基于走航式ADCP流量測驗的研究

摘要：隨著我國電子科技技術(shù)的快速發(fā)展，聲學(xué)多普勒測流技術(shù)的發(fā)明并投入到流量測驗領(lǐng)域是流量測驗的一次革命，ADCP流量測驗具有不擾動流場、可連續(xù)施測、測流歷時短的特點，能夠提高所測流量的代表性，減輕測驗強度，是目前世界上最先進的流量測驗設(shè)備。本文針對走航式ADCP流量測驗進行了探討。

關(guān)鍵詞：DCP；流量測驗；常見問題；解決方法

ADCP 是英文Acoustic Doppler Current Profilers 的簡稱，即聲學(xué)多普勒流速剖面儀。它是利用聲學(xué)多普勒原理研制的目前世界上最先進的河流流速流量實時測量設(shè)備。ADCP 測驗設(shè)備實際上包括：ADCP換能器（4個探頭）以及ADCP 操作軟件等2個主要部分組成。利用聲學(xué)原理，ADCP向水體發(fā)射一個（一對或一組）聲脈沖，這些聲脈沖碰到水體中懸浮的且隨水體運動的微粒后產(chǎn)生反射波，并記錄發(fā)射波與反射波之間的頻率改變，這個頻率改變即稱多普勒頻移，可據(jù)此計算出水流相對于ADCP的速度。同時，還向河底發(fā)射底跟蹤聲脈沖，測出ADCP安裝平臺（測船）的運動速度以及水深，然后將水流相對速度扣除船速得到水流的絕對速度。

1 ADCP流量測驗特點

1.1 ADCP同常規(guī)流速儀測驗比較

ADCP因能測量剖面的水流速度而出名，一個流速剖面可以粗略地比同于流場中有許多流速儀懸掛在同一豎直方向的區(qū)域（見圖1）。理論上，每一個常規(guī)流速儀所測的流速同ADCP所測該單元水層的中心流速相一致。然而，一串流速儀所測流速并不完全同ADCP所測剖面類似。常規(guī)流速儀測量剖面上某一點的水流速度，而ADCP所測并賦予一個水深單元的流速是該樣本單元中心的平均流速。

1.2 航線的獨立性

ADCP所測斷面的流量是流經(jīng)垂直于航線垂直向下投影至河底的表面的水流總量，該流量與船只從河流此岸至彼岸兩點間的實際航線無關(guān)。無需對航線作出任何標(biāo)志或保持直線航線，這大大簡化流量的測量，特別是在航運繁忙或?qū)掗煹暮恿鞲鼮槊黠@。

1.3 非直接測量的流量

ADCP并不能測出從水面至河底的所有流速剖面，其原因是：①ADCP安裝深度。ADCP聲學(xué)換能器必須有足夠的安裝深度以保證該換能器總是完全沒入水中。一般入水深度約為25cm，這個深度可以保證在適當(dāng)?shù)暮剿傧聯(lián)Q能器表面沒有氣泡（氣泡會阻擋聲能傳入水中），同時也使船只的搖晃不致于影響換能器的正常工作。②盲區(qū)距離。由于脈沖的發(fā)射和聲能的接收用的是同一個換能器，那么在發(fā)射脈沖之后到開始接收回波信號之前必須留有一小段時間（或者讓出一小段聲波傳播的距離），這一延遲稱為盲區(qū)。③旁瓣干擾。在換能器發(fā)射出來的聲波主波束周圍還有若干個小的錐形波束，稱為旁瓣，最大的旁瓣的中心線與主波束軸線之夾角約為30°。

1.4 流量的計算

WINRIVER軟件利用從第一個深度單元到不受河底或旁瓣影響的最后一個合格單元的數(shù)據(jù)計算流量。至于第一個深度單元以上的流量（根本沒有進行測量）和受到河底影響的水層的流量，則通過已測得的合格數(shù)據(jù)利用外推法計算出來。

2 ADCP流量測量過程

2.1 現(xiàn)場測驗前的準(zhǔn)備工作

1）軟件和固件的更新

由于ADCP技術(shù)的新穎性，其系統(tǒng)軟件、固件已經(jīng)并且將要不斷地、經(jīng)常地進行改進升級。在ADCP儀器運往現(xiàn)場之前，要在主用和備用的現(xiàn)場計算機上安裝最新的的WinRiver軟件。

2）現(xiàn)場測驗前檢查

為了確保ADCP工作正常，必須進行現(xiàn)場測驗前的檢查。檢查包括：將ADCP與計算機連接，接通電源，進入WinRive軟件的“Acquire”工作模式并“喚醒系統(tǒng)”。所有要用的電纜和插件必須查清，現(xiàn)場較難獲得的備件如ADCP和計算機用的電池、電纜和數(shù)據(jù)文件備份的軟盤都應(yīng)作為檢查的一部分備齊。

2.2 現(xiàn)場操作程序

1）儀器安裝A

DCP通常安裝在船舷一側(cè)的支架上。安裝支架應(yīng)具有一定的靈活性，容易升降或翹離水面。支架要有足夠的剛性，在水流沖擊下不會發(fā)生振動或彎曲。安裝支架位置應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離磁性物體，以避免外界磁場對ADCP內(nèi)置磁羅盤的影響。ADCP換能器應(yīng)沒入水中至少8cm。如果水面有波浪，換能器要沒入水中更深一些，以保證在整個測驗過程中換能器不會露出水面或發(fā)生空蝕。

2）儀器檢查

當(dāng)ADCP安裝在支架上，電纜連接到計算機并接通電源后，必須進行檢查，以保證所有電路和傳感器工作正常。通常使用ADCP軟件之一的BB-TALK內(nèi)的某些子程序?qū)DCP進行內(nèi)部診斷和標(biāo)定檢驗，并顯示其內(nèi)部設(shè)置，同時還將ADCP的電路和傳感器進行檢測。

3）設(shè)置文件

在每次測驗前，用戶需要根據(jù)現(xiàn)場條件和ADCP性能對ADCP進行參數(shù)設(shè)定。設(shè)置文件必須與測流斷面的實際情況相匹配，諸如深度單元尺寸、工作模式、底跟蹤和水跟蹤的每組脈沖次數(shù)以及盲區(qū)等參數(shù)均要求有經(jīng)驗的使用者來設(shè)定，以使在現(xiàn)有的條件下所采集的數(shù)據(jù)質(zhì)量最佳。

4）流量測驗

在用ADCP采集流量數(shù)據(jù)之前，描述測流斷面、日期、人員、設(shè)備和所用軟件與固件版本的基本信息應(yīng)記錄在ADCP現(xiàn)場記錄表上。記錄每次測驗的起點及終點離河岸距離及原始數(shù)據(jù)及設(shè)置文件名。

測驗起點和終點的確定準(zhǔn)則是起點和終點處的水深應(yīng)保證垂線上至少有兩個有效單元。起點和終點應(yīng)做明顯標(biāo)記，以保證每次斷面流量測驗的起點或終點是相同的。應(yīng)采用電子測距儀器、測繩或者其他能夠精確測驗距離的儀器測驗起點和終點的離岸距離。

在正式測驗前應(yīng)進行一次“動底”（河底推移質(zhì)）檢測。做法是將測船保持在某一固定位置上至少10min，用底跟蹤測驗船速和位移。如果沒有“動底”，由底跟蹤測出的船速應(yīng)為零，測船的位移近于零。如果有“動底”，由底跟蹤測出的船速不為零，具有一向上游的偽船速。

3 ADCP流量測量常見問題及解決方法

3.1 底跟蹤信號丟失

如果丟失底跟蹤信號（其表征為底跟蹤速度為“bad”或無深度指示），則可能原因如下：①BX深度設(shè)置中的深度不比河流實際深度大，應(yīng)增大BX并再試。②某種東西擋住一個或更多的波束，它可能是換能器表面上產(chǎn)生的氣泡，這時應(yīng)想法增大ADCP入水深度；也可能是某些碎片纏上換能器表面，這時應(yīng)檢查ADCP及其吊掛架。③河底有水草灌木或其它物質(zhì)，它們對河底附近的波束產(chǎn)生干擾，這時應(yīng)設(shè)法移至附近河域，并觀察這一問題是否已消失。④河底的性質(zhì)可能比較特殊（例如流速或沉積層較厚的情況）使底跟蹤方法不能可靠地“鎖定”其濾波器，這時應(yīng)在配置文件的直接指令部分加入BC220和BA20指令，然后采集一組數(shù)據(jù)，看看問題是否已有所改善。如果已有所改善，則繼續(xù)采用這種設(shè)置；如果還未改善，則改用BC200和BA15，然后再試。

3.2 “動底”（河底推移質(zhì)運動）

河底泥沙在高流速時會隨水流遷移形成推移質(zhì)運動，俗稱“動底”。當(dāng)出現(xiàn)“動底”時，ADCP所測流速將小于實際流速；ADCP所測流量將小于實際流量。為了消除或減小“動底”的影響，可以采取如下措施：①選用頻率較低的ADCP。低頻系統(tǒng)聲波穿透能力較強，有可能穿透推移質(zhì)層。②減小底跟蹤脈沖長度。如果以上措施無效，只好采用差分GPS代替底跟蹤來測驗船速。

3.3 數(shù)據(jù)組丟失

如果WinRive檢測到丟失了數(shù)據(jù)組，它將生成一個LOSTFILE.ACQ文件，丟失的文件信息將記在該文件中。如果在屏幕上偶然出現(xiàn)ADCP數(shù)據(jù)組丟失的信息，則可能是設(shè)置的串行通信速度對于計算機來說太高，或者是按鍵的時間太長。由于計算機鍵盤的優(yōu)先級別比串行口高，因此當(dāng)正在接收串行口數(shù)據(jù)時如果按鍵按下的時間太長，串行數(shù)據(jù)就可能丟失。一種解決的方法是計算機正在接收ADCP數(shù)據(jù)時盡量減少使用鍵盤的次數(shù)。另一種方法是降低ADCP與計算機的通信速度。第三種方法是選用配有16550UART的計算機，它將串行口暫存起來，使計算機有可能跟上數(shù)據(jù)流。

3.4 數(shù)據(jù)組號丟失

如果在采集數(shù)據(jù)或回放時發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)組號丟失，則計算機由于在串行采集數(shù)據(jù)時未能獲得有效的檢驗和而不記錄該組數(shù)據(jù)，但這并不影響流量的測量。

造成上述現(xiàn)象的原因之一是計算機串行插頭接觸不良，有時斷時續(xù)現(xiàn)象。這時應(yīng)檢查連接處，保證接觸良好。另一個原因是數(shù)據(jù)傳送時有干擾源存在，應(yīng)避免將串行或ADCP的水下置于發(fā)電機、柴油機或其它大功率電器設(shè)備附近，不應(yīng)把ADCP的水下電纜繞在金屬物體上。還有一種解決辦法就是降低串行通信的速度。

4 結(jié)束語：

綜上所述，ADCP作為一種先進的流量測驗設(shè)備，其具有的優(yōu)勢，與現(xiàn)代水文的高標(biāo)準(zhǔn)、高精度、高效率的要求相適應(yīng)，具有非常廣泛的應(yīng)用前景。但因其測驗成果與傳統(tǒng)測

驗成果的銜接等局限性，使其不能更好的為水文資料整編服務(wù)，因而其推廣應(yīng)用還

需要開展大量的工作，仍然需要優(yōu)化。建議盡快改進ADCP的有關(guān)程序，為ADCP在

水文測驗中的推廣應(yīng)用提供保障，為水文測報創(chuàng)新、水資源監(jiān)測、巡測工作做出更

大的貢獻。

參考文獻：

[1] 王憲寶 柳艷鋒.走航式ADCP與流速儀法流量測驗對比分析[J].吉林水利.2010（06）

[2] 楊琪.走航式ADCP在嘉定水文的應(yīng)用[J].科技資訊.2010（36）

作者簡介：

許楚杰（1967-），男，廣東潮安人，水文水資源工程師。