ADCP應用研究：聲學多普勒流速剖面儀檢定水槽拖車試驗綜述

喬正明,肖熹,吳姚振,任浩宇,尹錫帆，趙小峰

(1.國家海洋技術中心漳州基地籌建辦公室 北京 100083；2.94647部隊57分隊 福州 350026； 3.國防科技大學氣象海洋學院 南京 211101)

ADCP應用研究：聲學多普勒流速剖面儀檢定水槽拖車試驗綜述

喬正明1,肖熹2,吳姚振1,任浩宇1,尹錫帆1，趙小峰3

(1.國家海洋技術中心漳州基地籌建辦公室 北京 100083；2.94647部隊57分隊 福州 350026； 3.國防科技大學氣象海洋學院 南京 211101)

文章介紹聲學多普勒流速剖面儀(ADCP)的原理和檢測方法，綜述水槽拖車試驗的相關情況，總結水池池體、檢定拖車和池體水中散射體等試驗需求，并針對這些需求分別提出試驗檢定難點，以期完善相關理論基礎和開展進一步研究。

聲學多普勒流速剖面儀；水槽拖車試驗；海洋工程技術；散射體；水體測量

聲學多普勒流速剖面儀(Acoustic Doppler Current Profiler，ADCP)是目前國內外測量多層剖面海流及河道流量的最有效方法之一[1]，其檢測檢定方法主要有自身航行試驗、同步比測試驗和水槽拖車試驗[2]。實踐表明，室內可控環境下的水槽拖車試驗是目前檢定ADCP的最可靠最有效方法[3-5]。

1 ADCP原理

ADCP是融合水聲物理、電子技術、水聲換能器設計和信號處理等多學科技術的新型水聲測流設備，利用聲學多普勒原理，能1次測得1個剖面上若干層流速的三維分量和絕對方向[6]，由換能器、方向和傾斜傳感器、數據采集處理軟件等組成。

ADCP一般配有2～4個聲換能器。水體中的散射體(如浮游生物、泥沙顆粒等)與水融為一體隨水流動，其速度即代表了水流速度。ADCP利用聲波換能器作為傳感器，換能器向水體中發射一定頻率的聲波脈沖信號，聲波脈沖信號碰到散射體后會產生后向散射，換能器再對回波信號進行接收和處理。通過測量多普勒頻移就能計算出ADCP和散射體的相對速度，進而可換算得到水流相對于ADCP(即測船)的速度，扣除船速后可得水流相對于地球坐標系的絕對速度[7]。另外，還可以利用ADCP測量層深、水深以及計算斷面流量。

2 ADCP檢測方法

2.1 自身航行試驗

ADCP流速、流向測量是指水相對于ADCP儀器坐標系流動速度的大小和方向，而湖水流速較小，有的可以忽略，所以可以利用近似靜止的水環境配合運動中的ADCP，形成ADCP與水的相對運動，以ADCP自身的運動速度值檢驗ADCP的流速測量值，以ADCP在自身坐標系上的運動方向值檢驗ADCP流向測量值。當水流速度較大時，試驗船采取跑閉合、正交或往返回路航行的方式來抵消水流的影響[2]。湖水的深度一般要大于室內水池的深度，所以可進行某些較低頻率ADCP的檢測。

2.2 同步比測試驗

因為海上不同深度流速、流向存在差異，所以不能采取檢測的方法，只能采取比測的方法。試驗基本原理是利用2臺不同型號的ADCP準同步測量同一水體，來比較測得的流速、流向數據。按照載體不同，可以分為潛標比測和船載比測。船載比測按照運動方式的不同，又可分為漂泊比測和走航比測。按照比測儀器的不同，可以分為同類型ADCP比測和不同類型ADCP比測。ADCP比測時應選取指標更好、性能更穩定的儀器作為比測參照對象。通常工作頻率不大于300 kHz的ADCP進行海上同步比測試驗。

2.3 水槽拖車試驗

在室內可控環境下，由大型水池、運動拖車、拖車車速測量設備、ADCP安裝架、回轉機構、測量數據同步采集處理裝置和被測ADCP儀器等組成。試驗時將ADCP固定在拖車上，并向水體中播撒石灰粉粉末等顆粒物作為水中散射體，采用水靜止而ADCP運動的方式制造ADCP與水的相對運動，以ADCP自身的運動速度值檢驗ADCP的流速測量值，以ADCP在自身坐標系上的運動方向值檢驗ADCP流向測量值[8]。因水池池體限制，一般工作頻率大于300 kHz的ADCP進行水槽拖車試驗。

實踐表明，自身航行、同步比測試驗存在周期長、成本高、受外界因素影響大及檢測檢定精度不可控等不利因素，而室內可控條件下水槽拖車試驗具有檢定時間短、精度高及檢定條件可控等優勢，使其成為業內同行研究的主要方向。

3 水槽拖車試驗需求

3.1 水池池體

對于不同工作頻率的ADCP，檢定所需水池的物理尺寸不同。由聲學特性可知，ADCP的工作頻率越低，在進行檢定時對水池長度、寬度和深度的要求就越大。2010年開始實施的國家標準《GB/T 24558—2009聲學多普勒流速剖面儀》[2]要求工作頻率大于300 kHz的ADCP應進行水槽拖車試驗；試驗所用水池應長度大于100 m，寬度大于7 m，深度大于4.5 m。

3.1.1 水池長度需求

水池要足夠長，否則在檢定時ADCP載體運動的速度還沒有穩定或是沒有獲取足夠的采樣數據時就已經到達水池端頭。參考國內外檢測檢定方案，水池長度的測算公式為：

水池長度=拖車寬度+加速段長+穩定段長+采樣段長+制動段長+安全段長。

其中，ADCP水槽拖車試驗需有132 m的有效檢測距離(采樣段)[9]，考慮拖車減速段、制動段、安全段等長度，水池長度在200 m左右才能基本滿足ADCP的檢定需求。

3.1.2 水池長度和寬度需求

水池要足夠深。不同型號的ADCP盲區大小不同，水池深度至少要大于盲區，如300 kHz ADCP盲區為2 m，75 kHz ADCP盲區能達到8 m[2]。要確保測量數據可靠有效，應獲取至少2～3個完整且質量較好的深度單元流速數據。

水池要足夠寬。須充分考慮池壁對旁瓣的影響[10]。根據ADCP換能器發射聲波及工作原理，因主瓣與垂直方向成20°夾角發射，若水池深度不夠，旁瓣先于主瓣到達池底會直接影響ADCP的檢定效果。國際上對中高頻段(500 kHz以上)ADCP的計量檢定所用水池寬度為不小于15 m[11]。

3.2 檢定拖車

檢定拖車系統安裝在水池上部，由拖車車體結構、控制系統、供電系統、高精度軌道及附屬構件等組成，是整個檢定系統的核心組成部分，須具有加速快、制動快、進入穩態快、運行精度高、狀態穩定及穩態時間長等特點。國標要求拖車速度范圍0.1～4 m/s，速度誤差應小于3×10-3m/s[2]。目前國內研制的重型高精度檢定拖車，最大運行速度可達7 m/s，速度誤差小于1.5×10-3m/s，最大加速度不小于0.075g，可滿足國家標準的檢定需求。

3.3 池體水中散射體

為確保在檢定時ADCP換能器發射的聲波脈沖信號產生后向散射，水體中必須有符合要求的散射體，目前比較理想的散射體有不溶性固體懸浮顆粒和符合要求的均勻氣泡。

3.3.1 固體懸浮顆粒作為散射體

固體懸浮顆粒的特性對聲波后向散射強度影響很大，后向散射強度低于9 dB將導致ADCP速度測量的巨大誤差[12]，因此在ADCP水槽拖車試驗時，可通過均勻投放石灰粉粉末來提高后向散射強度，并把27 dB作為校準的下限。美國地質調查局(USGS)在戴維泰勒模型水槽中對ADCP進行校準時，通過在水體中使用粒徑約55 μm的石灰漿噴霧的方法來提供穩定的后向散射強度，其石灰漿引起的后散射強度值在29～75 dB，大多數情況下在45～90 dB，以防止因反射物濃度太低、反射粒子太小和散射物在空間上、時間上不穩定而帶來測量速度的巨大誤差。試驗結果表明，石灰粉粉末可作為散射體實現對ADCP的有效檢測。

3.3.2 氣泡作為散射體

氣泡作為水中散射體需考慮氣泡粒徑、水層停留時間及氣泡體積分數。

(1)氣泡粒徑。水體中的聲波頻率與氣泡共振頻率大小影響著聲速傳播，聲波頻率遠低于氣泡共振頻率時，氣泡將使聲速明顯變小；聲波頻率遠遠高于氣泡共振頻率時，氣泡對聲速不產生明顯的影響；聲波頻率在共振頻率附近時，隨著聲波頻率的變化聲速會有劇烈的改變。盡管聲波頻率等于氣泡的共振頻率時，氣泡的散射功率最大，意味著氣泡的后向散射回波強度也最大，但此時的氣泡粒徑并不適合模擬水中顆粒物對聲波的散射，因為聲速隨頻率劇烈改變的外部環境可能導致ADCP不能處于正常的觀測狀態，因此應選擇共振頻率遠低于聲波頻率的氣泡進行氣泡散射體試驗。以工作頻率300 kHz ADCP為例，根據《水聲學原理》[13]，直徑0.01 cm的氣泡，聲波頻率為共振頻率4～5倍時，氣泡已對聲速不產生明顯影響。依此類推，當氣泡共振頻率為30～37.5 kHz時，不對300 kHz ADCP發射的聲波的聲速產生明顯影響。

(2)水層停留時間。微氣泡在上升過程中是個變加速過程，受力復雜，在試驗觀測深度范圍內的停留時間目前還無法準確計算。根據大量實驗數據和理論分析，有研究[14]得出半徑0.01～0.02 cm的氣泡的穩定態上升速度在1～5 cm/s。假設氣泡在上升過程中，隨著半徑的緩慢增大，上升速度始終接近于穩定態，該半徑的氣泡從12.3 m深上升到4.3 m深(觀測深度范圍)，上升速度取最大值5 cm/s，則上升持續時間約4 min。

(3)氣泡體積分數。氣泡體積分數是指單位體積水體中氣泡所占的體積比。試驗時選擇的氣泡共振頻率遠低于聲波頻率，則散射回波強度主要取決于氣泡的體積分數，因此試驗所需的氣泡體積分數既要保證氣泡可明顯增加散射回波強度，又不至于對水體擾動太大從而影響ADCP檢測。由于氣泡在上升過程中體積逐漸增大，在靠近水面時其體積分數達到最大，如果初始的體積分數選擇不合適，在近水面可能會嚴重阻礙聲波傳播，最嚴重的情況可能使聲波無法穿過盲區。根據李福新等[15]研究成果推算，體積分數為0.01時，300 kHz聲波的衰減系數在10 dB/cm以下，穿透1 m水層將衰減幾百分貝，因此氣泡體積分數應小于0.01。

使用一定粒徑的氣泡作為散射體還處于研究試驗階段，理論上是可行的。

4 水槽拖車試驗檢定難點

對于試驗所需長度大于200 m、寬度大于15 m、深度大于4.5 m深水水池，必須考慮水池本身沉降、滲漏及變形等如何控制，水池配套設施設備在精度、協調等方面如何滿足需求，池壁和池底對聲波的反射對檢測信號是否影響等問題。由此可知，水池設計建造難度大，成本高，建設周期長，風險大。

檢定拖車要求高。①最大速度難以滿足要求。ADCP可測量最大流速為5～10 m/s，國標要求檢定拖車最大速度為4 m/s，此速度還不能滿足當今ADCP計量檢定要求。目前國內生產的重型高精度拖車理想情況下最大速度可達7 m/s，因此最大速度要完全滿足試驗需求達到10 m/s，目前技術水平難以實現。②運行精度、平穩度實現難度大。由于車身重、跨度大，車速設計范圍為0.01～6 m/s時，速度跨度接近600倍[9]，因此為保證運行精度及平穩度，還需充分考慮拖車驅動方式、功率、電機選型、功率扭矩驗算及拖車主動輪打滑驗算等要素，設計難度大，技術實現困難。

石灰粉粉末和氣泡雖然是目前比較理想的散射體，但也存在問題。①石灰粉粉末會污染水質，大型水池蓄水量大，過濾石灰粉粉末成本高、周期長；②氣泡作為散射體還處于研究探索階段，且存在氣泡粒徑控制難度大、水層停留時間無法準確計算及氣泡體積分數難以控制等難題。

5 結語

隨著ADCP的廣泛應用，保證測量數據的準確性及有效性尤為必要。室內可控環境下的水槽拖車試驗是目前檢定ADCP的最可靠、最有效方法，本研究概括和總結了水槽拖車試驗需求及難點，為開展可控環境下ADCP的計量檢定提供借鑒和參考。

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ReviewofADCPVerificationbyFlumeTowingTest

QIAO Zhengming1,XIAO Xi2,WU Yaozhen1,REN Haoyu1, YIN Xifan1,ZHAO Xiaofeng3

(1.Office for Establishing Zhangzhou Base,National Ocean Technology Center，Beijing 100083，China；2.57 Unit of 94647 Troop，Fuzhou 350026，China；3.College of Meteorology and Oceanology,PLA National University of Defense Technology，Nanjing 211101，China)

This paper introduced the principles and detecting methods of Acoustic Doppler Current Profile (ADCP),reviewed the relevant circumstances of flume towing test,summarized the experimental requirements of pool body,calibrating tow truck,and scatters in the water.The difficulties were put forward to corresponding to these requirements,which were helpful for completing the relevant theoretical fundamentals and for carrying out further studies.

ADCP，Flume towing test，Ocean engineering technology,Scatters,Water test

2017-08-17；

2017-11-25

國家自然科學基金面上項目(41775027);國家自然科學基金青年科學基金項目(41405025).

喬正明，研究方向為海洋工程

P716+.21

A

1005-9857(2017)12-0081-04