1、 n目前在海洋和河流流速、流量测量中采用的目前在海洋和河流流速、流量测量中采用的ADCP主要有主要有两种：宽带两种：宽带ADCP和窄带仪器。和窄带仪器。n宽带宽带ADCP与窄带的区别在于它们采用不同的声信号发射、与窄带的区别在于它们采用不同的声信号发射、接收和处理方法。窄带的声信号发射、接收和处理方法是：接收和处理方法。窄带的声信号发射、接收和处理方法是：对于每一个流速测量，仪器发射一个单独的对于每一个流速测量，仪器发射一个单独的,相对讲较长的相对讲较长的脉冲声波，然后接收水体中悬浮物对这个脉冲的回波信号，脉冲声波，然后接收水体中悬浮物对这个脉冲的回波信号，并记录发射波与回波之间的频率改变。这
2、个频率改变即为并记录发射波与回波之间的频率改变。这个频率改变即为多普勒频移，用来计算水体的速度。宽带多普勒频移，用来计算水体的速度。宽带ADCP的声信号的声信号发射、接收和处理方法是：对于每一个流速测量，发射、接收和处理方法是：对于每一个流速测量，ADCP发射两组或更多组编码脉冲波，利用发射两组或更多组编码脉冲波，利用ADCP测量脉冲波组测量脉冲波组之间的相关系数及相位差来计算多普勒频移。之间的相关系数及相位差来计算多普勒频移。n窄带窄带(Narrowband):ADCP的声信号发射和处理的一种的声信号发射和处理的一种方法方法.对于每一个流速测量，对于每一个流速测量，ADCP发射一个单独的、相
3、对发射一个单独的、相对较长的脉冲波较长的脉冲波,然后聆听然后聆听(即接受即接受)水体中颗粒物对这个脉冲水体中颗粒物对这个脉冲的反射波的反射波,并记录发射波与反射波之间的频率改变即多普勒并记录发射波与反射波之间的频率改变即多普勒频移频移,用来计算水体的速度用来计算水体的速度.靠多次平均来消除干扰。图靠多次平均来消除干扰。图12表示单频系统存在的问题和工作过程表示单频系统存在的问题和工作过程。图1 单频系统的困扰图2 单频信号不能回避带内噪声n宽带宽带(Broadband):ADCP的声信号发射和处理的一种方的声信号发射和处理的一种方法法.对于每一个流速测量对于每一个流速测量,ADCP发射两组或多
4、组脉冲波序列发射两组或多组脉冲波序列.每个脉冲波序列由许多子脉冲每个脉冲波序列由许多子脉冲(称为编码单元称为编码单元)组成组成ADCP测量回波序列的相关系数及相位差测量回波序列的相关系数及相位差,铲除粗差铲除粗差,精确计算流精确计算流速速.其优点是流速测量标准误差小其优点是流速测量标准误差小,空间空间(测点测点)和时间和时间(垂垂线线)分辨率高分辨率高.用相关计算来消除干扰。图用相关计算来消除干扰。图3是宽带的理论基是宽带的理论基础。图础。图3 宽带声信号的基础理论宽带声信号的基础理论图3 宽带声信号的基础理论n啾波啾波(Chirp)是线性调频是线性调频(LFM)信号的简称利用脉冲压缩信号的简
5、称利用脉冲压缩技术，信号的脉冲宽度大大小于接收到的信号而其总能量技术，信号的脉冲宽度大大小于接收到的信号而其总能量却与接收到的信号能量相同。这样一来输出信号的幅度却与接收到的信号能量相同。这样一来输出信号的幅度比起常规方法输出信号的幅度要大得多。由于发射脉冲的比起常规方法输出信号的幅度要大得多。由于发射脉冲的宽度大采用脉冲压缩技术（宽度大采用脉冲压缩技术（Chirp信号）的仪器之量程大信号）的仪器之量程大幅提高而且分辩率也显著改善。幅提高而且分辩率也显著改善。n虽然宽带信号就可得到较高信噪比（虽然宽带信号就可得到较高信噪比（SNR），但是不能排），但是不能排除噪声集合的干扰，而除噪声集合的干扰
6、，而Chirp信号解决的办法是在发射信号信号解决的办法是在发射信号中加入很多的干扰信号（即冗码），靠线性匹配滤波来检中加入很多的干扰信号（即冗码），靠线性匹配滤波来检索信号，几乎能完全避免噪声干扰接收到完全正确的信号，索信号，几乎能完全避免噪声干扰接收到完全正确的信号，图图4是是Chirp声信号及发射发射、接收过程的描述。声信号及发射发射、接收过程的描述。图4 Chirp声信号及发射、接收过程n美国美国TRDI公司生产的公司生产的“骏马骏马”系列系列“瑞江瑞江”牌河流宽带牌河流宽带ADCP是是TRDI公司的第三代公司的第三代声学多普勒河流流量测验系声学多普勒河流流量测验系统。与第一代和第二代河
7、流统。与第一代和第二代河流ADCP相比，相比，“瑞江瑞江”ADCP的尺寸，重量，盲区都大大的尺寸，重量，盲区都大大减小；价格也大幅度降低。减小；价格也大幅度降低。美国国家地理调查局已接受美国国家地理调查局已接受“瑞江瑞江”ADCP作为其河流流作为其河流流量测验的标准仪器之一，各量测验的标准仪器之一，各项指标见表项指标见表1。图图5标准标准工作工作模式模式频率（型号）频率（型号）1200（WHRZ1200-1）600 kHz（WHR600-1）300 kHz（WHRM300-1）盲区盲区（m）00.251.0单元数单元数112811281128最小单元长度（最小单元长度（m）0.250.51.0
8、最大单元长度（最大单元长度（m）2.048最小剖面深度（最小剖面深度（m）0.81.83.5最大剖面深度（最大剖面深度（m）20267010092165流速量程（流速量程（m/s）5.0（默认）（默认）20.0（最大）（最大）5.0（默认）（默认）20.0（最大）（最大）5.0（默认）（默认）20.0（最大）（最大）流速精度流速精度0.25%2.5mm/s0.25%2.5mm/s0.5%5mm/s流速分辨率流速分辨率1mm/s1mm/s1mm/s浅水高精工浅水高精工作模式作模式盲区（盲区（m）00.25-单元数单元数12551255-最小单元长度（最小单元长度（m）0.010.1-最小剖面深度
9、（最小剖面深度（m）0.30.7-最大剖面深度（最大剖面深度（m）4.08.0-流速量程（流速量程（m/s）1.01.0-多线法多线法测流模式测流模式注注有有有有有有规范规定表规范规定表格自动生成格自动生成注注有有有有有有表1 各种频率走航式宽带ADCP系统的主要技术指标注：长江水文局在保持WinRiver功能的基础上研究开发 n采用了采用了TRDI公司的宽带信号处理专利技术。该技术的应用，在保证精度公司的宽带信号处理专利技术。该技术的应用，在保证精度的前提下，提高了流速测量的空间和时间分辨率。的前提下，提高了流速测量的空间和时间分辨率。n测量剖面深度范围大。例如测量剖面深度范围大。例如600
10、 kHz ADCP，其测量剖面深度范围可以从，其测量剖面深度范围可以从0.7米至米至70米（注：剖面深度与含沙量及单元长度有关）。这样一台米（注：剖面深度与含沙量及单元长度有关）。这样一台600 kHz ADCP即可以适用于大部分河流的水深情况。即可以适用于大部分河流的水深情况。n对较高含沙量河流适用性较好。高含沙量意味着水体对声波能量的吸收增对较高含沙量河流适用性较好。高含沙量意味着水体对声波能量的吸收增强。这时需要采用较低频率的系统才能达到较大的剖面深度和保持底跟踪。强。这时需要采用较低频率的系统才能达到较大的剖面深度和保持底跟踪。然而一般低频系统分辨率较低。由于采用了宽带信号处理专利技术
11、，然而一般低频系统分辨率较低。由于采用了宽带信号处理专利技术，TRDI 较低频率的系统（较低频率的系统（600 kHz 和和300 kHz）在较高含沙量情况下具）在较高含沙量情况下具有较好的穿透性，并且分辨率较高。有较好的穿透性，并且分辨率较高。n“瑞江瑞江”1200 kHz和和 600 kHz ADCP 有两种工作模式：标准工作模式有两种工作模式：标准工作模式和浅水高精度工作模式。标准工作模式适应范围大，应用于大多数情况。和浅水高精度工作模式。标准工作模式适应范围大，应用于大多数情况。然而在水很浅、流速很低情况下，采用浅水高精度工作模式可以有效的提然而在水很浅、流速很低情况下，采用浅水高精度
12、工作模式可以有效的提高测量精度。高测量精度。nTRDI公司开发出了公司开发出了“零盲区零盲区”技术，应用于技术，应用于1200 kHz ADCP。因此，。因此，“瑞江瑞江”1200 kHz ADCP 可以用于更浅的河流和湖泊。可以用于更浅的河流和湖泊。n从以下实验的统计图标可知，宽带从以下实验的统计图标可知，宽带ADCP可以实现较快速度的走航可以实现较快速度的走航式流量测验，精度要比窄带高数倍见图式流量测验，精度要比窄带高数倍见图6和表和表2。系统频率系统频率深度深度单元单元 尺寸尺寸 单呯标准差单呯标准差 (cm/s)宽带宽带 窄带窄带 12000.2611.776.96000.5112.4
13、78.43001.0212.478.4图6 宽、窄带ADCP流速测量的标准差与测速历时关系图表2 宽、窄带各型号ADCP单呯标准差比较图7 美国国家海洋国家海洋服务中心对ADCP、ADP检测试验中平均速度偏移图n2004年年3月月15日至日至6月月18日，在黄委水文局和日，在黄委水文局和TRDI公司经过精心组织下，在伊河龙门公司经过精心组织下，在伊河龙门镇水文站进行了镇水文站进行了ADCP流速剖面仪和流速仪比测实验，为流速剖面仪和流速仪比测实验，为ADCP在橡胶坝区水文测验的可在橡胶坝区水文测验的可行性和精度分析研究工作提供了宝贵的资料。图行性和精度分析研究工作提供了宝贵的资料。图8 伊河龙门
14、镇库区伊河龙门镇库区ADCP实测流速颜色实测流速颜色等值图等值图n该站测验河段位于洛阳市龙门石窟风景区峡谷中央，测验河段顺直，水面宽约200米，沙卵石河床。1993年和2001年洛阳市政府在该站基本水尺断面下游630米和1050米处分别建成橡胶坝一座，中低水期间橡胶坝蓄水，流速很小，变幅在0.010.12m/s之间，断面平均流速0.07m/s，采用传统流速仪无法测验，中低水流量测验只能选在回水末端的低水断面进行。图8就是2004年3月15日比测的结果和界面：伊河龙门镇库区ADCP与流速仪比测资料(2004.3.15 9:3012:00)，进库流量(流速仪精测法多次平均):17.4m/s；中断面
15、流量(ADCP11模式浅水高精多次平):17.0m/s；出库流量(流速仪精测法多次平均)：16.9m/s；ADCP自测重复率:1.4%；与流速仪法相差:1.2%。图8 伊河龙门镇库区ADCP实测流速颜色等值图表3 长委上游局万县站2006年2月25日ADCP测流成果表表4 长委上游局万县站2006年2月25日ADCP测流成果统计表n从以上表从以上表3和表和表4可以看出，可以看出，2006年年2月月25日日8：108：47测测流两个测回，断面平均流速为流两个测回，断面平均流速为0.23m/s，测船平均航速为：，测船平均航速为：0.96m/s，虽然船速高达流速的，虽然船速高达流速的4.2倍（倍（声
16、学多普勒流量测量声学多普勒流量测量规范规范规定：测船横渡宜接近或略小于水流速度），在平均流量规定：测船横渡宜接近或略小于水流速度），在平均流量为为5680m3/s时，流量测量的标准差为时，流量测量的标准差为22.9m3/s，偏差系数几，偏差系数几乎为乎为“0”。表5走航式宽带ADCP在感潮河段流量由负流量经“0”到正流量（超低流速）的流量测验部分指标统计表 2005年9月1618日，上海水文总站组织了流速仪、走航式走航多普勒流速剖面仪、固定式走航多普勒流速剖面仪的大型比测试验研究。本次在松浦大桥站进行的观测试验，目的内容包括了解宽带ADCP观测的系统偏差的方向和大小、随机误差、对流量过程的控制
17、效果；进行与等高度的流速观测，试验水平宽带H-ADCP的流速观测可靠性与稳定性。松浦大桥站测验河段基本顺直，流速仪测流断面宽393米，河道常水面宽387米。鉴于黄浦江通航程度非常高的情况，本次测验在松浦大桥站封航右侧断面105米，占用了1/4江面（主槽1/3），在断面右起点距3987米之间的48米宽的水道上，按8米间隔布置7条垂线，以流速仪进行流量测验。该断面形状见图3-1，各垂线分别位于右岸起点距39、47、55、63、71、79、87米处，锚船位置100米。n整个观测过程，共计流速仪法流量观测测次78次，走航ADCP测次RDI ADCP为232次，流速仪固定高度观测测次92次，水平宽带H-
18、ADCP保持自动观测。n由图10可知：2005年9月1618日流速仪实测流量和ADCP实测流量的相关系数高达0.9975，尤其须说明的是9月16日15：3115：45流量由-1.01m3/s变化到21.2m3/s，平均流速由-0.017m/s变化到0.042m/s，转流过程和实际非常吻合见表5和图11。但流速仪在这超低流速的情况下，因是机械装置启动流速也在0.04m/s左右，这级流速是较难测量准确的，在极低流速的情况下如何比测有待于进一步探讨。图10 QADCP Q流速仪 关系图(Q30)图11宽带走航式ADCP平均流速为0.017m/s时界面图图12 广西古宜水文站流速分布图表6 广西古宜站
19、走航式ADCP实测超低流速结果统计表6 广西古宜站走航式ADCP实测超低流速结果统计图12 广西古宜水文站流速分布图 2005年8月8日在广西水文局古宜水文站用宽带ADCP对H-ADCP进行标定，仅抽取3个半测回极低流速的数据见表6和图12，平均流速为0.073m/s，流量测量的标准差仅为0.76m3/s；偏差系数仅为1%，说明宽带ADCP在极低流速情况下也同样可测得高质量的数据。n测验断面和水流特点：小浪底水文站是位于黄河小浪底测验断面和水流特点：小浪底水文站是位于黄河小浪底水库下游的出库控制站，测验断面距小浪底水库出水口水库下游的出库控制站，测验断面距小浪底水库出水口仅仅4000米。测验河
20、段长米。测验河段长400米，河宽米，河宽788米，主河槽宽米，主河槽宽320米左右。主河槽为复式断面，右岸有宽约米左右。主河槽为复式断面，右岸有宽约100多米的多米的浅滩，左岸为水流主流河槽，河段内为卵石河床，在正浅滩，左岸为水流主流河槽，河段内为卵石河床，在正常水流状态下河床冲淤变化较小。由于水流受水库发电常水流状态下河床冲淤变化较小。由于水流受水库发电调负和出库闸门开启变化的影响，水位变化频繁，且变调负和出库闸门开启变化的影响，水位变化频繁，且变幅较大，流量大小变化不均，往往使流量测次控制极为幅较大，流量大小变化不均，往往使流量测次控制极为困难和不便。困难和不便。ADCP测流现场见图测流现
21、场见图13。图13 黄河小浪底站ADCP测流现场与流速仪实测流量比较若以流速仪所施测流量为真值时，统计表明，33次的样本容量中有20次相对误差0，有9次0.05)(V0.05)上图上图 断面平均流速与代表流速的关系：断面平均流速与代表流速的关系：20至至120米代表流速米代表流速落潮实测流速速0102030405060708090 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200距 离 (m)-1.5-1.0-0.50.00.51.01.5流速(m/s)0102030405060708090 100 110 120130 140 150 160 170 1
22、80 190200距 离 (m)-1.5-1.0-0.50.00.51.01.5流速(m/s)涨潮实测流速分布涨潮转为落潮时的实测流速分布图11 黄浦江松浦大桥站2005年9月19日宽带H-ADCP（300kHz）实测的转潮过程0102030405060708090 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200距 离 (m)-1.5-1.0-0.50.00.51.01.5流速(m/s)0102030405060708090 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200距 离 (m)-1.5-1.0-0.50.0
23、0.51.01.5流速(m/s)涨潮实测流速分布涨潮实测流速分布涨潮转为落时的实测流速分布涨潮转为落时的实测流速分布图12 广西古宜水文站测流断面宽带CM型H-ADCP安装位置示意图图13 广西古宜水文站测流断面宽带CM型H-ADCP实测流量界面图广西古宜水文站测流断面受水库回水影响，流速大的时候在0.12m/s，小的时候接近于“0”，是2005年8月引进TRDI公司CM型600kHz 宽带H-ADCP试验性进行定点式流量测验的，图12是断面形状、仪器安装示意图。图13是2005年8月5日实测流量界面图，从图中可以看出：当时的横向代表线流速仅为0.09m/s，且流速、水位变化频繁，常规的水文特
24、征及基本消失。右图 古宜站水位流量相关图（2005年临时）左图古宜站断面平均流速横向代表流速相关图（临时）图17 美国加利福尼亚州某灌渠测站H-ADCP和600 kHz CM型宽带H-ADCP和SP型宽带ADCP流量测验现场 0.00 0.03 0.06 0.09 0.12 0.15 0.18 0.21 0.24 0.27 0.30 0.33 0.36 0.39 0.42 0.45 Vi 0.01 0.04 0.07 0.10 0.13 0.16 0.19 0.22 0.25 0.28 0.31 0.34 0.37 0.40 Vm Vm=0.8635Vi 上图加州某灌渠测站实测断面平均流速与代
25、表流速的关系上图加州某灌渠测站实测断面平均流速与代表流速的关系 高精度定点式宽带ADCP流速测验精度较高，但这类仪器（横向代表线法流量测验用水平型 CM H-ADCP和Workhorse H-ADCP；垂向代表线法流量测验用监测型 Workhorse Monitor ADCP和哨兵型Workhorse Sentinel ADCP）都要通过率定来得到断面平均流速既而得到流量。如何精确的对定点式流量测验仪器进行率定（特别是超低流速）是解决受工程和人类活动影响的水文测验问题的关键。根据上述资料和各省市水文部门做的一些试验，有一些初步的方案现总结如下：（1）定点式ADCP一定要安装牢固，不能有颤动和抖
26、动，姿态校正准确无误，保证代表流速的测量精度和一致性。（2）据试验结果得知：率定时断面流速的测量是解决受工程和人类活动影响的水文测验问题的技术关键。在流速大于0.100.15m/s以上时使用流速仪或走航式ADCP进行断面流速测验都是可以得到符合规范3 4要求的结果。流速小于0.10m/s，大于0.06m/s时有两种方案：A。ADCP流量测验：即使用高精度的宽带走航式ADCP也必须严格按照声学多普勒流量测验规范的要求操作（特别要控制好船速有无级调速设备最好），测量精度才能满足要求。最好使用多线法进行断面流量测验。B。旋浆或旋杯式流速仪也可得到符合规范的结果。流速小于0.06m/s时的方案：只有一种方案：因机械式流速仪的启动流速大都在0.040.06m/s，就是专测低速流速的LS78型旋杯式流速仪，启动流速也在0.02m/s，在这级使用机械式流速仪是很难测准的。因此流速小于0.06m/s时建议使用宽带走航式ADCP，采用多线法进行流量测验，才能率定出一个高精度的代表流速与断面平均流速的数学模型，定点流量测验的精度才会保证。
