声学多普勒流速仪(ADCP)“旁辨”区数据处理方法的探讨.docx

1、水道港口JournalofWaterwayandHartxxjr声学多普勒流速仪（ADCP）"旁辨呕数据处理方法的探讨范东华，遥业良（天津水运工程勘察设计院，天津300456）摘要:声学多普勒流速仪（ADCP）是目前世界上最为光进的河流流速流ht实时测仙设备.文中通过对其“旁辨区进行讨论结合实测数据利用线性相关理论求得ADCF旁辨区中的流速值：关键词:声学多普勒流速仪;“旁辨”区;三维点式流速仪俄性相关中图分类号:P332.4文献标识码：A文章编号:1005-8443（2006）50-0039-（M声学多普勒流速仪ADCP是英文AcousticDopplerCurrentProfil

2、ers的简称，是利用声学多普勒原理进行研制的，是目前世界上最为先进的河流流速流址实时测量设务.自1981年在美拗诞生以来，随若技术的不断进步和日益完善，已从海洋测址逐步应用于河流流bt测虽,测ht精度也得到很大的提高.已从最初的肓区1m以上,降低到所谓的“零盲区”，剖面单元缩小到目前的0.05-0.25m,使其在宽浅河流上的应用成为可能。但在目前.我国很多单位使用的ADCP.Jt频率在300-1000kHz,*旁辨”区在Im以上。ADCP的“旁辨”区是指靠近河底（河底对声束的扰区），ADCP不能提供测hl数据或有效测地数据的区域，称为“旁辨”区。然而，ADCP的“旁辨”区（距离海底50cm以内

3、）流速测量对于海底冲淤及海底泥沙启动速度的研究其有重要的意义。怎样求得ADCP-旁辨”区中距离海底50cm以内的流速是本文讨论的主题'IADCP的基本原理ADCP即声学多普勒流速剖面仪，它从根本上摆脱了原来机械式仪器的测验原理，并Fl测验成果可以联机存储，提高了测验的速度和精度，也大大提高了水文测验工作的技术含站和现代化水平。ADCP配有4个换能器，换能器与ADCP轴线成一定央饰，每个换能器既是发射器又是接收器。换能器发射的声波能集中于较窄的范图内也称为声束（类似于探照灯发出的光束）。换能器发射固定频率的声波，然后聆听被水体中颗粒物散射回来的声波。假定颗粒物的运动速度和水体流速相同，当

4、颗粒物的运动方向接近换能器时，换能器聆听到的回波频率比发射波的频率高；当颗粒物的运动方向背离换能器时，换能器聆听到的回波频率比发射波的频率低。颗粒物随流而漂移,使该回波信号的麴率与发射的频率之间产生一个频差，即多普勒频移。ADCP通过多普勒频移来测址流速，见下式：Fd=2FX/C式中：Fd为声学多普勒频移；F为发射波频率；V为沿声束方向流速；C为声波在水中的传播速度。ADCP每个换能器轴线即为一个声束坐标，每个换能器测仙的流速是水流沿其声束坐标方向的速度。任意3个换能器轴线即组成一组相互独立的空间声束坐标，此外ADCP自身定义有宜角坐标系（局部坐标系）：J-Y-ZoZ方向与ADCP轴线方向一致

5、。ADCP首先测出沿每一声束坐标的流速分址，然后利用声束坐标与X-Y-Z坐标之间的转换关系（取决F声束角）,将声束坐标系卜的流速转换为X-Y-Z坐标系卜的三维流速，再利用罗盘和倾斜仪提供的方向、侦斜数据将X-Y-Z坐标系下的流速转换为地球坐标系下的流速。收稿日期：2006-07-08;修回日期：2006-08-18作者简介:范东华（1971-）.男.河北盐山人.工程师，主要从中工程测址及海洋测绘工作。Biography:EANDong-hua（1971-）.male,engineer.假定水体中颗粒物的运动速度与水体流速相同，ADCP通过跟踪颗粒物的运动（称为水跟踪）所测枯的速度是水流相对于A

6、IM1P安装平台的速度若ADCP的安装平台是固定的，“水跟踪”测魅的流速即为水流的绝对速度；若ADCP的安装平台是移动的.在.水跟踪”测址的相对速度中扣除移动平台的移动速度后即得到水流的绝对速度有两种方法可以测量移动平台的速度:一是“底跟踪”.是指ADCP通过接收和处理由河底的回波信号跟踪河底的运动，如果河底没有移动的推移质.“底跟踪”所测虽的速度就是船速;二是利用GPS测量移动平台的速度，由航迹上任意两点的GPS坐标值可以得到两点间的位移.再除以相应的时间步长即得到移动平台的速度，对于某一浒V断面,ADCP将浏出该断面中部区域内的流速。这个区域称为ADCP实测区。然而.在4个边缘小区域内AD

7、CP不能提供测量数据或有效测帝数据。第1个区域:近水面,M厚度大约为ADCP换能器入水深度ADCP行区，以及单元尺寸一半之和，第2个区域:近河底，称为“旁辨”区（河底对声束的扰区）。其厚度取决于ADCP换能器轴线倾角（与ADCP轴线的夹角）。例如RDI公司.瑞江”牌ADCP换能器轴线倾角20。,相应的“旁辨.'区原度大约为水深的6%.第3和第4个区域为近河岸两侧的区域出水深较浅，测M船不能近或者不能保证至少一个或两个有效测吊.单元，这4个小区域称为非实测区。其流速需通过测区数据外延来估算。针对第2个区域“旁辨”区,我们做r如卜试验，并对实验数据进行r回归分析，2现场试验实例上海国际航运

8、中心洋山深水港区小洋山北港区规划水域水文泥沙测验中.天津水运工程勘察设计院在P1点布放了一条锚系测址船n船上设置rRDI公司了江”牌ADCP进行定点连续15昼夜的流速观凯在观测期间,AI）CP按0.5m分层.每0.5h观测1次湍为了求得ADCP底层流速与其底盲区中距离海底30cn.处流速的相关关系，我们采用了国际上先进的-Xortek的“威龙”（Vector）三维点式流速仪，将其放置在P1点的位置距海底30cm处与ADCP同步测流3个昼夜,3数据分析及结论将Nortek的“威龙”（Vector）三维点式流速仪与ADCP同步测童的最低层（靠近海底的一层）3个昼夜148组流速数据取其流速涨、落潮的

9、平均值进行比较见仪器名称戒尼ADCP（最底层）差值备注涨潮流速平均值（n）/s）0.2771.0000.723流速去值平均：0.546落潮流速平均ffl（mA）0.2880.6570.369涨潮流向平均值（度）312288-24流向差值平均：22.5落潮流向平均位（度）145124-21平均水深（m）13.811.4-2.4表I涨、落潮流速平均值比较Tab.1(lornjiarisonIxHwtvnvaluesofvrioc-ityofrl>l)himIHowPl点处的海底平缓.平均水深14.1m.由上表可以看出：ADCP给出底层流速测址的位置在“威龙”测址点上方2.4m处，也就是说.A

10、DP不能给出距离海底2.4m区域的流速值。从理论上讲.ADCP的“旁懈”区在水深14.1m时为85-140cm,加上分层厚度5（）cm.即ADCP理想状态下的“旁二”区为135190cm。从现场测M的实验数据（威龙和ADCP）对比资料诃以看出：ADCP测得的底层流速比威龙测得的距海底30cm处的流速平均值大0.546.流向平均值小22.5。,平均水深2.4m.o不难看出，在现场测址中.ADCP的“旁瓣'区大于2m。Nortek的“威龙M（Vector）三维点式流速仪与ADCP同步测效的最低层（靠近海底的一层）3个昼夜148组流速数据比较的差值结果列于表2。流速流向过程线见图1、图2。由

11、流速流向过程图可以看出:涨落急潮段的流速差值较大.涨落憩潮段的流速差值较小，换而言之，流速越大差值越大.流速越小羌值越小,、那么.怎样求得ADCP-旁瓣”区中的流速值？不妨做一下两台仪器同步测流的相关分析.ADCP底层流速与威尼测W：的距海底30cn处的流速线性相关图见图3表214«组流速数据比较的是值Tab.2Diflereticelietwpfnflowvelocity(lataof148grvxip序号VA序号，A序号A序号VA10.155-34410.320-29810.405-231210.497-2820.171-4420.308-26820.710-211220.377

12、-2430.11533430.424-27830.959-181230.351-2940.124-17440.460-29M0.711-101240.189-2550.296-22450.547-31850.735-101250.01816860.390-23460.511-31860.561-181260.307-1670.478-24470.481-30870.414-321270.228-1380.363-224«0.355-32880.230-441280.338-1890.417-16490.266-34890.036-181290.378-20100.485-21500.

13、176-28900.229-281300.509-21H0.399-18510.145-34910.350-271310.564-20120.338-19520.022157920.368-281320.495-22130.309-28530.167-20930.326-331330.520-24140.149-47540.281-26940.442-261340.491-25150.060-4S550.446-24950.430-251350.386-20160.180-36560.373-21960.403-311360.294-33170.238-32570.438-21970.467-

14、251370.067-82180.347-31580.435-19980.368-281380.193-44190.453-34590.595-24990.208-281390.336-59200.462-28600.536-25KX)0.127-471400.382-32210.528-29610.285-181010.088-171410.505-31220.567-3()620.316-341020.203-101420.543-23230.423-31630.174-361030.603-201430.367-25240.391-32640.027-23l(M0.681-221440.

15、416-26250.301-2X650.203-30!050.657-231450.308-25260.179-32660.352-251060.466-19!460.280-29270.)91-16670*)-251070.467-191470.266-3428().206-26680.516-281080.606-2214«0.06713290.193-37690.555-281090.893-79平均0.363-27300.288-17700.648-311100.580-90最大0.959-18310.376-19710.542-27III0.233-93最小0.012-15

16、320.390-24720.593-261120.012-15330.385-17730.458-291130.253-33340.287-19740.318-281140.382-32350.439-23750.252-301150.352-29360.346-26760.176-191160.396-26370.279-21770471-28380.139-27780.318-1911180.693-33390.072-44790.272-241190.681-29400.091-72800.430-201200.634-31上表中:和分别为ADCP和威龙比较的差

17、值”流速*均座值为0.363;敞大差值为0.959；最小差值为0.012,从图3中可以看出.相关系数A=0.8585,说明:AIKP底层流速与威龙测量的距海底30cm处的流速线性相关性较强。那么.我们就可以利用线性相关方程：）=0.44520.0051来解求AI）CP“旁瓣”区中距离海底30cm处的流速值。以上分析的相关关系式在L.海洋山港海域可行,但在其他海域还需重新采取相应的测验手段求得对应的相关关系式。AATCPVM>1IV4)MVT>V9M91MW)U«5)>«»«M间隔半小时施速过程线间团1:小时图2流向过程线Eig.2How

18、dinvtioiicurve统11相关方料，y»0.445N-ixuniAIXPJttJ/：也ISF徊关不敷jR»f).图3ADCP族层流速与距海底30cm处的流速线性相关图Fig.3Urieariycorrelationcurveofbottomvelocityandvelocitya()art(ruinsuhiiarine30cmrr=«*ot-s-mRFig.IVelocitycurveDiscussionondataprocessingmethodinside-lookingzoneusingAcousticDopplerCurrentProfilerFANDong-hua.SHENYe-liang(TianjinSurveyandDesignInstituteofWaterTranxjtortEngineering,Tuinjin300456,China)Abstract:AIXLP(AcousticDopplerCurrentProfiler)islhen)o