声学多普勒剖面流速仪.doc

声学多普勒流速剖面仪第一章 说明 谢谢您购买Nortek.Aquadopp剖面仪。这个剖面仪设计的思想是提供给你们多年的安全和可靠的服务。这个剖面仪在水中采用声学多普勒效应测量水流剖面。它的设计是为定位应用程序，并且可以配置在底部、钻塔停泊处、浮标上或其他任何固定结构。这是一个完整工具，包括所有部件，这些部件需要带有数据存储在内部数字记录仪的自包含的配置。典型的应用包括海岸研究、在线监视和在河流、湖泊、海峡的科学研究。Aquadopp剖面仪有多种多样的可靠的配置头。Aquadop是Nortek As中一个已经注册的商标。Aquadopp剖面仪用用三个倾斜25度的声束在用户选择的单元中精确地测量水流剖面。如果系统安装的好的话，内部的倾斜度和指南针传感器告诉水流的方向，高分辨率的压力传感器提供深度和有关潮水的上升。这个标准的9MB的记录器和内部的碱性电池对于24个月的部署是非常充足的。通过增大至161MB的内存和外部锂电池甚至充电电池可以使部署次数可以增加或者取样计划加强。通过用外部电池筒进行进一步的扩展也是可行的。实际应用快速的看一下Aquadopp剖面仪你会感觉到它只是一个很容易部署的小且实用的水流剖面仪。它提供完整的水流剖面并且形成一个标准，这个标准具有所有要修改的东西，比如内部记录、指南针、倾斜度、压力、温度、软件、海底电报等等。开始要想正常运作：1 在你用Aquadopp之前，必须阅读这个用户指导的第二、三、四章从而熟悉这个水流剖面仪。2 按照第五章的步骤完成Aquadopp的接受控制和功能测试。3 按照第六章的步骤开始使用Aquadopp。4 按照第十章的步骤进行定期保养。保证为了保持现代化并且能从厂家得到消息和技巧，您应该在我们的网址上注册。用Internet登陆/newsletter.php。输入您的名字、电子邮件地址和有兴趣的话题。我们也推荐用户论坛，在那你们可以张贴问题并且可以和其他人在有关海洋的社区中进行讨论。要进入用户论坛请登陆，然后点击Forum。如果您没有网络入口，或者因为其他任何原因您更喜欢传统的邮件和电传，您可以填写并归还带有Nortek产品保证单的登记部分。Nortek AS提供一年的有限保修，其中延伸至所有部件和人力并包括由于工艺差或制造过程中的错误引起的任何故障。这个保修不包括由于设计导致的缺点，也不包括由于测量过程中的错误随之引起的任何形式的破坏。万一您的Nortek产品出现问题，首先通过参考伴随你的Nortek产品的文件尝试着去鉴别问题。当尝试鉴别问题时，如果需要进一步的帮助，请联系当地的Nortek代表或者联系厂家。在任何产品或模块返回之前，请确保您收到授权商品的回复（RMA）.一个RMA能够通过电子邮件获得：inquirynortek.no或 者我们的传真，号码是：+47 6713 6770。还要明白附录。第二章 技术说明书水速测量声频： 0.4MHz 0.6MHz, 1.0MHz, 2.0MHz最大的剖面范围： 6090m 3040m 1220m 48m单元尺寸： 28m 14m 0.34m 0.12m最小的空白： 1m 0.50m 0.20m 0.05m最多单元数： 128速率范围： 10m/s（需要扩大的范围）精确度： 测量值%0.5cm/s最大的取样速率：1Hz不确定的速率：参考软件程序*）Aquadopp剖面仪根据声波的散射条件在一个用户的许多专门的单元中测量水流剖面，这些单元来自器具扩至最大范围。低范围的期望清水和小单元，而高范围的期望大单元和听着浑浊的水。回声强度取样：与取样速率一样分辨率：0.45dB动态范围：90dB传感器频率： 0.4MHz 0.6MHz 1.0MHz 2.0MHz声束的数量： 3 3 3 3声束的宽度： 3.7 3.0 3.4 1.7传感器标准温度传感器：内装电热调节器范围： 4C to 40C精确度/分辨率：0.1C/0.01C反映时间：10min指南针传感器：具有液体倾斜的磁通量闸门最大倾斜度：30精确度/分辨率：2/0.1倾斜度传感器：液体水平面精确度/分辨率：0.2/0.1上或下：自动探测压力传感器：压阻的范围：0100m（标准）精确度/分辨率：饿数值范围的0.25%/0.005%相似的输入海峡数量：2供电电压：电池电压。通过硬件可以变成5 V 或 12 V输入电压：05V分辨率：16bit A/D连续的信号传递I/O: RS232.RS422.大部分软件都支持商业性可靠的USBRS232转换器波特率：300115200（用户设置）内部记录容量：9MB，能扩展至33,89或161MB数据记录：32bytes+9NCELLS模式：当出现错误或约束模式时应停止操作 “AquaPro”软件操作系统：Windows 2000,Windows XP功能：部署计划，数据恢复，ASCII码转换，在线数据采集和绘图展示电源直流输入：916VDC平均每赫兹最大消耗：0.21.5W睡眠状态消耗：0.0013W传输功率：0.320W，有四个可调等级内部电池类型/容量：18 AA碱性电池/ 50Wh新的电池电压：13.5VDC持续时间（平均每十分钟）：80天适合2MHz，0.5m电池持续时间（平均每十分钟）:50天适合1MHz, 1.0.m电池持续时间（平均每十分钟）:40天适合600kHz,2.0m电池持续时间（平均每十分钟）：20天适合400kHz,2.5m电池精确地电池消耗和速率的不确定性是配置部署的复杂功能。需要更多精确地预报请参考AquaPro软件。尺寸在空气中的重量：2.4.kg/2.6kg(0.6MHz)/3.7kg(0.4MHz)，其中带有碱性电池长度：看图纸上先前的记录直径：看图纸上先前的记录材料标准：带有钛螺旋体的迭尔林(聚甲醛树酯)和聚亚安酯塑料连接器 防水壁（推动力）：MCBH-8-FS电缆：PMCIL-8-MPon10-m聚亚安酯电缆环境操作温度：5C to 35C储存温度：20C to 45C冲击和振动：IEC 72132浅水深度：300m。除压力传感器外应用与所有部分。这个压力传感器能够承受的最大深度是浅水深度的1.5倍。依靠这个订购的压力传感器可以限制厂家决定所允许的最大部署深度。选择电池：锂电池，可充电的Li-Io外部电池：200Wh,540Wh或者1080Wh，碱性的防水壁连接器：钛代替青铜传感器上端:右角的上端应为1 or 2MHz。专业配置要求可靠。第三章 技术说明这个说明书阐述了Aquadopp剖面仪的变量。这个400 kHz的模型有一个最大的头，这个600kHz的模型比1 MHz 和 2 MHz的头稍大一点。 Aquadopp剖面仪的组成 这个传感器的头包括三个声音传感器，一个倾斜度传感器，一个温度传感器和一个压力传感器。上面图形所示：最左边两个头部装置是可利用的1 MHz 和 2 MHz的剖面仪。然而600 kHz的剖面仪（右边）有一个稍微大点的头。下面这幅图所示：这个400 kHz的有一个更大的头。1这个倾斜度传感器安装在一个小的分离的pcb上，这个pcb附着在容器内部的头上。设置倾斜传感器的方向与系统在正常操作过程中的方向一致。Aquadopp的标准是设计为垂直方向，然而在头部的倾斜传感器设计为水平方向，因此他们适合这种方向。如果没有问题，所有的Aquadopp剖面仪可以随意使用（相对于原先设计好的方向）。2 对于所有的Aquadopp剖面仪，他们的温度传感器的标准一致且都安装在传感器的头部。3 压力传感器安装在Aquadopp剖面仪内部传感器头部。其他的组成部分包括：* 电子学模块：电子学包含一个甲板，这个甲板支持电力传输，相似信号和数字信号的处理电路，电力调节模块和9MB的数据记录。 * 罗盘：内部的磁力计测量地球的磁场。与在头部的剖面仪倾斜度传感器一起形成一个指南针，它能使Aquadopp剖面仪获得方向。这些数据能使Aquadopp剖面仪把速率测量转换成地球坐标。观测到Aquadopp剖面仪虽然没有磁力计，但仍能测量倾斜度。* 内部电池组：电池组安装在压力箱内部，可以使自治装置工作达一年。由于外部供应，一旦出现故障，它也可以提供备用电源。标准的碱性电池用18 AA的电池组组成，这个电池组的初始电压时13.5VDC。* 电源和信息电缆：电源和信息电缆连接在外部连接器上。这个电缆可供应外部直流电源（916 V），并且可以把外部计算机连接在Aquadopp剖面仪上进行双向交流。电缆线Aquadopp形成具有八线制的RS 232接口电缆的标准，但它能用这八线制的传输电缆接受命令与RS 422进行通信。下面的表格根据电缆线所提供的选择列出了各个引脚的定义。Aquadopp电源和电池线受二极管保护，因此您不必担心给Aquadopp电源装电线时弄错方向，即使安装反了由于二极管的保护也不会损害您的机器。 注意！NorTeK的碱性电池组在开始使用时电压是13.5 VDC或稍高一点。这个碱性电池的电压在开始时下降很快，在使用过程中下降很慢，到最后又下降很快。因此这个13.5 VDC的电池组在使用过程中大部分工作在10.512.5 VDC范围内。警告！在虚拟插头和电缆上确保使用硅沫而不能使用硅油脂。在这些上面使用硅油脂可能会对系统造成永久性的危害。它只能用在o-rings上。Aquadopp剖面仪的主要组成部分 采用RS 422的电源要求RS 422的电源要求比RS 232的高，也比它的更难预测。RS 422增加了至少60mW的睡眠消耗和60250mW的操作消耗，这些都取决于如何终止RS 232/RS 422转换器。自从RS 422被正常的用于精确的时间操作中，您就可以从外部电源资源获得额外的需求电源。第四章 功能描述 这一章简单描述了一些根本的规则，这些规则控制着Aquadopp剖面仪的运作和应用。 操作模式注意！如果你设置Aquadopp剖面仪搜集数据，电源突然断电一会又重新获得电源，这个剖面仪将会直接继续进行数据采集。记住内部时钟可能会失去今天的正确时间。基本的概念。在这个简化的图形中，Aquadopp剖面仪在一系列单元中沿着每一条声束测量水流从而获得水流剖面。清楚地是，在每个声束中只有五个单元。这些单元互相交迭的事实已经被遗漏了。 Aquadopp剖面仪有三种不同的运行模式： 1 命令模式：在命令模式中，Aquadopp剖面仪通电并且准备接收指令。如果在五分钟之内没有接收到指令，它将会自动断电进入睡眠或者断电模式。大部分指令不能直接发送到Aquadopp剖面仪。这些指令包括i.a.调度设置指令。然而你应该通过AquaPro软件输入命令。这个AquaPro软件和硬件与其他有用的低级二进制数据结构相联系。这种方式使AquaPro硬件的设计简单化，并且可以增加全面的可靠性。2 数据获得模式：当你点击任何开始指令时Aquadopp剖面仪就会进入数据获得模式。（例如，在AquaPro软件中开始记录调度）当你开始顺序调度时，这个软件会将你设置的参量转换成二进制结构，并且把这个结构下载到Aquadopp剖面仪进而告知它开始数据采集。要使这个设备退出数据获得模式，在AquaPro软件中用Stop指令。你或许会注意到：在数据获得模式下向Aquadopp剖面仪发送暂停指令将会从设备获得反映，但数据本身的获得是不受影响的。这样设计的目的是在偶然暂停时保护系统。要想使获得的数据暂停，你必须确定这个暂停。理论上讲，每一声束有128个单元，真正的应用将受到声束范围和可允许的最高分辨率的限制。这个空白时在测量还没有发生的时间段内，在发射一个脉冲信号之后给传感器反映时间是很有必要的。这些单元相互交迭。Aquadopp剖面仪在每一个测量单元应用三角形的浮标，正如沿着声束所标示的。浮标基线是假想单元大小的两倍。大约75%的回声都来自于假想的采样空间。记录沿着这条声束这些单元是怎么相互交迭的。人们用带有外部数据记录器（或者相似的装置）的Aquadopp剖面仪。他们想知道如果用在ST中的低级指令AD开始测量，在突变之后不需要暂停系统的确认。在Paradopp 接口手册中描述了低级指令控制系统的特征，个别可利用的东西 请联系厂家咨询具体细节。3 断电模式：断电模式可以在调度过程中节约电量和预 防电量的浪费。Aquadopp剖面仪在五分钟的静止状态之 后自动进入断电模式。当Aquadopp剖面仪搁置时为了保存电量必须确保它不能处在数据获得模式。在储存Aquadopp之前，采用其中的一个Stop按钮停止数据采集。利用多普勒效应您一定听过多普勒效应，每当火车经过时，你所听到的变化都能告诉你火车行驶的有多快。Aquadopp剖面仪采用多普注意！多普勒测量指南可以在/principles.html网址上找到。多普勒效应测量水流的速度，即通过发射短的声音脉冲，听它的回声，测量回声的变化或频率。 有很多种方式测量多普勒效应，每一种都有它的优缺点。Nortek采用一个窄带的自动协方差方法，因为这个已经被确认为稳健的，可靠的，精确的。声音不从水本身反射，而是从水中悬浮的粒子反射的。这些粒子是典型的浮游生物或者是悬浮的沉积物。长时间普勒电流传感器的经验告诉我们这个多普勒剖面仪遇见的小粒子的平均速度与水的速度是一致的测量的速度是水的速度。 多普勒声束 多普勒电流传感器利用大的换能器（相对于声音的波长来说）来获得窄的声束。例如，这个2MHz的Aquadopp剖面仪有一个1.7的波束宽度。窄带声束对于获得好的数据是很有必要的。 每一条声束测量与声束平行的速度，与声束垂直的速度一点都检测不到。这个Aquadopp剖面仪利用三条声束可以检测到三维的速度，并且都指向不同的方向。如果假设水流均匀的经过三条声束，那么简单的三角法对于计算任意方向的速度都是有效的。如果水平的变化是线性的，那么在不均匀的水流中Aquadopp剖面仪也能提供很好的测量值。 这个测量单元的形状像三角形（如上一页在Fig中表示的一样）。加权函数最大的长度是发射脉冲长度的两倍。 坐标系 Aquadopp剖面仪测量与三条声束平行的速度部分，例如在声速坐标系中，但是它记录的数据是东，北和上或者是ENU坐标，要想获得ENU分量，首先应把数据转化成XYZ坐标系，相对于Aquadopp剖面仪来说是正交坐标系统。这个一起再利用它的磁力计和倾斜测量把这个速度转化成跟球或者ENU坐标有关的部分。 坐标系定义如下： 声束坐标系中，沿着声束1的际速度就沿着声束1所指的方向运动。对于声束的定义看右边的Fig。 在XYZ坐标系中，沿着X轴的实际速度就是朝着X轴的箭头所指的方向传播。 在ENU坐标系中，实际的东方向就是沿着东传播。姿态纠正典型的停泊处允许Aquadopp剖面仪自由的倾斜和翻转。它测量倾斜度和航向，并且利用指南针的信息把这个数据转化成真实的地球坐标。这个器械多长时间读一次倾斜度和航向依靠所利用的部署设置。像在第六章操作解释的一样，Aquadopp剖面仪软件允许你利用一系列预先定义的设置，或者是创造自己的设置。 声束方向。在声束坐标系中，沿着声束1的实际方向就是沿着声束1所指的方向传播。XYZ方向。Aquadopp剖面仪的XYZ方向随着这里所指的头部配置的变化而变化。最左边和最右边的单元都有一个X雕刻到上面表示X方向。对于具体的细节看坐标系统。 因为磁力计需要能量，Aquadopp剖面仪仅在需要的时候读取航向。在功率消耗和精确度消耗之间的交易在预定义的部署设置中也考虑到了。因此，我们建议当你创造自己的部署设置时，你应该坚持把预定义的指南针更新比率（当你选择一个部署环境时它也会出现），除非你有更好的理由做其他方面。速度的不确定性注意：Aquadopp剖面仪软件仅能预计器械的误差。在很多情况下，周围的湍流也能决定短期的速度波动。注意！关于利用PUV方法测量的波动的个别知道文章在/principles/Waves.html#PUV网站上可以找到。 这个记录的速度是很多速度估计值（叫做pings）的平均值。每一个ping的不确定性是受短期误差控制。通过计算很多pings的平均值可以减少测量的不确定性。你所能减少的不确定性是有一个限制的。我们把这个限制叫做长期偏差。 长期偏差依靠内部的信号处理，滤波器和这个声束几何。在Aquadopp剖面仪中的长期偏差一般来说是1cm/s的一小部分。Aquadopp剖面仪软件依靠单ping的短期误差和很多pings的平均值来预计误差。单ping的短期误差主要发射脉冲的大小和测量空间也依赖与声束几何。与声束平行的速度部分比相对于声束有一个较陡的角度来说具有更小的短期误差。通过这个公式计算多pings的平均值可以减小误差： 在这里是标准偏差，N是计算平均值的pings的数量。 比如在边界层的湍流中，你的数据采集策略应该考虑自然界和环境波动的时间标。在边界层的一个粗略的法则是湍流速度的均方值是平均速度的10%。例如，如果平均值是1cm/s，你能够估计湍流的波动速度是10cm/s。获得1cm/s的不确定性均方值至少需要100pings。 测量波动 Aquadopp剖面仪也可以利用PUV方法来测量波动。然而，记住Aquadopp剖面仪采集未加工数据是很重要的。因此，通过观察这些数据可能不完全都是有意义的。在解释表面波动之前这些原始数据要进行处理。这个处理将会导致经典的波动估计如高度，周期和方向。不像水流剖面估计一样，波动处理是很复杂的。Nortek的软件程序QuickWave或者是Storm能够用于后处理中。 当用在波动模式中时，Aquadopp剖面仪测量压力和两个水平速度部分。 这个原始信号的数据记录不能提供表面环境波动的一个清晰的观点。例如，在自由液面上压力记录是一个衰减的版本。因此只有这些记录的数据处理了才是特别有用的。这个类似于轨道的速度测量。事实上，轨道速度经常出现噪音，当在一个周期内波动很短时，一个正弦波图形是很难观察到的。第五章 准备使用仪器 我们强烈建议你们在货物一到达就要对装载的货物进行检查。下面这幅图说明了标准的装载货物的内容。所提供的通信电缆的类型依靠安排好的交流类型（RS232或者是RS422）。标准装载货物的内容。所做的每一步努力都是为了保证装载的货物与这个顺序是一致的。然而，作为一个警告，我们建议在头部顶在部署地点之前仔细检查这个装载的货物。一旦出现不可能出现的差异，应立即把这个报告给厂家。连接电池Aquadopp剖面仪在压力箱中安装了电池组，但是是分离的。作为一般的警告，在你的仪器中用碱性电池之前应该消磁你可以自己完成这一步，即通过面对PC监视器（CRTs不是LCD屏幕）的中心放置底部装有塑料的电池，并且利用监视器的消磁功能。这样做的目的是使对指南针的每一个作用最小化。在压力箱中要始终保证有干燥剂。当这个器械在冷水中部署时，进入这个筒内部的湿空气就会凝结成水从而破坏电子电路。 当对碱性电池消磁时利用一个CRT监视器而不是LCD监视器 。 接通电池组 拧下支撑压力箱后盖的四个螺丝（1）和垫圈并且把后盖拿开 把这个电池拉出压力箱（2） 把这个电池连接在2插头连接器上（3）并重新插入。 把后盖插入压力箱，拧上四个螺丝和垫圈。小心的拧紧螺丝以防避免损坏压力箱的线程。拧紧螺丝直到后盖接触到压力箱（典型的转矩是2-3Nm），这时你能感觉到他们都就坐了。记住海洋的压力紧紧保存在后盖上所有的这些螺丝所做的就是使它密封并且当这个系统在水上时保持后盖舷缘倾斜。连接电池在PC上安装Aquadopp剖面仪软件这个Aquadopp剖面仪CD包括你需要安装和管理Nortek Aquadopp剖面仪应用的一切东西。并且它设计的计算机可以管理Microsoft Windows 2000 and Windows XP。你应该把这个应用从CD上安装在硬盘上；你不能在CD上运行这个程序。安装这个程序 插入Aquadopp剖面仪CD。浏览这个Aquadopp剖面仪程序文件夹，查找文件Setup.exe的位置。 双击Setup.exe，跟随屏幕上的说明进行操作。运行Aquadopp剖面仪程序你启动Nortek Aquadopp剖面仪就像启动其他任何软件应用程序一样： Click Start Programs Nortek AquaPro.如果你在一个文件夹中安装这个程序不同于默认的设置（默认文件夹名是Nortek）,在上述设置中就会有相应的代替品。你启动时获得的可靠的资源下面这些资源在你运行程序时任由你支配： 这个手册，在程序内部也是可以理解的。 在线帮助也包括敏感的上下文帮助部分。 在万维网上的Nortek是为了更新和技术支持（在用户指导的第四页可以看到详细的信息）。 Nortek论坛（在用户指导的第四页有详细信息）。运行一个功能测试要运行一个功能测试： 插上变压器，把Aquadopp连接到PC串行接口上。启动Aquadopp剖面仪程序。 从通信菜单中选择串行接口，并详细说明所利用的端口号：设置连续通信 接受这个默认的波特率设置（9600波特），这个也是默认仪器的波特率。 检查这个仪器通信，通过激活这个Terminal Emulator窗口来核实仪器是通电的，并且按Send Break按钮向串行口发送BREAK信号。当接收到中断时，除非在数据采集模式下否则中断会导致仪器记录鉴别字符串，在后面这种情况中仪器将会给出回应并且期望MC命令它接受这个中断从而延缓它正在进行的活动。然而另一方面这个被Aquadopp剖面仪软件完成时这个仪器就会提示你确认悬置这个活动的意图。通信已成功就关闭这个terminal emulator。如果不成功，就检查电池，布线和COM端。 检查仪器的噪声级别，通过选择Deployment Planning Use existing产生下面的对话框。如图所示设置Profile interval (s)为1秒，点击OK。保持Aquadopp剖面仪在水外面。在空气中的震动应该产生一个20-30计数的（2MHz类型）信号强度(Amplitude)，25-35计数（1MHz类型）和30-40计数（600kHz类型）。因此获得的这个噪声电平叫做噪声基底。当仪器在空气中震动时，这个速度测量值除了噪音之外什么都没有。从一个PC运行的Windows XP的屏幕截图，说明了在空气中的震动（并且是噪声基底的原因）。如果你还没有看到Aduadopp的日期，它可以展示从2000年开始的日期。像在Fig中标明的一样，确保选择所列出的底线中的振幅。把这个仪器放在水桶中，观察这个信号强度和声速。这个信号强度应该显著上升（这个真正的水平要依靠水桶的大小，形状和材料），而这个速度数据显得不不那么嘈杂。 查阅传感器的读物：倾斜和翻转这个Aquadopp剖面仪可以证实这些读物是有意义的（具体细节请阅读这一章后面的核实内部传感器）检查这个Aquadopp剖面仪测量的温度。假设Aquadopp剖面仪已经在室内放了一会了，则它的温度应该接近室内温度。以防出现不正确的温度测量值。你应该纠正这个温度。（具体细节请阅读这一章后面的核实内部传感器）。如果可以的话，校正这个指南针。如果这个仪器放置在有磁性的结构中（包括磁性材料的典型结构或者其他结构），校正是特别重要的。把这个结构的磁力作用考虑在内观察这个这个指南针的标度应该在原位。这个步骤在后面章节中描述为核实内部传感器。压力应该接近与零。在一个50cm深的水桶中检查这个压力传感器，或者把你的嘴放到这个压力传感器上吹从而产生大约50-150cm的压力。你或许想插入一个压力偏置使这个深度指示与其他所用的测量装置排成一排或者是补偿周围的压力。更多关于这方面知识在这一章后面的核实内部传感器可以找到。如果这个压力传感器看起来是不合格的。如果你使用教老版本（1.24版本之前）的Aquadopp剖面仪，你可以经历到这个压力传感器始终输出零。如果到测验时周围的压力还比校正的压力传感器低很多，那么这个就会发生。本质上讲，这个仪器记录的是现在的压力是负的而被报道称之为零（负值总是被报道成零）。为了避免这个（对于v.1.24之前的Aquadopp剖面仪版本），在侵入水之前，你应该增加10m作为压力补偿（查阅这一章后面的核实内部传感器）。