(1) ADCP 基本概念

1、ADCP 基本概念基本概念 ADCP 培训之一培训之一 ADCP Acoustic 声学声学 Doppler 多普勒多普勒 Current 流速流速 Profiler 剖面仪剖面仪 ADCP 利用声波测量流速利用声波测量流速 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。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。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

2、人类能听到的声波频率范围为 40-24,000 Hz ADCP 频率范围为频率范围为 300,000-3,000,0000 Hz 声波与水面波浪的类比声波与水面波浪的类比 波峰波峰 波谷波谷 波浪：波浪： 水位最高处水位最高处水位最低处水位最低处 声波：声波： 压力最高处压力最高处压力最低处压力最低处 + - 波峰波峰 波谷波谷 声波波浪参数声波波浪参数 波长波长 (l l) 相邻波峰之间的距离相邻波峰之间的距离 （单位：（单位： m） + - 波长波长= 1 m 波长波长 声波波浪参数声波波浪参数 频率频率 (f) ) 单位时间内通过某一观察点的波单位时间内通过某一观察点的波 峰数目峰数目

3、(单位单位: Hertz Hz ) + - 波传播方向波传播方向 秒秒 频率频率 4 Hz 观察点观察点 声波波浪参数声波波浪参数 声速声速 (C) 声波传播的速度声波传播的速度 (单位单位: m/s) ) C = f x l 水中的声速与水温、盐度有关。约为：水中的声速与水温、盐度有关。约为：1500 m/s ADCP 频率频率 (kHz) 波长波长 (mm) 声速声速 (m/s) 30051500 6002.51500 12001.251500 声学多普勒原理声学多普勒原理 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者接收

4、到的声波频率发生改变的一种现象 TRAIN APPROACHES- Higher Pitch TRAIN RECEDES- Lower Pitch 经典实例经典实例 ADCP利用水中颗粒测流速利用水中颗粒测流速 ADCP 向水中发射向水中发射 固定频率的声波短固定频率的声波短 脉冲。脉冲。 这些脉冲碰到水中这些脉冲碰到水中 的散射体（浮游生的散射体（浮游生 物，泥沙等）发生物，泥沙等）发生 背散射。背散射。 ADCP接受回波信接受回波信 号并处理得到流速号并处理得到流速 。 8 波波 / 单位时间单位时间 声学多普勒频移取决于沿声束方向运动声学多普勒频移取决于沿声束方向运动 观察者速度观察者速

5、度表观速度表观速度 12 波波 / 单位时间单位时间 10 波波 / 单位时间单位时间 0 波波 / 单位时间单位时间 4 波波 / 单位时间单位时间 4 波波 / 单位时间单位时间 声束声束(beam)： 类似于探照灯发射的光束，压电陶瓷片振动发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。小的范围内。 声束角（声束角（beam angle）：）： 声束轴线（即换能器轴线）与声束轴线（即换能器轴线）与ADCP轴线的夹角轴线的夹角 。通常为。通常为20度、度、25度、或度、或30度。度。 声束宽度声束宽度

6、(beam width)： 以角度表示。即声束扩散角。声束宽度一般定以角度表示。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义为在换能器回波能量曲线上-3分贝对应的离声分贝对应的离声 束中轴线的角度。束中轴线的角度。 声束坐标及沿声束方向流速声束坐标及沿声束方向流速 Fd 2 F V/C Fd 声学多普勒频移声学多普勒频移 F 发射波频率发射波频率 V 沿声束方向流速沿声束方向流速 C声波在水中的传播速度声波在水中的传播速度 3 1 2 4 坐标系统坐标系统 声束坐标声束坐标EX00nnn 仪器坐标（坐标（X-Y-Z） EX01nnn X = 声束3 & 4. Y =声束1 & 2

7、. Z =垂直于 船坐标坐标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 (ENU)EX11nnn 考虑了纵摇、横摇、和方向将流 速转换到水平面和垂向。 不同坐标下的流速及其转换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。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根据声束角，将声束坐标下的流速分量转换成 ADCP坐标坐标(X-Y-Z)下的流速分量下的流速分量 利用罗盘提供的方向、倾斜计提供的纵摇和横利用罗盘提供的方向、倾斜计提供的纵摇和横 摇数据，将摇数据，将ADCP坐标坐标(X-Y-Z)下的流速分量转下的流

8、速分量转 换成地球坐标下的流速分量换成地球坐标下的流速分量东向，北向和垂东向，北向和垂 向分量。向分量。 不同坐标下的流速及其转换不同坐标下的流速及其转换 V V V VX, VY, Vz V1, V2, V3, V4 V4 V1 V3 V2 VE, VN, VU 声束对声束对声束对声束对 水平流速水平流速 非水平流速非水平流速 流速矢量流速矢量 实测流速分量实测流速分量 未测流速分量未测流速分量 声束对声束对 流速空间分流速空间分 布均匀布均匀 流速空间分布及空间平均流速空间分布及空间平均 流速空间分布流速空间分布 不均匀不均匀 水流在垂向上被分割成若干层，叫做深度单水流在垂向上被分割成若干

9、层，叫做深度单 元（元（depth cell）。）。 一台一台ADCP相当于许多台单点流速仪相当于许多台单点流速仪 Current Velocity Vector Depth Cell Averages Vector Within Complete Depth Cell Area Measures Current Only at a Localized Point in the Area ADCP Moored Line of Standard Cueent Meters 深度单元和流速剖面深度单元和流速剖面 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Depth cells 深度单元深度

10、单元 ADCP 机械式流速仪机械式流速仪 cell 1 cell 2 cell 3 cell 4 开始开始 离离 ADCP 距离距离 ADCP如何测量垂线上各点流速（流速剖面）如何测量垂线上各点流速（流速剖面） 结结 束束 发射脉冲发射脉冲 时间时间 回波回波 回波回波 回波回波 回波回波 单元单元 单元单元 单元单元 单元单元 盲区盲区 窗口窗口窗口口窗口窗口窗口窗口 倾斜角度倾斜角度 ADCP利用倾斜计数据进行倾斜校正利用倾斜计数据进行倾斜校正 未倾斜时对应单元未倾斜时对应单元 倾斜后对应单元倾斜后对应单元 0 o 0 o 90 o 90 o 90 o 90 o 180 o 180 o 2

11、70 o 270 o 270 o 270 o 4 0 d b 3 0 d b 2 0 d b 10 db 4 0 d b 3 0 d b 10 db 2 0 d b 换能器发射能量分布：主瓣与旁瓣换能器发射能量分布：主瓣与旁瓣 大直径换能器大直径换能器小直径换能器小直径换能器 最大剖面范围（深度）最大剖面范围（深度） （maximum profiling range）：）： 指指ADCP能够提供有效数据的距离范围（即能够提供有效数据的距离范围（即 离离ADCP的距离）。的距离）。 最大剖面范围取决于：最大剖面范围取决于： 系统频率、系统频率、ADCP工作模式（即声信号发射和工作模式（即声信号发

12、射和 处理方法）、深度单元尺寸和数目、水体含处理方法）、深度单元尺寸和数目、水体含 沙量、温度、盐度等。沙量、温度、盐度等。 最小剖面深度最小剖面深度 （minimum profiling range）：）： 最小剖面深度取决于系统的盲区和最小单元最小剖面深度取决于系统的盲区和最小单元 长度。长度。 通常假定在垂线上至少保证两个有效单元，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：则最小剖面深度的计算公式为： 最小剖面深度盲区最小剖面深度盲区最小单元长度旁最小单元长度旁 瓣区厚度或最小单元长度（两者中较大者）瓣区厚度或最小单元长度（两者中较大者） 盲区盲区(blanki

13、ng distance) 靠近靠近ADCP换能器一定的范围。在该范围内换能器一定的范围。在该范围内 ，ADCP不能提供有效测量数据。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。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 时间乘以声速即为时间乘以声速即为ADCP的

14、盲区。的盲区。 旁瓣（旁瓣（Side Lobe） 对于声束角对于声束角20 度的度的ADCP，旁，旁 瓣区大约为水深瓣区大约为水深 的的 6% 25 度度: 10% 30 度度: 15% 94% 6% Main lobe Side lobe 20 20 呯（呯（Ping） 呯呯 准备准备 休抿休抿盲区盲区 接受回波和接受回波和 信号处理信号处理 发射脉冲发射脉冲 ADCP 呯（呯（Ping） 呯呯呯呯 呯集合（呯集合（Ensemble） 采样步长采样步长 平均步长平均步长 呯呯 ADCP 采样采样 平均步长平均步长平均步长平均步长 采样步长采样步长采样步长采样步长 呯集合呯集合 水跟踪和底跟踪

15、水跟踪和底跟踪 水跟踪水跟踪 由水中颗粒的回波测量水由水中颗粒的回波测量水 流相对于流相对于ADCP的运动，的运动， 该功能叫做水跟踪。该功能叫做水跟踪。 底跟踪底跟踪 由河底或海底的回波测量由河底或海底的回波测量 河底或海底相对于河底或海底相对于ADCP 的运动，该功能叫做底跟的运动，该功能叫做底跟 踪。如果河底或海底无推踪。如果河底或海底无推 移质，底跟踪测得的速度移质，底跟踪测得的速度 即为测船的速度。即为测船的速度。 短脉冲未能短脉冲未能 覆盖河底覆盖河底 长脉冲长脉冲 覆盖河底覆盖河底 底跟踪脉冲底跟踪脉冲 短脉冲短脉冲长脉冲长脉冲 ADCP分类分类 窄带窄带 (Narrowband

16、), 即脉冲不相干即脉冲不相干 ( pulse incoherent） 脉冲相干脉冲相干(pulse to pulse coherent) 宽带宽带 (Broadband) ADCP 主要差别主要差别 窄带窄带脉冲相干脉冲相干宽带宽带 频带宽频带宽0.5-1 %0.5-1 %25% (6%) 脉冲波型脉冲波型一个长脉冲一个长脉冲一对短脉冲一对短脉冲两个以上编码脉冲波两个以上编码脉冲波 系列系列 编码编码不不不不是。每个编码脉冲波是。每个编码脉冲波 系列由若干个编码单系列由若干个编码单 元组成元组成 脉冲延迟脉冲延迟较长、可变化的较长、可变化的较短、不变较短、不变 多普勒频移多普勒频移 （流速）

17、测量（流速）测量 频率改变频率改变相位改变相位改变相位改变相位改变 宽带宽带 ADCP 发射两组或两组以上编码脉冲波序列。序列之间间隔为发射两组或两组以上编码脉冲波序列。序列之间间隔为“延延 迟迟”。 脉冲序列中编码单元的个数取决于延迟长度（时间）。脉冲序列中编码单元的个数取决于延迟长度（时间）。 脉冲序列数目取决于单元尺寸。脉冲序列数目取决于单元尺寸。 分析回波信号，计算自相关函数。用相关系数最大处对应的分析回波信号，计算自相关函数。用相关系数最大处对应的 相位改变计算流速。至少要求有两个脉冲序列来计算相关函相位改变计算流速。至少要求有两个脉冲序列来计算相关函 数。数。 编码脉冲波波形：相位改变编码脉冲波波形：相位改变180度度 编码单元编码单元 宽带宽带ADCP编码脉冲波序列编码脉冲波序列 未编码脉冲波波形未编码脉冲波波形 Contents of a delay line register with matching code element spacing Contents of a delay line register with a delay difference of one code element. 自相关函数自相关函数 编码脉冲波之间的相关性编码脉冲波之间的相关性 自相关函数自相关函数 0 40 400 AB AB 相位改变和时间膨胀相位改变和时间膨胀 -V