ADCP测流原理及方法(一)

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声学多普勒流速剖面仪(ADCP)作为现代便捷有效的水文测量仪器,已经在国内得到了广泛的应用。作为ADCP从业者,我们水文小组的工程师们跟随国内用户从南到北跑遍了中国,已经在各种环境中进行了多次的测试和应用。ADCP虽然操作简单,但是因为载体的不同,操作方式的不同以及现场环境的不同,ADCP的使用变得更加复杂且更具灵活性。工作过程中,我们在美国地质调查局官网发现了这篇介绍详尽的《ADCP测量手册》。虽然发布时间是2013年,但其内容丰富,对各种环境下的操作规范有着比较详尽的介绍,因此特意将其翻译作为参考,并在海鹰加科公众号上进行连载。希望该手册能对国内水文工作者有一定的帮助,也希望在未来能够与更多的从业人士进行交流。


一、前言

美国地质调查局(U.S. Geological Survey,USGS)水资源部门旨在为美国水资源的智慧管理提供相关信息。所以,他们需要精确地采集水体的物理、化学和生物参数等数据。这些数据可以被USGS和其他政府科研机构用于环境和资源分析。所以,可靠且高质量的数据关系着USGS对水资源评估的可信性和公平性。

船载ADCP流量测验指导手册的使用和改进有着非常重要的意义,能够实现科学测量方法与使用过程的一致性,记录使用方法和步骤,并在整个过程中保持专业水准。USGS的水文测量者和水文学家可以使用这个手册来确保数据采集的质量,顺利完成他们的任务。

关于ADCP的新技术还在不断发展,有关使用经验也在不断积累,所以这份文件也可能会不断更新。我们建议用户登陆USGS官网来查看本文件的最新版本信息,以及最新的技术发展信息和ADCP用户指南。


二、摘要

船载ADCP测量是目前常用的测流方法。ADCP测流与传统的机械海流计测流是完全不同的。虽然现在ADCP是非常有效的测流仪器,但对操作技术有着一定的要求。本手册可以作为ADCP测流的指导手册,它基于USGS工作人员的经验、发表的报告、文章以及美国地质调查机构的文件等。手册包含了测流整个过程,从准备计划到现场采集,以及数据的后处理。同时,手册对目前的声学多普勒技术(2013)的优缺点进行了探讨。此外,附录解释了ADCP的工作原理和船载ADCP应用的各种环境。ADCP用户需要知道船载ADCP测流的正确操作步骤,以及这样做的根本原因,这样面对各种环境,用户都可以通过相应的调整来保证测量精度。

三、介绍

在过去的25年里,ADCP从一个主要在深水环境下(3.35米至更深)测量流速从而计算流量的仪器发展到可以在浅水环境中(0.3米)测量流速和流量的仪器(Christensen和Herrick,1982;Simpson 和Oltmann,1993;Oberg和Mueller,2007)。ADCP的发展证明了它是水文工作者和水文学家用来测量流量的有效工具,它可以减少计算流量的时间,同时它能测量传统方法所测不到的区域。这些仪器可以测量河流与河口的流量,在水动力模式下采集数据用来校准和验证工作,评估水生物的栖息环境,也可以用来研究水体沉积物。虽然ADCP的使用已经非常普及,但正确的设备连接、数据采集和数据处理等步骤也需要严格的按照标准执行。

(一)目的

本手册的目的是用来介绍使用船载ADCP测流所遵循的步骤。这些步骤包括测量前的准备,现场数据采集和数据处理。在附录里会详细的介绍ADCP的工作原理、流量计算过程以及其他相关内容。

(二)应用

对水文工作者和水文学家来说,水流测量中水流的不稳定、双向性,以及非对数流速水流等一直是多年的难题。动态流量的特性使传统测量的时间很长,至少需要一个小时才能完成。

在10分钟内受潮汐影响的流量可以发生100%以上的变化。此外,密度流引起的双向流动在受潮汐影响的地区很常见,并且越来越多地在淡水环境中观察到,在这些环境中,显着的温度梯度会导致密度流(Garcia和其他,2007)。几乎所有的单点流速计测流都假设水流在水平上标准对数分布。然而,因为风的影响以及浅水区复杂的底部影响,产生了非标准剖面。在河流和沿海领域引入ADCP,能够实现在水流不稳定、水流双向、非标准情况下的顺利测流,而且更加有效、更加精确。在大多数情况下,与传统手段相比,ADCP测量更加快速方便,而且因为ADCP比传统手段测量的水域更大,所以数据也更加精确。因其方便性,减少了使用者在桥上、船上或者水上的时间,提高了安全性。尤其当在水流变化剧烈的情况下,在线进行流速分析处理的时候(Morlock和其他,2002;Ruhl和Simpson,2005),测量时间的减少带来了极大的优势。ADCP可以对所测的流域进行分层显示,而传统的测量方法并不可以。除了测量水流,ADCP还也可以进行以下应用:

  • 可以测量速度场用于校准数字模型,水力学研究(比如大坝安全区域),以及生境评估;

  • 现场应急测流和辅助导航;

  • 水文测量中进行航道测深,用于建立流体力学和生境模型;

  • 通过声学后向散射(ABS)来估算含沙量。



现在,通过水声技术就可以为河湖应用提供数据,而这在20世纪90年代中期之前是无法获取的,或者采集成本很高且不切实际。

(三)仪器的讨论

ADCP利用声波来测量流速,使用的是比人耳能听到的频率更高的超声波。一般商用ADCP最低的频率为30kHz,一般河流应用的频率在300kHz和3000kHz之间。ADCP测流是基于Christian Johann Doppler(1842)发现的多普勒原理。多普勒原理表明源的频率变化与源和观察者之间的相对速度有关。ADCP利用多普勒原理,通过水体小颗粒和其他物质(一般为散射颗粒)的反射声信号进行计算。多普勒原理测得的声速与换能器发射信号和接受反射信号的方向平行。一般船载ADCP有三个或四个与垂向夹角20-30度的波束。三个波束可以得到一个三方向声速测量值。如果它有四个波束,可以增加测量信息量(附录A)。

使用船载系统的时候,换能器要安装在水下,方向朝下(图1)。在运动的船上测量到的流速是水流相对于船的速度。ADCP通过底跟踪或者GPS来计算船速。底跟踪技术通过测量水底反射声学信号的多普勒频移获得船速;因此,参照固定坐标的流速是由水流速度和船速进行计算的。

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图1 通过船载ADCP来测量流量的图示

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图2 不同的ADCP外观图

科技的进步让ADCP拥有了更多的结构和功能。目前(2013),ADCP经常按照不同的信号处理方式、声学频率、换能器类型、换能器个数,以及发射连接算法等来区分。通常的信号处理方式有两种,窄带和宽带技术。水声行业的窄带技术通常是用于脉冲对脉冲非相干型ADCP,然而窄带ADCP也能以脉冲对脉冲相干模式工作于浅水环境下。在窄带ADCP中,每个波束每次发射(ping)只有一个简单的脉冲被传输到水中,且多普勒频移发生在接收脉冲的持续过程中。这样的特性使设备本身非常容易操作,但是通过窄带技术测得的速度却有很大的噪声(相较来说随机误差更大)。窄带技术通过快速发射(可达70赫兹),在生成速度之前将数据平均处理来补偿较大的随机误差。宽带技术系统发射两个或多个同步声脉冲组成的ping,这些脉冲用伪随机代码进行了编码。这样的编码脉冲可以在单个发射下采集多组速度数据,因此减少了测量速度过程中的随机噪声。

河流型ADCP一般的工作频率为300kHz到3000kHz之间。到目前为止ADCP一般在固定频率下工作,但是从2008年开始ADCP已经发展到可以在多个频率下工作了。

大多数ADCP使用活塞式换能器。活塞式换能器需要将换能器设计在与垂线成一定角度的位置上。对于单频活塞式ADCP,至少需要3个换能器,目前市场上大多数的ADCP都拥有4个换能器。目前(2013),多频系统的不同频率的换能器需要分开,所以对一个活塞式双频系统来说,可能有8个换能器。

目前相控阵换能器技术已经被引入。相控阵的换能器由许多可在不同角度下生成多波束的元件组成,根据换能器设计而确定。因此只需要在ADCP底部安装一个相控阵换能器,就可以生产ADCP所需要的3条或者4条波束。

另一项2008年后的新技术为自动调节功能。在自动调节功能出现以前,开始测量之前需要提前设置,之后的整个剖面测量都采用这种设置。自动调节功能可以随着深度和流速的变化改变水跟踪和底跟踪算法来获取最佳的数据。这些可以更改的配置包括但不限于(1)层厚 (2)声学频率 (3)信号处理类型 (4)ping配置。


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白小禾
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