聲學(xué)多普勒流速剖面儀計(jì)量測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

謝 慧，柳義成，張明敏

(1.天津大學(xué)精密測(cè)試技術(shù)及儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院，天津 300456)

0 引言

ADCP是一種利用聲學(xué)多普勒頻移原理進(jìn)行矢量流速測(cè)量的儀器。目前被廣泛用于水運(yùn)工程建設(shè)，水文環(huán)境監(jiān)測(cè)，海洋、河口的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)調(diào)查，港口航道流速和流量測(cè)驗(yàn)等[1-3]。目前國(guó)內(nèi)外的ADCP主要在室內(nèi)流速檢定水槽和室外江河湖海進(jìn)行流速計(jì)量或校驗(yàn)，兩種計(jì)量測(cè)試環(huán)境各有利弊。室內(nèi)流速檢定水槽由于受限于建設(shè)尺寸，難以計(jì)量低頻ADCP，難以開(kāi)展分層流速計(jì)量，邊界回響噪聲影響測(cè)試結(jié)果,且水槽中的水過(guò)于純凈，需要人為添加一定濃度的散射粒子，如石灰、氣泡等，添加粒子的方式及保證粒子的均勻分布是較難的課題[4-8]；室外江河湖海則較為寬廣，水體中含有天然均勻的散射粒子，但由于受風(fēng)浪、紊流、潮汐、聲速剖面等自然因素的影響，給測(cè)量結(jié)果引入諸多不確定度分量[9-10]。本文依托船閘航道(長(zhǎng)180 m×寬25 m×深10 m)，其具有寬闊、水深，水面平靜無(wú)風(fēng)浪，水體有懸浮物質(zhì)、可控分層流場(chǎng)等有利ADCP校準(zhǔn)的試驗(yàn)環(huán)境;搭載測(cè)量?jī)x器的新型無(wú)人船具有輕便、高穩(wěn)定性、超強(qiáng)搭載兼容性的優(yōu)點(diǎn)，最終建立測(cè)量?jī)x器與計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的溯源鏈，保障ADCP流速量值的準(zhǔn)確可靠。

1 計(jì)量測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)ADCP檢測(cè)方法采用拖車(chē)作為載體，整體裝置較為復(fù)雜且拖車(chē)速度受限。以無(wú)人船作為搭載試驗(yàn)儀器的載體，其速度最高能夠達(dá)到3 m/s，并且無(wú)人船體積較小、更加靈活自由，可按規(guī)定航線(xiàn)航行，較為理想。本文采用定制的自動(dòng)無(wú)人船，船身采用高分子聚酯碳纖維材料減少磁性金屬對(duì)檢測(cè)設(shè)備的影響，并搭載絕對(duì)直線(xiàn)技術(shù)。校準(zhǔn)系統(tǒng)通過(guò)轉(zhuǎn)接法蘭盤(pán)將被測(cè)ADCP換能器安裝到無(wú)人船底部，且將ADCP通訊電纜接入船體電子水密艙。通過(guò)法蘭盤(pán)轉(zhuǎn)接的方式可以適配不同型號(hào)的ADCP。將GPS-RTK安裝在無(wú)人船頂部，并盡量保證二者的軸線(xiàn)在同一直線(xiàn)上，如圖1所示。以確保被測(cè)ADCP與GPS-RTK所測(cè)量的速度為船身相同位置速度值。

圖1 測(cè)量船示意圖

1.2 試驗(yàn)方法

通過(guò)轉(zhuǎn)接法蘭盤(pán)將被測(cè)ADCP換能器安裝到無(wú)人船底部，并將GPS-RTK安裝在無(wú)人船頂部，且保證二者在軸線(xiàn)重合，采樣頻率均為1 Hz。采用全站型電子速測(cè)儀(簡(jiǎn)稱(chēng)全站儀)放樣2條180 m等長(zhǎng)且平行的虛擬直線(xiàn)，一條直線(xiàn)與水池長(zhǎng)邊平行且通過(guò)水池短邊中點(diǎn)，以此作為設(shè)定航跡線(xiàn)。另一條直線(xiàn)位于近岸，作為標(biāo)準(zhǔn)線(xiàn)便于計(jì)量。將船閘分為15 m+80 m+15 m的3段，前15 m作為無(wú)人船加速段，中間80 m作為勻速測(cè)量段，后15 m作為減速段。確定航跡線(xiàn)起始點(diǎn)與終止點(diǎn)坐標(biāo)信息，并將其輸入到無(wú)人船平臺(tái)系統(tǒng)控制軟件進(jìn)行航線(xiàn)指令編輯。

在測(cè)量段始末點(diǎn)分別設(shè)置安裝高速光感應(yīng)攝像與運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)，作用是采集無(wú)人船進(jìn)入測(cè)量段和離開(kāi)測(cè)量段瞬間的運(yùn)動(dòng)影像，并逐幀分析無(wú)人船特征點(diǎn)進(jìn)、出測(cè)量段的時(shí)刻。使用全站儀對(duì)測(cè)量段水平距離進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，試驗(yàn)方法示意圖如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)方法示意圖

無(wú)人船根據(jù)事先編輯任務(wù)指令進(jìn)入航線(xiàn)并在水上自主航行，同時(shí)被測(cè)ADCP采集流速數(shù)據(jù)。根據(jù)測(cè)量段水平距離和無(wú)人船在測(cè)量段的運(yùn)行時(shí)間，計(jì)算平均速度作為流速參考標(biāo)準(zhǔn)值，與被測(cè)ADCP流速測(cè)量值比對(duì)，計(jì)算流速示值誤差。

同時(shí)收集無(wú)人船勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)GPS-RTK測(cè)量數(shù)據(jù)。GPS-RTK所測(cè)原始數(shù)據(jù)為坐標(biāo)數(shù)據(jù)，可以利用式(1)使其轉(zhuǎn)換為船的實(shí)時(shí)速度值vG，與被測(cè)ADCP測(cè)得船速進(jìn)行對(duì)比，經(jīng)計(jì)算可以核查無(wú)人船的瞬時(shí)速度穩(wěn)定性。

(1)

式中：Δx為GPS-RTK在x軸方向相鄰兩點(diǎn)坐標(biāo)差，m；Δy為在y軸方向相鄰兩點(diǎn)坐標(biāo)差，m；t為兩點(diǎn)間測(cè)量時(shí)間間隔，s。

2 試驗(yàn)結(jié)果

全站儀所測(cè)流速測(cè)量段長(zhǎng)度L=79.771 m。無(wú)人船在測(cè)量段內(nèi)運(yùn)行時(shí)間t=78 s。無(wú)人船進(jìn)入測(cè)量段時(shí)刻(觸發(fā)預(yù)警線(xiàn))為15∶10∶12，無(wú)人船離開(kāi)測(cè)量段時(shí)刻(觸發(fā)預(yù)警線(xiàn))為15∶11∶30。計(jì)算平均流速參考標(biāo)準(zhǔn)值v0=1.02 m/s。

同一時(shí)間內(nèi)被測(cè)ADCP所測(cè)數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 被測(cè)ADCP所測(cè)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)過(guò)程中，GPS-RTK測(cè)得結(jié)果與被測(cè)ADCP測(cè)得流速數(shù)據(jù)的對(duì)比如圖4所示。

(a)

(b)

(c)圖4 流速數(shù)據(jù)的對(duì)比

在勻速測(cè)量段內(nèi)記錄120組流速數(shù)據(jù)，測(cè)速結(jié)果及被測(cè)ADCP示值誤差如表1所示，表中僅列出間隔10 s的數(shù)據(jù)。

表1 測(cè)速結(jié)果及ADCP示值誤差 m/s

剔除粗大誤差后的101組數(shù)據(jù)對(duì)比示意圖如圖5所示。

圖5 101組數(shù)據(jù)對(duì)比圖

3 測(cè)量結(jié)果不確定度分析

3.1 數(shù)學(xué)模型及靈敏度系數(shù)

本文所設(shè)計(jì)的ADCP計(jì)量測(cè)試系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型如式(2)所示

(2)

式中：Δv為被測(cè)ADCP示值誤差，m/s；Δv0為載體無(wú)人船的瞬時(shí)速度穩(wěn)定性引入的誤差，m/s。

根據(jù)測(cè)量不確定度的傳播規(guī)律，被測(cè)ADCP示值誤差的不確定度u(Δv)可按式(3)計(jì)算。

(3)

采取標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)：流速1 m/s，勻速段長(zhǎng)度80 m。則式(3)中靈敏系數(shù)經(jīng)計(jì)算可得：

3.2 不確定度分量計(jì)算

3.2.1 被測(cè)ADCP測(cè)量結(jié)果引入的不確定度

取標(biāo)準(zhǔn)流速點(diǎn)為1 m/s，計(jì)算被測(cè)ADCP流速測(cè)量的最大允許誤差為0.005 m/s，估計(jì)其為均勻分布，則可得出被測(cè)ADCP引入的B類(lèi)不確定度為

則被測(cè)ADCP引入的不確定度分量為

3.2.2 距離測(cè)量引入的不確定度

全站儀帶來(lái)的測(cè)量不確定度采用標(biāo)準(zhǔn)不確定度的B類(lèi)評(píng)定方法，試驗(yàn)中所采用的二級(jí)全站儀測(cè)距的最大允許誤差為±(3+2×10-6D)mm，取標(biāo)準(zhǔn)距離80 m，估計(jì)其為均勻分布，則其引入的不確定度為

ADCP校準(zhǔn)裝置所處的環(huán)境是室外環(huán)境，因此需要考慮環(huán)境因素對(duì)測(cè)量結(jié)果所產(chǎn)生的影響。天津港船閘所處的環(huán)境條件相對(duì)穩(wěn)定，沒(méi)有強(qiáng)電場(chǎng)和磁場(chǎng)來(lái)影響全站儀的測(cè)量結(jié)果。因此，環(huán)境因素中的溫度為影響主計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器測(cè)量結(jié)果的最大的量。

全站儀在400 m的測(cè)量距離，溫度每變化1 ℃，能夠?qū)y(cè)距精度產(chǎn)生0.41 mm的影響。因此，估計(jì)在80 m的測(cè)量點(diǎn)處，溫度變化給系統(tǒng)帶來(lái)的不確定度為

二者不相關(guān)，則由距離測(cè)量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為

3.2.3 時(shí)間測(cè)量引入的不確定度

試驗(yàn)使用2臺(tái)高速攝像機(jī)拍攝無(wú)人船駛?cè)爰榜偝鲇|發(fā)線(xiàn)的時(shí)間間隔來(lái)進(jìn)行計(jì)時(shí)，則時(shí)間測(cè)量偏差主要由2臺(tái)高速攝像機(jī)引入。高速攝像機(jī)每秒幀數(shù)可以達(dá)到120 fps，即每秒所顯示的靜止幀格數(shù)為120。則其計(jì)時(shí)可能值區(qū)間半寬度a=0.004 2 s，估計(jì)其為均勻分布。高速攝像機(jī)引入的測(cè)量不確定度采用B類(lèi)不確定度評(píng)定方法，為

3.2.4 載體無(wú)人船瞬時(shí)速度穩(wěn)定性引入的測(cè)量不確定度

由載體無(wú)人船引入的速度誤差如式(4)所示：

Δv0=v-vG

(4)

由測(cè)得的101組測(cè)速數(shù)據(jù)，被測(cè)ADCP引入的A類(lèi)不確定度可由貝塞爾公式求出。

且由已知被測(cè)ADCP引入的B類(lèi)不確定度為0.002 6 m/s，則被測(cè)ADCP引入不確定度分量為

GPS-RTK引入的A類(lèi)不確定度由貝塞爾公式求出。

GPS-RTK所測(cè)數(shù)據(jù)為當(dāng)前點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并通過(guò)計(jì)算將其轉(zhuǎn)換為速度值。其測(cè)量頻率為1 Hz，定位精度為±(8+1×10-6D)mm，取標(biāo)準(zhǔn)間隔距離D=1 m，估計(jì)為均勻分布。因此GPS-RTK的B類(lèi)不確定度為

則GPS-RTK引入的測(cè)量不確定度分量為

根據(jù)式(5)計(jì)算GPS-RTK和ADCP測(cè)速結(jié)果相關(guān)系數(shù)為0.623。

(5)

選取顯著性水平a=0.01，查表可得臨界相關(guān)系數(shù)r0=0.254 0，相關(guān)系數(shù)r(v,vG)>r0，二者相關(guān)。則載體無(wú)人船瞬時(shí)速度穩(wěn)定性引入的測(cè)量不確定度為

3.3 合成不確定度

在本次試驗(yàn)過(guò)程中，流速測(cè)量誤差數(shù)學(xué)模型中的L、t、v及v0各個(gè)分量互不相關(guān)。根據(jù)式(3)可以計(jì)算此計(jì)量測(cè)試系統(tǒng)的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(Δv)=0.035 5 m/s，取包含因子k=2，則測(cè)試結(jié)果測(cè)量不確定度為

U=k×u(Δv)=0.071 m/s，k=2

4 結(jié)束語(yǔ)

聲學(xué)多普勒流速剖面儀具有直接測(cè)出斷面流速剖面、不擾動(dòng)流場(chǎng)、測(cè)驗(yàn)歷時(shí)短、測(cè)速范圍大等特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于各處港口航道的流速、流量檢測(cè)，海域水體結(jié)構(gòu)分析，以及海域大范圍搜救工作等。本文以無(wú)人船為載體設(shè)計(jì)的ADCP計(jì)量測(cè)試系統(tǒng)具有體積小、操控靈便的優(yōu)點(diǎn)；以天津港船閘作為校準(zhǔn)場(chǎng)所，綜合了室內(nèi)及室外校準(zhǔn)場(chǎng)所的優(yōu)點(diǎn)，并盡可能規(guī)避其干擾。在無(wú)人船設(shè)定航速1 m/s時(shí)，被檢ADCP流速示值誤差-0.029 m/s，評(píng)定本測(cè)試系統(tǒng)的擴(kuò)展不確定度U=0.071 m/s，k=2。