走航式声学多普勒流速仪流量测验过程控制方法.docx

1、水文JOURNALOFCHINAHYDROLOGY走航式声学多普勒流速仪流量测验过程控制方法曹贯中，蒋建英，陈望琴（长江水利委员会长江下游水文水资源勘测局，江苏南京210011）摘萋：走航式声学多普玷流速仪沈量测脸过程应产格控制，否则将影响流量成果的精度。对腰声学多普勒流量测检规苑从仪耳设备的安装校正、多敷设豆及测睑实施等进行过程控制。并奸时安装校正出现的问题，从原理上举例说明及详侃介绍，通过各个环节控钥来提击流量测脸的精度。关词：声学多普勒沈速仪；现场测睑；控制方法中图分类号:TV123文*标识码：A文章编号:1000-0852（2011）S1-0065-051问题的提出走航式声学多普勒流速

2、仪在我国内陆河流量测验中得到广泛应用。但由于该仪器在测验过程中易受断面水流特性、安装环境、河流底部泥沙运动等复杂环境的影响，一般采用增加GPS、罗经等外部传感器消除外部影响，而在实际施测过程中虽然按照要求进行了参数的设置及测回施测，但施测的成果往往出现流速、流向及流景与实际情况不一致或偏差较大等现象。出现何题的主要原因是设备的安装、推求非实测区域的方式及命令参数的选择，这些均影响了声学多普勒流速仪流量测验的精度。为保证走航式声学多普勒流速仪流景测验成果质量，对其测验过程进行控制显得尤为重要。2过程控制方法2.1设备的安装规范对走航式声学多普勒流速仪的安装提出了明确的要求。通过几年的比测分析，现

3、场安装正确与否将直接影响到施测流成果质量。虽然可以将声学多普勒流速仪探头安装在船头或船弦的一例，但最重要的是外接设备应与测船一体，不应有丝毫的松动。其中，GPS定位天线应安装在声学多普勒流速仪探头的正上方，且天线四周没有遮挡卫星的物体。当声学多普勒流速仪内部罗经不能正常工作时，应配备外部罗经（不建议使用磁罗经）代M.GPS罗经则应在测船的上方牢固安装，四周无遮挡且两天线能接收到相同的卫星信号；使用电罗经时，应将电罗径安装在测船摇晃时晃动最小处。测深仪一般不建议使用，如需要则选择不是与声学多普勒流速仪频率相近，且垂直安装。忌之，外部设备安装首先是牢固，每个传感器都与测船一体，不能存在丝毫的松动；

4、第二是GPS天线是否安装在ADCP探头的铅直上方。（1）罗经安装偏差校正因外部罗经安装偏差肉眼无法精确目估，所以外部罗经和声学多普勒流速仪探头方向的安装偏差及磁偏差可在断面上施测一个测回来确定。具体校正方法是首先选择一个断面并施测一个测回（往返各一次），检查声学多普勒流速仪底跟踪和GPS的航迹线，并通过修改“罗经偏移童”或“磴偏差”来进行试算，检查底跟踪和GPS的航迹线是否清足罗经安装偏差校正原则。罗经安装偏差校正原则根据声学多普勒流速仪在GPS（GGA）模式下进行流短计算原理确定。底跟踪与GGA模式轨迹应符合图1所示：当无“动底”时，两个轨遂线应重合或平行（见图1重合和平行）。当有“动底”时

5、，BTM轨迹线应在GGA轨迹线的上游方向，在匀速运动时，“动底”越大，BTM与GGA轨迹线夹角就越大，反之越小（见图1向上游偏小、向上游偏大）。也就是说，若以任意段BTM与GGA的轨迹央角看，假定以往上游方向为正，则角度应该大于等于*。若出现往下游的趋势，则说明角度校正有错误，还需调整（见图1向下游偏小、向下游偏大）。通过试算后.可逐渐找出滴足上述原则的角度，这就是罗经安装偏差和磁偏差的（2）GPS的安装位置影响"GPS天线宜安装在声学多普勒流速仪正上方平面位置Im收HBM：2011-07-22作者简介：曹贯中（1983-）,勇.江苏如东人，助理工程师，主要从事水文测验工作。E-ma

6、il:xycMgr重合平行向上游偏小向上湖I大伽下游偏小翎下番偏大（黑色为GPS软造、红色为底跟踪轨避）图1BTM和GGA方式断面貌迹图Fig.lThecrosssectionaltrackofBTMandGGAmode以内”。当采用GPSGGA模式来测最船速时,CPS天线宜安装不在声学多普勒流速仪正上方时，其速度与实际不一致，特别是在转弯处相差较大，直接影响到船速的测量。图2所示，测船左转时，声学多普勒流速仪施测的船速比GPS施测的船速小;测船右转时，声学多普勒流速仪施测的船速比GPS施测的图2测格转弯时声学多普勒流速仪探头和GPS天线的轨迹图Fig.2TT»etraciuofAD

7、CPsenaorandGPSatennawhenthesurveyingboatmakesturning22非实测区域推求根据声学多普勒流速仪的测流原理声学多普勒流速仪施测的翅中间部分流量，存在着上层盲区部分、底层旁祷部分和两岸边非实测区的推求方法。特别是中小宽浅型断面，当实测部分减少时要考虑采用更高频率的声学多普勒流速仪施测。上下盲区的推求参数应根据断面实际流速分布率定，岸边流量根据形状确定选择系数推求，以免出现误差。2.3命令，敷的设宣命令参数除根据断面特性和声学多普勒流速仪仪器特性设置外,需要注意测量模式的选择叫应根据断面水深情况尽量采用高精度的测量模式，并使实测部分的数据采集最多，另一

8、方面要考虑误释流速和误差俩值的设置，避免设置过大导致测流精度的降低。2.4断面测量断面半测回流盘测验在起点位置应调整好航向方可开始,并在起、终点位置（满足水深条件下尽量靠近岸边）停留时间不少于5组脉冲信号。横渡施测时因尽量保持匀速和船首方向一致，原则上船速不宜大于流速（实际施测船速不宜大于2.5m/8）。如需确定垂线流速流向，则应在一定半径范围内至少采集4组有效数据。流量测孰应施测两个测回，任一半测回底跟踪和GPS模式下流量与平均值的相对误差不应大于5%,否处补测同向的一个半测回流量。当断面流场出现顺逆不定或变化较大时，可不考虑单次流量间的相对误差，流量以施测两个测回的均值为准。当底跟踪模式下

9、断面流量比GPS模式下断面流量偏小1%时，应采用GPS模式下流量作为断面流叫3应用实例3.1ADCP的安装检查（1）测验概况：2009年4月17日在某水文站断面进行的一次流最测验，施测时采用设备为瑞江牌600虹的ADCP,因AD-CP安装在佚质水文测船的边上离船舷边上，外部罗经采用的是GPS罗经，测前进行了罗经校正与ADCP探头的偏差校正，定位则是NAVCOMSF-2050G双频星站差分GPS,测流软件采用WinRiverVersion1.06o（2）数据分析：首先从施测的底跟踪、GGA或VTG模式下的流检查统计表（见表1）可见，底跟踪模式下的4次流量很接近，最大相差66n?/8,而GGA模式

10、下的流量相差却很大，达752m%,但也满足5%精度要求，见图3。GGA模式下的平均流景比底跟踪模式下的平均流最大224nP/s,在无“动底”的情况下是不正常的，两种模式的流ft应该是基本相近才对。为此，对偏差角进行重新校正，并满足底跟踪、GGA轨迹校正“罗经偏移»1不同模式下就西流量统计衰Table!HiesUtistiesofdischargeatthecroessectionunderdifferentmodes文件名底跟踪模式GGA模式（校正前）流量相对误差/%偏移量PGGA模式（校正后）相肘误差/%开始岸流量/mW相对误差/%偏移量rmOOI左77570.07082803.8

11、3-1.177680.13»s002右77570.0707612-4S5-0.27730-0.36m003左77790.36083644.88-L277990S3s»004右7713-0.4907643-4.16-Q27733-0.31平均775107975077570标准是280.364035.05330.42）（相对于GGA）-175.9-3965-617.2835.3一（相对于底曾睹）一（相对于GGA）-837.8-11)1.7-708.5-305.3东向距肖/m98.0501.2-398-512.7-107.4297.8东向距寓/m703.01108.3»

12、»002图3底跟踪和GGA断面轨诿图(校正前)Fig.3CrosssectionaltrackofbottomtracingandGGA(beforethecorrection)一（相对于底置譬）（相对于GCA）一（相对于底置譬）（相对于GCA）-704.8-298.4东向距禹/m108.1514.6332236.|7.帕79.861IssOOlssOO2图4底跟踪和GGA断面轨迹图(校正后)Hg.4CrosssectionaltrackofbottomtracingandGGA(afterthecorrection)量”或“磁偏差”的原则,4次流断面校正的偏差角分别为-1.1。、-

13、0.2。、-1.2。和-0.2。，也就是从左岸往右岸施测时偏差较大，达-1.1。和-1.2。，从右岸往左岸只有-0.2。，这样底跟踪、GGA轨迹校正后就完全重登了，轨迹线图见图4,流量见表1校正后值。偏差角改正后，GGA模式下的流量就也就跟着变化，使得底跟踪模式下的平均流量和GGA模式下的流量相差却小，只有3Ym%°GGA模式下的平均流量比底跟踪模式下的平均流最大3m3/s,基本一致。断面四次向最大流量差也只有69m3/s,两模式下流量基本一致。（3）结论：通过分析，本次流量ADCP探头在安装过程中没有达到牢固，存在着在施测过程中受水流冲击导致的探头松动,导致往返施测偏差角不一致，直

14、接影响到流量的结果和精度。虽往返施测存在一定的固定差，但可通过底跟踪、GGA轨迹判断校正“罗经偏移fit”或“磁偏差”的原则进行校正。3.2罗经安装偏差检查（1）测验概况：2007年8月22日在长江某水文站断面进行的一次流量测验，施测采用铁质水文测船、瑞江牌300虹的ADCP、HoneyMll3000数字磁罗经、NAVCOMSF-2050G双频«2校正前后不同模式下断而说统计衰Table2Thestatistics戒dischargeatthecrosssectionunderdifferentmodesbeforeandaftercorrection底跟踪模式GGA模式（校正前）G

15、GA模式（校正后）文件名开始岸流置如十相对误差1%偏移，流量/mW相对误差/%偏移量/°Ml/nf'S-1相对误差/%hk007左28109-0.17028547-5.942.5306560.43hk008右282240.2303573117.736.0305720.16hk009左283030.51028007-7.723.0305950.23hkOlO右27997-0.57029119-4.06-1.330271-0.83平均281580303510305240标准差1340.47361511.911720.56HK007HK008图5底跟踪和GGA断面轨迹图(校正前)F

16、ig.5CrosssectionaltrackofbottomtracingandGGA(beforethecorrection)航谈HK007HK008图6底跟踪和GGA断面轨迹图(校正后)Fig.6CrosssectionaltrackofbottomtracingandGGA(afterthecorrection)星站差分GPS及WinRiverVereion1.06测流软件。（2）数据分析：通过施测流堂（见表2）可以看出，在底跟踪模式下，四次测验流最满足精度要求，但在GGA模式四次测验流景相差很大，最大和最小流量相差7724m%,单次最大误差-17.73%,不满足一次流景测次的精度要求

17、。对应的底跟踪和GGA断面轨迹（图5）不满足罗经校正原则，通过重新校正，使其满足罗经校正原则（图6）,磁罗经的偏差每次角度都不是一样的，说明罗经在每次测量都不是很稳定，校正的角度从-1.36.0。,相差7.3。,见表2校正后成果。但通过从GPSCCA模式的流景可以看出，最大和最小流量相差385m%,单次流量最大误差为-0.83%,流量满足精度要求。（3）结论:使用磁罗经虽然进行了使用前的校正，但在施测过程中受到外部磁环境的影响磁罗经会出现偏差，如在半测回中磁罗经是线性变化的，罗经的安装偏差还是可以通过事后校正，在磁环境较差的断面，磁罗经还是不建议使用，毕竟现场控制不能满足要求。流速大小ApT参

18、考:Btm)9Ml船饥迹和流速棒（#考：Btm）孚以0.4.5713.7118.2922.8627.4319951904185832.0020401949数据号图7底跟踪模式下流速等值线图和轨迹及流速矢量线图Fig.7Hieisoplethsofvelocityandvectorlinesoftrackandvelocityatthebottomtrackingmode船轨迹和流速棒（参考:VTG）0.(27.4332.001949数据号-715-385-83208$10811东向距离/m31小-347-.8.、ffffi-料一直000N图8VTG模式下慎速等值线图和轨迹及流速矢虽线图Fig.

19、8TheisoplethsofvelocityandvectorlinesoftrackandvelocityatVTGmodeMethodforControllingProcessofDischargeCAOGuanzhong,JIANGJianying,CHENWangqin(LowerYangtzeRiverBureauofHydrologyandWaterResourcesSurvey,CWRC,Nanjing210011,China)3.3GPS安装测试（1）测验概况2009年1月14日在长江下游大通水文站断面进行GPS位置安装测试，施波时采用600虹的BB-ADCP,因ADCP安装

20、在铁质水文轮测船上，外部罗经采用的是THALES3011GPS罗经,定位也直接用THALES3011GPS罗经的GPS功能，测流软件采用WinRiverVereion1.04oTHALES3011GPS罗经在ADCP探头的前方L2m、偏右0.5m。（2）数据分析：为了测试安装对GPS施测船速的影响，测船以“S”型运动方式施测（见图7）,底跟踪（BTM）模式下流速矢最线相对平行并基本一致，流速等值线图分布均匀。但在VTG模式下（见图8）,流速大小在转弯处将出现明显错误，流速等值线图分布也在转弯处出现偏大或偏小。（3）结论：GPS天线与ADCP探头的位置不一致时，若施测出现转弯导致船速不正确时，计

21、算的流向是准确的，但流速大小却是错误的。所以如采用GPS模式施测船速,GPS天线一定要安装在声学多普勒流速仪的正上方。4结语目前.走航式声学多普勒流速仪已经广泛地应用于河流流最测验，但由于该仪器在测验过程中易受磁场、河流底部泥沙运动等复杂环境的影响，各个环节的过程控制是确保流最测验顺利进行和精度要求的前提。只要结合测验断面的水沙特性，从设备的配备到安装校正、参数的设置到测验各个环节进行严格的控制，就能施测出滴足规范要求的高精度流量成果。参考文献：1 SL337-2006,声学多普勒障置测验短范S.(SL337-2006,CodeforDischaieMeasurementofAcousticD

22、owlerCurrent(S.(inChinese)田淳，刘少华.声学多普勒测流原理及其应用M.郑州：黄河水利出版社，2003.(TIANChun,LIUShaohua.PrincinpleofDischargeMeasurementwithADCPandItsApplication(M.Zhengzhou:YellowRiverConservancyPress,2003.(inChinese)2 蒋建平，段云雁.ADCP流童测验时底跟踪失效的解决方案J.水利水电快报,200&29(Sl).(JIANGJianping,DUANYunyan.ThesolutionforineffectivebottomtracingduringdischargemeasurementwithADCPJ.ExpressWaterResourcesandHydropowerInformation,20089(Sl).(>nChinese)蒋建平.走航式声学多普勒流速剖面仪流量测验技术研究及应用几水利