ADCP介绍

ADCP基本概念ADCP•Acoustic－声学•Doppler－多普勒•Current－流速•Profiler－剖面仪ADCP其测流原理是：通过按一定规则排列的4个声波换能器向水中发射脉冲声波，然后聆听被水体中颗粒物散射回来的声波。ADCP假定水体中颗粒物与水体流速相同，依据反射信号的多普勒频移计算颗粒物沿声束方向的移动速度；利用测河底脉冲测量水深及测船相对于地球的速度矢量，取两者矢量差值就是要测量的流速矢量。用航行速度乘以时间可计算出水面宽。有了水深、水面宽和流速，即可计算流量。遥测型ADCP声波与水面波浪的类比波峰波谷波浪：水位最高处水位最低处声波：压力最高处压力最低处+-波峰波谷声波／波浪参数波长(l)–相邻波峰之间的距离（单位：m）+-波长=1m波长声波／波浪参数频率(f)–单位时间内通过某一观察点的波峰数目(单位:Hertz[Hz])+-波传播方向１秒频率＝4Hz观察点声波／波浪参数声速(C)–声波传播的速度(单位:m/s)C=fxl水中的声速与水温、盐度有关。约为：1500m/sADCP频率(kHz)波长(mm)声速(m/s)300515006002.5150012001.251500ADCP利用声波测量流速ADCP原理流程图ADCP数据处理流程图ADCP利用声波测量流速•声波是压力波，可在气体、液体、及固体中传播。•声波波峰对应于高压区，波谷对应于低压区。•人们通过压力波对耳膜产生的振动感觉声波。内耳将压力波的机械能转化为大脑可识别的电信号。•人类能听到的声波频率范围为20-20,000Hz•ADCP频率范围为300,000-3,000,0000Hz声学多普勒原理•由于观察者与声源之间的相对运动使观察者接收到的声波频率发生改变的一种现象TRAINAPPROACHES--HigherPitchTRAINRECEDES--LowerPitch经典实例8波/单位时间声学多普勒频移取决于沿声束方向运动60观察者速度表观速度12波/单位时间10波/单位时间0波/单位时间4波/单位时间4波/单位时间ADCP利用水中颗粒测流速•ADCP向水中发射固定频率的声波短脉冲。•这些脉冲碰到水中的散射体（浮游生物，泥沙等）发生背散射。•ADCP接受回波信号并处理得到流速)1(tRN声束(beam)：类似于探照灯发射的光束，压电陶瓷片振动发出的声波也具有一定的方向性且能量集中于较小的范围内。声束角（beamangle）：声束轴线（即换能器轴线）与ADCP轴线的夹角。通常为20度、25度、或30度。声束宽度(beamwidth)：以角度表示。即声束扩散角。声束宽度一般定义为在换能器回波能量曲线上-3分贝对应的离声束中轴线的角度。声束坐标及沿声束方向流速Fd＝2FV/CFd＝声学多普勒频移F＝发射波频率V＝沿声束方向流速C＝声波在水中的传播速度3124坐标系统声束坐标[EX00nnn]仪器坐标（X-Y-Z）[EX01nnn]X=声束3&4.Y=声束1&2.Z=垂直于Ｘ－Ｙ船坐标[EX10nnn].考虑了纵摇和横摇将流速转换到水平面和垂向。地球坐标(E-N-U)[EX11nnn]考虑了纵摇、横摇、和方向将流速转换到水平面和垂向。ＹＸＸＹ不同坐标下的流速及其转换•ADCP首先测量的是沿声束方向的流速分量。•根据声束角，将声束坐标下的流速分量转换成ADCP坐标(X-Y-Z)下的流速分量•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(X-Y-Z)下的流速分量转换成地球坐标(E-N-U)下的流速分量—东向，北向和垂向分量。不同坐标下的流速及其转换VＵVＥVＮVX,VY,VzV1,V2,V3,V4V4V1V3V2VE,VN,VUX=声束3&4.Y=声束1&2.Z=垂直于Ｘ－Ｙ１－２声束对３－４声束对水平流速非水平流速流速矢量实测流速分量未测流速分量声束对流速空间分布均匀流速空间分布及空间平均流速空间分布不均匀•水流在垂向上被分割成若干层，叫做深度单元（depthcell）。•一台ADCP相当于许多台单点流速仪CurrentVelocityVectorDepthCellAveragesVectorWithinCompleteDepthCellAreaMeasuresCurrentOnlyataLocalizedPointintheAreaADCPMooredLineofStandardCueentMeters深度单元和流速剖面1234567891011Depthcells深度单元ADCP机械式流速仪cell1cell2cell3cell4开始离ADCP距离ADCP如何测量垂线上各点流速（流速剖面）结束发射脉冲时间回波回波回波回波单元１单元２单元３单元４盲区窗口１窗口２窗口３窗口４倾斜角度ADCP利用倾斜计数据进行倾斜校正未倾斜时对应单元倾斜后对应单元0o0o90o90o90o90o180o180o270o270o270o270o40db30db20db10db40db30db10db20db换能器发射能量分布：主瓣与旁瓣大直径换能器小直径换能器最大剖面范围（深度）（maximumprofilingrange）：)1(tRN•指ADCP能够提供有效数据的距离范围（即离ADCP的距离）。•最大剖面范围取决于：系统频率、ADCP工作模式（即声信号发射和处理方法）、深度单元尺寸和数目、水体含沙量、温度、盐度等。最小剖面深度（minimumprofilingrange）：)1(tRN•最小剖面深度取决于系统的盲区和最小单元长度。•通常假定在垂线上至少保证两个有效单元，则最小剖面深度的计算公式为：最小剖面深度＝盲区＋２×最小单元长度＋旁瓣区厚度或最小单元长度（两者中较大者）盲区(blankingdistance))1(tRN•靠近ADCP换能器一定的范围。在该范围内，ADCP不能提供有效测量数据。•ADCP的换能器既是发射器也是接收器。两者交替进行工作。当压电陶瓷片受交流电激励产生振动发射声波后，压电陶瓷片会产生余震。要等到余震衰减掉后压电陶瓷片才能够正常接收回波信号。余震衰减需要一点时间。这个时间乘以声速即为ADCP的盲区。旁瓣（SideLobe）•对于声束角＝20度的ADCP，旁瓣区大约为水深的6%•25度:10%•30度:15%94%6%MainlobeSidelobe20?20?呯（Ping）呯准备休抿盲区接受回波和信号处理发射脉冲ADCP呯（Ping）呯呯呯集合（Ensemble）采样步长平均步长呯ADCP采样平均步长平均步长采样步长采样步长呯集合ADCP在走航测量中测量如下数据：相对流速（由“水跟踪”测出）船速(由“底跟踪”测出,或由GPS算出)水深（由河底回波强度测出，类似于回声测深仪）船的航行轨迹（由船速和计时数据算出，或由GPS算出）水跟踪和底跟踪水跟踪由水中颗粒的回波测量水流相对于ADCP的运动，该功能叫做水跟踪。底跟踪由河底或海底的回波测量河底或海底相对于ADCP的运动，该功能叫做底跟踪。如果河底或海底无推移质，底跟踪测得的速度即为测船的速度。ADCP流量测验原理与传统流速仪法（人工船测、桥测、缆道、涉水）的基本原理一样：•将整个测流断面化分为许多子断面（即布设多条垂线）•在每个子断面中垂线处测量水深并测量多点的流速从而得到垂线（即子断面）平均流速ADCP实测区、非实测区、微断面、单元示意图t0tmtk+1微断面起点离岸距离终点离岸距离表层底层中层(ADCP实测区)岸边区tkt1单元距离=3mDepth0.20.20.1ADCP流量测验示意过程QENSEMBLE=0.5m3/sSQ=0.5m3/s距离=9mDepthADCP流量测验示意过程0.20.20.10.30.30.30.20.3QENSEMBLE=1.4m3/sSQ=1.9m3/s距离=15mDepthADCP流量测验示意过程0.20.20.10.30.30.30.20.30.40.40.50.40.50.40.30.30.20.30.5QENSEMBLE=4.2m3/sSQ=6.1m3/s距离=21mDepth0.20.20.10.30.30.30.20.30.40.40.50.40.50.40.30.30.20.30.50.60.70.60.60.60.50.50.40.40.30.30.2QENSEMBLE=5.7m3/sSQ=11.8m3/sADCP流量测验示意过程距离=27mDepthADCP流量测验示意过程0.20.20.10.30.30.30.20.30.40.40.50.40.50.40.30.30.20.30.50.60.70.60.60.60.50.50.40.40.30.30.20.80.80.80.80.70.70.50.50.40.40.30.30.2QENSEMBLE=7.2m3/sSQ=19.0m3/s距离=33mDepthADCP流量测验示意过程0.20.20.10.30.30.30.20.30.40.40.50.40.50.40.30.30.20.30.50.60.70.60.60.60.50.50.40.40.30.30.20.80.80.80.80.70.70.50.540.40.40.30.30.21.01.01.00.91.00.90.70.70.50.50.40.40.20.2QENSEMBLE=9.4m3/sSQ=28.4m3/s距离=39mDepthADCP流量测验示意过程0.20.20.10.30.30.30.20.30.40.40.50.40.50.40.30.30.20.30.50.60.70.60.60.60.50.50.40.40.30.30.20.80.80.80.80.70.70.50.50.40.40.30.30.21.01.01.00.91.00.90.70.70.50.50.40.40.20.21.01.01.00.91.00.90.70.70.50.50.40.40.20.2QENSEMBLE=9.4m3/sSQ=37.8m3/s距离=45mDepthADCP流量测验示意过程0.20.20.10.30.30.30.20.30.40.40.50.40.50.40.30.30.20.30.50.60.70.60.60.60.50.50.40.40.30.30.20.80.80.80.80.70.70.50.50.40.40.30.30.21.01.01.00.91.00.90.70.70.50.50.40.40.20.21.01.01.00.91.00.90.70.70.50.50.40.40.20.20.90.80.80.60.50.40.20.80.80.70.50.4QENSEMBLE=7.4m3/sSQ=45.2m3/s距离=51mADCP流量测验示意过程0.20.20.10.30.30.30.20.30.40.40.50.40.50.40.30.30.20.30.50.60.70.60.60.60.50.50.40.40.30.30.20.80.80.80.80.70.70.50.50.40.40.30.30.21.01.01.00.91.00.90.70.70.50.50.40.40.20.21.01.01.00.91.00.90.70.70.50.50.40.40.20.20.90.80.80.60.50.40.20.80.80.70.50.40.70.70.60.40.30.60.40.30.2QENSEMBLE=4.2m3/sSQ=49.4m3/s距离=57mADCP流量测验示意过程0.20.20.10.30.30.30.20.30.40.40.50.40.50.40.30.30.20.30.50.60.70.60.60.60.50.50.40.40.30.30.20.80.80.80.80.70.70.50.50.40.40.30.30.21.01.01.00.91.00.90.70.70.50.50.40.40.2