關(guān)于多普勒流速剖面儀幾項關(guān)鍵技術(shù)的說明

1、.關(guān)于多普勒流速剖面儀（ADCP）幾項關(guān)鍵技術(shù)的說明前言目前ADCP的幾項關(guān)鍵技術(shù)如：1) 換能器的個數(shù)2) 信號處理技術(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用于定點點測速等分別做了說明，其目的在于使用戶正確認(rèn)識各廠家的多普勒流速剖面儀在關(guān)鍵技術(shù)方面的差異，正確選擇高性價比的產(chǎn)品。一、 關(guān)于四波束和三波束的比較美國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波束就可以測量三維流速，但是采用四個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：1. 即使因為某種原因（例如：水中雜物，游魚，水下結(jié)構(gòu)物等），四個波束中某一波束或者某一波束的某一單元失去信號或者信號不好，其它三個波束仍然能夠提供有效數(shù)據(jù)。因而流速測量的可靠性和靈活性大為提高。2. 采用四個波束測量，增加了測量信息量，使流速測量的短期精度比采用三波束提高約25%。3. 由于四波束的對稱性，能夠有效地消除船只搖擺引起的流速測量誤差。當(dāng)然，四波束ADCP的造價要比三波束高。這也是TRDI公司的ADCP比其它廠家的價格略高的原因之一。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發(fā)射、接收和處理方法。窄帶的聲信號發(fā)射、接收和處理方法是：對于每一個流速測量，儀器發(fā)射一個單獨的,相對講較長的脈沖聲波，然后接收水體中懸浮物對這個脈沖的回波信號，并記錄發(fā)射波與回波之間的頻率改變。這個頻率改變即為多普勒頻移，用來計算水體的速度。寬帶ADCP的聲信號發(fā)射、接收和處理方法是：對于每一個流速測量，ADCP發(fā)射兩組或更多組編碼脈沖波，利用ADCP測量脈沖波組之間的相關(guān)系數(shù)及相位差來計算

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)字信號處理技術(shù)。雖然窄帶處理技術(shù)在當(dāng)時是測流領(lǐng)域的一大革新，但由于窄帶ADCP流速測量短期誤差較大，流速測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公司也因此在美國獲得了寬帶聲信號發(fā)射、接收和處理方法的專利，專利號為：BroadBand ADCP US Patent # 35,535BroadBand Transducer US Pate

5、nt # 5,343,443因為是專利，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發(fā)射、接收和處理方法。寬帶信號處理技術(shù)與窄帶比較有如下優(yōu)點：（1）寬帶ADCP流速測量短期精度比窄帶儀器高四倍左右(可以實現(xiàn)較快走航測量)（2）寬帶ADCP流速測量的時間分辨率（或走航測量時的水平空間分辨率）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）各儀器的流速測量精度及測量數(shù)據(jù)最大輸出速率：流速測量精度數(shù)據(jù)最大輸出速率數(shù)據(jù)個數(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度、單元個數(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。對于窄帶，最小和最大剖面深度的矛盾特別突出。這是因為窄帶儀器盲區(qū)較大、且垂向空間分辨率較低的緣故。而對于寬帶ADCP，最小和最大剖面深

7、度的矛盾較小。這是因為寬帶ADCP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個單元，高分辨率模式垂向可達(dá)256個單元，而窄帶垂向只能達(dá)到100個單元。（5）寬帶ADCP對水深和含沙量季節(jié)性變化的適應(yīng)性較好。窄帶儀器對于水深和含沙量季節(jié)性變化的適應(yīng)性很差。因為窄帶儀器盲區(qū)大、垂向空間分辨率低。在枯水期水較淺時，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，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/流量測量。國內(nèi)幾個窄帶儀器的用戶即遇到了這個問題。解決的辦法只能是購買兩臺窄帶儀器：一臺較高頻

8、率的用于枯水期;另一臺較低頻率的用于洪水期。這必然增加費用。寬帶ADCP對水深和含沙量季節(jié)性變化的適應(yīng)性較好。因為寬帶ADCP（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量范圍小，剖面深度小，但流速測量精度非常高。其流速測量短期精度可達(dá)1個毫米秒的量級。因此，當(dāng)流速很低，僅為幾個厘米秒的情況下，采用淺水

9、高精度模式效果特別好。我們曾在太湖流域某河流采用ADCP淺水高精度模式進(jìn)行了流速和流量測量。當(dāng)時測流斷面約一半部分流速僅為13cm/s。測量效果很好(見下圖)。太湖流域某河流采用ADCP淺水高精度模式流速、流量測量實例必須指出的是，只需要一個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量結(jié)果，而必須采用高精度模式。事實上，所謂一個工作模式與TRDI公司寬帶ADCP標(biāo)準(zhǔn)模式是相對應(yīng)的。它并不包含在低流速情況下精確測量的能力。國內(nèi)幾個窄帶的用戶普遍反映

10、，在走航測量時，當(dāng)流速為10 cm/s左右時（流速還并不算很低?。瓗x器流速測量精度已經(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，對于淺水高精度模式所能夠解決的低流速測量問題，窄帶儀器的所謂一個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的性能和價值。四、 美國TRDI公司ADCP “零盲區(qū)”技術(shù)簡介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。“零盲區(qū)”已作為“瑞江”1200 kHz 河流ADCP 的標(biāo)準(zhǔn)配置。型號為WHRZ1200?！傲忝^(qū)”ADCP已經(jīng)在美國和歐洲進(jìn)行了試驗。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。在實際應(yīng)用中，盲區(qū)應(yīng)設(shè)定為2至5厘米。因為在換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結(jié)果?！叭鸾?200 kHz ADCP （“零盲區(qū)”）安裝在一無動力小船上。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定點測速方面的應(yīng)用ADCP固定測速到在移動過程中進(jìn)行流量測量這是流量測驗技術(shù)的一次革命，但是由于冰期河流封凍以及有流動底（即有推移質(zhì)發(fā)生時）而又沒有配高精度GPS時，就需要改變ADCP的使用方式，即只使用ADCP的水跟蹤和測深功能，在固定點用ADCP測出垂線或各點的流速，計算得到部分平均流速；利用ADCP測到的水深和輸入其它方法獲得的間距計算得到部分面積；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。要想實現(xiàn)定點流量測驗，使用軟件或人工做簡單的計算就

13、可實現(xiàn)。TRDI的走航式ADCP及StreamPro ADCP都可以輕而易舉的實現(xiàn)定點流量測驗。StreamPro ADCP及走航式ADCP用于冰期的定點流量測驗總之寬帶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)行過同時和不同時得比測試驗，實測結(jié)果和前面的結(jié)論是一致的。附件1：TRDI的寬帶ADCP實測流量的界面圖（流速分布和實際特別接近）附件2：美國海洋氣象局進(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（三個橋孔）測流界面(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（三個橋孔）測流界面（非常接近實際）附件4：廣西流速極底的天峨站4次測流的偏差系數(shù)僅為2%附件5:黑龍江省哈爾濱的比測情況附件6:1200k寬帶聲學(xué)多普勒流速剖面儀(ADCP)技術(shù)指標(biāo)品牌/型號軟/硬件配置技術(shù)指標(biāo)及說明美國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、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(中文)11.高速雙工數(shù)傳電臺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.包裝箱一個測速范圍（寬帶專利技術(shù)） 0±3m/s (缺省)0