ADCP基本原理及应用
佘亮亮1,2，谢悦波1,2，
1河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京 (210098)；
2河海大学水文水资源学院，南京 (210098）
E-mail：lianglshe@163.com
摘要：多普勒测流仪(ADCP)是当前在水文行业推广的一种新型测流仪器，该仪器利用声学多普勒原理，测量水流速度剖面，具有测验时间短、分辨率高、精度好、资料完整、信息量大等优点。本文详细介绍了多普勒测流仪测流的基本原理，通过实例，比较它与传统流速仪的测量结果，并分析误差的来源和合理性，说明其在感潮河段测流测验中，表现出速度快、精度高、省时省力，较传统流速仪所不可比拟的优越性，因此在复杂的长江河口地区应大力推广该技术，加快实现水文水利现代化。
关键词：ADCP，原理，优越性
中图分类号：P33
1. 引言
声学多普勒流速剖面仪（Acoustic Doppler Current Profiler）（图1）的英文缩写为ADCP，它是近十多年才发展和应用的一种快速、经济、有效的高精度测流仪器。该仪器自20世纪90年代初被引进我国，至今已在我国的河流、湖泊、海洋等的水体流量测验中广泛应用，特别是在潮汐河段的水文测验中应用较多。
图1 声学多普勒流速剖面仪
2. 声学多普勒原理与方法简介
ADCP安装在特制的船上（图2），每个ADCP配有4个换能器（图3），换能器与ADCP 轴线成一定夹角，每个换能器既是发射器又是接收器。换能器发射的声波能集中于较窄的范围内，也称为声束。换能器发射固定频率的声波，然后聆听被水体中颗粒物散射回来的声波。假定颗粒物的运动速度和水体流速相同，当颗粒物的运动方向接近换能器时，换能器聆听到的回波频率比发射波的频率高；当颗粒物的运动方向背离换能器时，换能器聆听到的回波频率比发射波的频率低。声学多普勒频移，即发射声波频率与回波频率之差由下式确定：
2 D S V
F F
C
=
式中：D F 为声学多普勒频移，S F 为发射声波频率，V 为颗粒物沿声束方向的移动速度，C 为声波在水中的传播速度，2为系数。ADCP 既能发射声波又能接受回波，因此多普勒频移加倍[1]。
图2 装载ADCP 的特制船只
图3 四声束ADCP 换能器分布及编号示意图
ADCP 基于如下公式计算流量：
()()
00T d t f b Q V V k dzdt =×?∫∫ 式中：t Q 为对应于测验起点与终点之间的流量，不包括岸边非实测区的流量；f V 为测船航迹断面某微元处流速矢量；dz 为垂向微元长度；dt 为时间微元；b V 为测船速度矢量；T 为测船从测验起点至终点的航行时间；d 为水深；k 为垂向坐标单位矢量。
ADCP 每个换能器轴线即为1个声束坐标，每个换能器测量的流速是水流沿其声束坐标方向的速度，任意3个换能器轴线即组成一组相互独立的空间声束坐标。此外，ADCP 自身定义有直角坐标系:X-Y-Z 。Z 方向与ADCP 轴线方向一致。ADCP 首先测出沿每一声束坐标的流速分量，然后利用声束坐标与X-Y-Z 坐标之间的转换关系，将声束坐标系下的流速转换为X-Y-Z 坐标系下的三维流速，再利用罗盘和倾斜仪提供的方向、倾斜数据将X-Y-Z 坐标系下的流速转换为地球坐标系下的流速[2]。而利用四个波束测量，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了25％，其对称性，能够有效地消除由于船只横摇和纵摆引起的流速测量误差。
图4 ADCP原理流程图
3. 与传统测流方法的比较
3.1相同点
从理论上讲，ADCP流量测验原理与传统的人工船测、桥测、缆道测量和涉水测量的基本原理一样，都是在测流断面上布设多条测速垂线，在每条测速垂线处测量水深并测量多点的流速，经计算得到垂线平均流速。
3.2不同点
两者的主要区别在于：①传统流速仪是静态方法，流速仪固定于水中不同深度逐点施测（一般采用三点法或五点法，一个点100s，按公式求出测点流速，再求出垂线流速）。而ADCP方法是动态方法，其在随测船移动过程中持续发射脉冲波进行测量。②传统测量法中“垂线”的条数有限，一般一个河流断面只布设多条垂线，而每条垂线一般测出1～5个不同深度点上的流速。但ADCP在移动过程中所测的垂线可以是非常多的条数。在每条“垂线”上根据设置不同厚度的深度单元，相应测到几十个甚至上百个不同深度点的流速值。通过软件将各个深度单元的流速数据组合成流速剖面，进而计算处理得出测流断面的过水流量。③传统方法的测流断面通常要求垂直于河岸，而用ADCP方法则无任何限制。船只航行的轨迹可以是随机的斜线或曲线，加大了工作避让的机动性和灵活程度。④传统测量法中的流速仪要求平稳入水，避开风浪和循序渐进施测。ADCP则利用罗盘提供的方向、倾斜计提供的纵摇和横摇数据，将ADCP坐标下的流速分量转换成地球坐标下的流速分量东向、北向和垂向分量，在较大风浪情况下，不受船只航行前进后退及左右晃动的影响而稳定作业。简化了测流操作的复杂程序，确保了数据的可靠性和施测工作的连续性。⑤传统测量法中的测量水深受仪器设备条件制约，最大量程有限，而ADCP方法测量剖面深度范围可达180m，流速范围在0～±20m/s，其适用范围更加广泛[2]。
图5 ADCP走航测量示意图
3.3优点
①测量速度快，可以进行断面准同步测量。②可以体现三维流速流向情况。③能自动消除各种外界因素的影响，还具有对数据资料进行评判的能力。对测量数据质量进行鉴别，避免不合理数据参与数据处理，而影响测量数据精度的现象出现[3]。④ADCP利用声波作为传感器，不但操作方便快速，而且测量时不干扰水流，可以直接测量流速断面，适合各种环境测量。该仪器的投入，使用可减轻人工测流强度，增加测流人员的安全性，具有测量精度高、快速、高效、省时、省力等优点。⑤ADCP能够在测量流速剖面的同时测量悬浮物浓度剖面，是研究泥沙迁移规律，计算输沙率的十分有效的工具。⑥ADCP可以施测出卵石（且主河槽卵石较大）河床中卵石间的过隙流量，这是用流速仪等传统测流仪器无法达到的，因而也使其测验成果更加精确[4]。
3.4局限性
①ADCP测流速度快，效率高，一般情况下要以2次来回测量的平均值作为最后的测量成果。由于4次测量的路线不一定相同，并且不一定在要求的断面上，这就给要求严格的测验资料统计带来了麻烦。例如过水断面面积、水面宽、最大水深和最大流速等水文要素的表示。这就需要解决ADCP测验成果和传统的测验的衔接问题。②河底走沙条件下，ADCP 的底跟踪失效，使测得的船速失真，导致流量测验不准确。③在高含沙量区域，回波强度衰减快，使底跟踪和水深测量失效，导致测流失败。④ADCP存在盲区（图6），用于插补盲区（表层、底层和左右岸非实测区）的指数流速分布公式对测流精度的影响还有待检验。
图6 ADCP实测区、非实测区、微断面及单元示意
4. 实例
为了验收仪器的可靠性，判断是否符合合同的要求，2006年11月在长江下游某段和某抽水站进行了两次试验。所购仪器为美国RDI公司生产的骏马系列瑞江牌1200kHz河流直读式ADCP，根据说明，该型号仪器采用零盲区技术和宽带信号处理专利技术，最小底跟踪深度为0.3m，有10Hz、20Hz、和40Hz三种可选频率。同时具有标准工作模式和浅水低流速工作模式，在保证精度的前提下，测量剖面深度范围从0.3～20m，分辨率高，垂直方向标准模式下多达128个测点,高精度模式下多达255个测点，提高了流速测量的空间和时间分辨率,对较高含沙量河流适用性较好。
试验所选的两处地址具有很明显的特征，长江下游段为潮汐河流，水流方向紊乱，而后者在其水流方向稳定段测流。试验采用了软和硬两种连接方式以及标准工作模式和浅水低流速工作模式，来回共4次测验。长江下游河段采用了图2所示的特殊船只，用很长的绳索连接到铁质牵引船上，减小其对光纤罗经的影响。由于长江的水速较大，若船速和此相当，将会被冲向下游，因此船速略大于水流的速度。ADCP采用标准工作模式，频率设为40Hz。在抽水站采用的是硬性连接方式，把ADCP装在一个特制的木桶内，然后把木桶固定在木船上，用人工的方式使船前进。试验时抽水站水泵没有工作，采用浅水低流速工作模式。
与流速仪比测结果表明，两次测验均在允许的误差范围内。前者自测变差系数为0.9％，与流速仪相比相差4.5％；后者自测变差系数为0.7％，与流速仪相比相差2.3％，根据《声学多普勒流速仪测流规范》，均符合规范要求。
5. 误差分析
根据结果分析，前者ADCP结果小于流速仪的结果，而后者要大于流速仪的结果。虽然仪器采用了零盲区技术，最小的底跟踪深度为0.3m，而两边有较宽的浅滩，无法正常施测，如图6所示，即岸边盲区，所以结果要略小于流速仪。后者施测段为混凝土浇注的规则河槽，由于是第一次试验测量，没能选择到合适的参数，使测量结果偏大，因此，要多试验几次，选择到合适的参数之后不要随便改动，除非测量环境发生变化。
作业船速是影响流量测验精度的重要因素，船速较低，流量测验误差越小，即在测流过程中应根据河流流速状况，控制适宜船速，确保测验精度和安全。从上面结果可以看出，由于在长江测流时船速大于水速，而抽水站测验时的船速和水速相当，后者的精度要高于前者。因此，测流时要使船速尽可能地小。
此外，水中含沙对“底跟踪”的影响、铁质船对罗经的影响等都会影响ADCP正常工作，长江的工作环境比抽水站差，所以精度也就差一些。要保持仪器水下埋深波动不大，采用硬性连接时，由于船体的上下晃动，埋深有较大的变化，造成较大的测量结果变化。最佳方式是采用软性连接，能较好地解决这一缺陷。
6. 结语
①在合适含沙量范围内，河道水流在无漂浮物或漂浮物对走航式ADCP载体无较大碰撞影响的畅流期情况下，进行流量测验能获得较好的精度。同时ADCP测量具有费时少，效率高，操作安全等优点。②对含沙量较大河流流量的测量，在有条件的情况下，可以尝试用精度较高的GPS和回声测深仪与ADCP配套使用，以便能扩大使用范围。③ADCP加快了水文现代化的步伐，为今后广泛应用ADCP进行水文测验奠定了良好的基础，在像长江
口这样面积宽广、情况复杂的区域进行较大规模的水文测量，采用ADCP技术具有许多传统测量方法无法比拟的优势，还能为防汛抗旱，合理开发利用，管理水资源和保护水环境发挥了重要作用。
参考文献
[1]田淳,刘少华.声学多普勒测流原理及其应用[M].黄河水利出版社.2003年12月.
[2]谢波,田岳明,叶建红,吴建荣.ADCP河流流量测验及其误差分析水资源研究[J].2007年12月第28卷第4
期.
[3]陈琳,陆欣华.ADCP测量技术在长江口深水航道治理工程中的应用[J].水运工程.2000年12月第12期.
[4]王丁坤,席占平,刘月.ADCP在小浪底水文站流量测验中的可行性研究[J].人民黄河.2005年8月第27卷第8期.
Fundmental principle and Application of ADCP
She Liangliang, Xie Yuebo
1. State Key Laboratory of Hydrology-Water and Hydraulic Eng., Hohai Univ., Nanjing (210098)
2. College of Hydrology and Water Resources, Hohai Univ., Nanjing (210098)
Abstract
Acoustic Doppler Current Profilers (ADCP) is a new kind of flow measuring device widely used in hydrometry. It uses the principle of Acoustic Doppler instruments to measure flow velocity profile. A short time flow measurement, high resolution, good accuracy, integrity data and great information are the characters of ADCP. This paper introduces the fundamental principle of it, analyses the source of errors and rationality by comparing with the result of the traditional instrument by example, and shows its advantages of fast speed, high resolution, time-saving and less labor in the tidal river flow measurement. It should be extended in Yangtze River estuary areas in order to update hydrological and water resources modernization.
Keywords: ADCP, principle, superiority