀器。這樣，同一臺(tái)窄帶儀器不能兼顧同一條河流的枯水期和洪水期的流速/流量測(cè)量。國(guó)內(nèi)幾個(gè)窄帶儀器的用戶即遇到了這個(gè)問題。解決的辦法只能是購買兩臺(tái)窄帶儀器：一臺(tái)較高頻

8、率的用于枯水期;另一臺(tái)較低頻率的用于洪水期。這必然增加費(fèi)用。寬帶ADCP對(duì)水深和含沙量季節(jié)性變化的適應(yīng)性較好。因?yàn)閷拵DCP（即使是低頻系統(tǒng)）盲區(qū)較小、垂向空間分辨率分辨率較高。因此較低頻率的寬帶ADCP即適用于枯水期水較淺的情況，也適用于洪水期水深較大、含沙量較高的情況。三、 關(guān)于ADCP工作模式的比較美國(guó)TRDI公司生產(chǎn)的ADCP的標(biāo)準(zhǔn)配置包括兩種工作模式：標(biāo)準(zhǔn)模式和淺水高精度模式。標(biāo)準(zhǔn)模式流速測(cè)量范圍大，剖面深度大。應(yīng)用于大多數(shù)情況。淺水高精度模式流速測(cè)量范圍小，剖面深度小，但流速測(cè)量精度非常高。其流速測(cè)量短期精度可達(dá)1個(gè)毫米秒的量級(jí)。因此，當(dāng)流速很低，僅為幾個(gè)厘米秒的情況下，采用淺水

9、高精度模式效果特別好。我們?cè)谔饔蚰澈恿鞑捎肁DCP淺水高精度模式進(jìn)行了流速和流量測(cè)量。當(dāng)時(shí)測(cè)流斷面約一半部分流速僅為13cm/s。測(cè)量效果很好(見下圖)。太湖流域某河流采用ADCP淺水高精度模式流速、流量測(cè)量實(shí)例必須指出的是，只需要一個(gè)工作模式就夠了的說法是不恰當(dāng)?shù)?。用戶可以提這樣的問題：在13cm/s的流速情況下，窄帶儀器能夠得到精確的測(cè)量結(jié)果嗎？別說窄帶儀器，就是寬帶ADCP標(biāo)準(zhǔn)模式也不能在這樣低的流速情況下得到精確的測(cè)量結(jié)果，而必須采用高精度模式。事實(shí)上，所謂一個(gè)工作模式與TRDI公司寬帶ADCP標(biāo)準(zhǔn)模式是相對(duì)應(yīng)的。它并不包含在低流速情況下精確測(cè)量的能力。國(guó)內(nèi)幾個(gè)窄帶的用戶普遍反映

10、，在走航測(cè)量時(shí)，當(dāng)流速為10 cm/s左右時(shí)（流速還并不算很低?。?，窄帶儀器流速測(cè)量精度已經(jīng)很差，流速矢量沿航跡的分布很亂，呈“狼牙棒”狀。這是由于窄帶儀器短期精度低，遠(yuǎn)低于寬帶ADCP的緣故。因此，對(duì)于淺水高精度模式所能夠解決的低流速測(cè)量問題，窄帶儀器的所謂一個(gè)工作模式并不能解決。TRDI公司的ADCP包括兩種工作模式顯然提高了ADCP的性能和價(jià)值。四、 美國(guó)TRDI公司ADCP “零盲區(qū)”技術(shù)簡(jiǎn)介ADCP的盲區(qū)是由于換能器發(fā)射聲波脈沖后的余震不能立即消除，使靠近換能器附近的回波信號(hào)受到余震干擾引起的。盲區(qū)的存在限制了ADCP在極淺水深條件下的應(yīng)用。TRDI公司開發(fā)了一種新技術(shù)，使換能器發(fā)射

11、聲波脈沖后的余震能夠立即消除。因此使盲區(qū)減小到零。這種“零盲區(qū)”技術(shù)首先應(yīng)用于“瑞江”1200 kHz 河流ADCP?！傲忝^(qū)”已作為“瑞江”1200 kHz 河流ADCP 的標(biāo)準(zhǔn)配置。型號(hào)為WHRZ1200?！傲忝^(qū)”ADCP已經(jīng)在美國(guó)和歐洲進(jìn)行了試驗(yàn)。達(dá)到預(yù)期的效果。需要指出的是，盡管在聲學(xué)技術(shù)上盲區(qū)可以為零。在實(shí)際應(yīng)用中，盲區(qū)應(yīng)設(shè)定為2至5厘米。因?yàn)樵趽Q能器附近水流受到干擾，流速數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。下圖顯示了在歐洲的一次試驗(yàn)結(jié)果?！叭鸾?200 kHz ADCP （“零盲區(qū)”）安裝在一無動(dòng)力小船上。小船系在纜道上。小船上配有電池盒和無線電發(fā)射機(jī)。ADCP與電腦之間通過無線電通訊。盲區(qū)設(shè)定為2厘

12、米，單元設(shè)定為5厘，由水深剖面圖可以看到，水深范圍僅為0.37至 0.57 米，從0.15米水深處開始采集數(shù)據(jù)。五、ADCP定點(diǎn)測(cè)速方面的應(yīng)用ADCP固定測(cè)速到在移動(dòng)過程中進(jìn)行流量測(cè)量這是流量測(cè)驗(yàn)技術(shù)的一次革命，但是由于冰期河流封凍以及有流動(dòng)底（即有推移質(zhì)發(fā)生時(shí)）而又沒有配高精度GPS時(shí)，就需要改變ADCP的使用方式，即只使用ADCP的水跟蹤和測(cè)深功能，在固定點(diǎn)用ADCP測(cè)出垂線或各點(diǎn)的流速，計(jì)算得到部分平均流速；利用ADCP測(cè)到的水深和輸入其它方法獲得的間距計(jì)算得到部分面積；部分平均流速與部分面積相乘即得到部分流量，部分流量之和即為斷面流量。要想實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)流量測(cè)驗(yàn)，使用軟件或人工做簡(jiǎn)單的計(jì)算就

13、可實(shí)現(xiàn)。TRDI的走航式ADCP及StreamPro ADCP都可以輕而易舉的實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)流量測(cè)驗(yàn)。StreamPro ADCP及走航式ADCP用于冰期的定點(diǎn)流量測(cè)驗(yàn)總之寬帶ADCP與窄帶儀器分別在黃委的小浪底水位站、甘肅的鶯落峽水文站、河南省的淮濱水文站、廣西的陽朔、桂林、平樂及梧州水文站、長(zhǎng)委的的北培水文站、上海的松浦大橋水文站、浦東新區(qū)的張家浜水文站、黑龍江哈爾濱水文站等省市的水文站進(jìn)行過同時(shí)和不同時(shí)得比測(cè)試驗(yàn)，實(shí)測(cè)結(jié)果和前面的結(jié)論是一致的。附件1：TRDI的寬帶ADCP實(shí)測(cè)流量的界面圖（流速分布和實(shí)際特別接近）附件2：美國(guó)海洋氣象局進(jìn)行的TRDI的ADCP與SonTek的ADP比側(cè)（寬帶的

14、ADCP精度高于窄帶的ADP）巴蒙總干渠大橋斷面（三個(gè)橋孔）測(cè)流界面(往返)(2003.10.28)附件3：TRDI的ADCP在內(nèi)蒙古的巴蒙總干渠大橋斷面（三個(gè)橋孔）測(cè)流界面（非常接近實(shí)際）附件4：廣西流速極底的天峨站4次測(cè)流的偏差系數(shù)僅為2%附件5:黑龍江省哈爾濱的比測(cè)情況附件6:1200k寬帶聲學(xué)多普勒流速剖面儀(ADCP)技術(shù)指標(biāo)品牌/型號(hào)軟/硬件配置技術(shù)指標(biāo)及說明美國(guó)RDI公司寬帶零盲區(qū) ADCP/WHRZ1200- 1. 1200KHz四聲束聲學(xué)換能器2. 內(nèi)置羅盤、傾斜計(jì)、溫度傳感器3. 具有底跟蹤功能4. 10米數(shù)據(jù)電源電纜5. RS232C標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)通訊接口6. 中文WinRiver測(cè)流軟件 7. 外形尺寸：重7公斤直徑23 cm高20cm8 .一套說明書9.一套系統(tǒng)光盤10.WinRiver軟件操作手冊(cè)(中文)11.高速雙工數(shù)傳電臺(tái)2部12.三體船一套13.專用防水連接電纜一套14.變換接口一只15.車用借電電纜一根16.專用工具兩套17.備品備件一套18.包裝箱一個(gè)測(cè)速范圍（寬帶專利技術(shù)） 0±3m/s (缺省)0