國產(chǎn)600kHz ADCP在河道流量測量中的應(yīng)用

胡長和

（杭州瑞利海洋裝備有限公司，杭州，310023）

聲學(xué)多普勒流速剖面儀（Acoustic Doppler Current Profiler，ADCP）具備水流剖面測量、對地速度測量、對地深度測量及流量測量的功能。其通過Janus配置的4個波束向水中發(fā)射一固定頻率的聲波脈沖，傳播過程中遇到水體中的散射體發(fā)生散射。ADCP接收底回波信號并對其進(jìn)行處理得到設(shè)備對地速度，接收從水體返回的回波信號并對其進(jìn)行處理得到不同深度單元層的徑向流速，再通過這兩個矢量速度相加和坐標(biāo)變換獲得水流的絕對速度。ADCP通過垂直向下的中間波束向水中發(fā)射某一固定頻率的聲波脈沖，接收河底回波信號并對其進(jìn)行處理得到當(dāng)前設(shè)備距離河底的深度[1]，通過設(shè)備在河道斷面走航的方式得到斷面面積。河道斷面面積與水流剖面絕對速度結(jié)合實現(xiàn)流量測量功能。國產(chǎn)600 kHz ADCP設(shè)備實物見圖1。

圖1 國產(chǎn)600 kHz ADCP設(shè)備實物圖

1 基礎(chǔ)測量功能

1.1 對地測速

1.1.1 試驗條件

試驗船在平穩(wěn)水域以固定航速航行，保持航速和航向穩(wěn)定，分別錄取高精度差分GPS、高精度羅經(jīng)及設(shè)備對地測量速度數(shù)據(jù)。高精度差分GPS測量數(shù)據(jù)處理后作為速度真值（基準(zhǔn)值），高精度羅經(jīng)測量航向數(shù)據(jù)進(jìn)行航向輔助校準(zhǔn)，設(shè)備測量精度指標(biāo)為0.25%v±2 mm/s。

1.1.2 實際測量數(shù)據(jù)結(jié)果

實際測量數(shù)據(jù)結(jié)果見圖2，對圖中數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計算設(shè)備對地速度測量數(shù)據(jù)與基準(zhǔn)值之間的相關(guān)系數(shù)、定位精度及落在誤差帶（0.25%v±2 mm/s）內(nèi)的數(shù)據(jù)有效百分比，統(tǒng)計結(jié)果見表1。

表1 對地測量實際數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

圖2 對地測量實際數(shù)據(jù)結(jié)果圖

由表中數(shù)據(jù)可知，國產(chǎn)600 kHz ADCP設(shè)備具備對地測速功能，對地測速可滿足（0.25%v±2 mm/s）精度要求，低深度至高深度航行過程中無深度速度野值點，性能可靠。

1.2 對水測流

1.2.1 試驗條件

選取高精度差分 GPS測量數(shù)據(jù)處理后作為速度真值（基準(zhǔn)值）、高精度羅經(jīng)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行航向輔助校準(zhǔn)，試驗船在平穩(wěn)水域以固定航速作順逆順航行（消除水流干擾），保持航速和航向穩(wěn)定，分別錄取高精度差分GPS、高精度羅經(jīng)及設(shè)備對水剖面速度測量數(shù)據(jù)。取高精度差分GPS順逆順平穩(wěn)航行時三段測量速度平均值作為基準(zhǔn)值，與同時間段設(shè)備輸出三段每層剖面測量速度平均值對比。設(shè)備測量精度指標(biāo)為0.25%v±2 mm/s。

1.2.2 實際測量數(shù)據(jù)結(jié)果

圖3為對水剖面速度測量實際數(shù)據(jù)結(jié)果圖，表2為對水剖面速度測量實際數(shù)據(jù)統(tǒng)計。從圖 3和表 2中可見，國產(chǎn)600 kHz ADCP設(shè)備具備對水測流功能，測量速度精度可滿足精度要求。表2中門限值計算公式為：0.25%v±2 mm/s，其中v=3.5914 m/s。

圖3 對水測流實際數(shù)據(jù)結(jié)果圖

表2 對水測流實際數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

1.3 測深功能

設(shè)備水池吊放入水，實時記錄設(shè)備測深數(shù)據(jù)與繩子入水后長度，設(shè)備入水處水池深度值用繩子吊放重物測量，以水池深度值與繩子入水后長度值相減作為深度真值，測試時在每個深度停留1 min，數(shù)據(jù)分析見圖 4。選取穩(wěn)定段進(jìn)行深度平均數(shù)據(jù)對比結(jié)果見表 3。結(jié)果表明，設(shè)備具備測深功能，測深精度滿足±1%×H±0.2 m（H為實際深度）。

表3 測深精度統(tǒng)計表 單位：m

圖4 測深實際數(shù)據(jù)結(jié)果圖

2 流量測量應(yīng)用數(shù)據(jù)

2.1 試驗準(zhǔn)備

圖5 設(shè)備安裝圖

2.2 實際測量數(shù)據(jù)結(jié)果

表4為國產(chǎn)600 kHz ADCP設(shè)備往返航次流量對比統(tǒng)計，圖6為流量測量實際數(shù)據(jù)結(jié)果顯示。由表4和圖6可以看出，國產(chǎn)600 kHz ADCP設(shè)備流量往返航次測量誤差為1.08%，不超過5%，本航次結(jié)果有效。軟件界面可實時顯示包括河道深度、剖面流速、盲區(qū)、流量等信息，往返航次中同樣位置處水流剖面流向、速度基本一致。

圖6 流量測量實際數(shù)據(jù)結(jié)果圖

表4 流量測量實際數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

表5為國產(chǎn)600 kHz ADCP設(shè)備不同時間段往返航次流量誤差統(tǒng)計。由表5可以看出，國產(chǎn)600 kHz ADCP設(shè)備有效航次中最大誤差為2.79%，最小誤差為 0.76%，平均誤差為1.58%[3]。由表 5可以看出，上午流量隨著時間增加緩慢增加；下午流量隨著時間增加緩慢減小，峰值流量在15:00左右，符合河道流量變化規(guī)律。

表5 流量測量實際數(shù)據(jù)誤差統(tǒng)計表

2.3 與國外產(chǎn)品參數(shù)比對

國產(chǎn)600 kHz ADCP設(shè)備與國外同類型設(shè)備的主要參數(shù)對比見表 6。從數(shù)據(jù)可以看出，國產(chǎn) 600 kHz ADCP設(shè)備性能已達(dá)到或超越國外同類型產(chǎn)品。

表6 國內(nèi)外ADCP參數(shù)對比表

國產(chǎn)600 kHz ADCP設(shè)備可配套三體船（包含電池、電臺），外接 GPS，可以無線傳輸。設(shè)備配套中文測量軟件，并具備測量數(shù)據(jù)、流量結(jié)果數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能，滿足用戶河道測量需求。

3 結(jié)論

針對 ADCP國產(chǎn)化的趨勢，本文介紹了國產(chǎn)600 kHz ADCP設(shè)備的功能及實際測量數(shù)據(jù)，并與國外同類型設(shè)備進(jìn)行了參數(shù)對比。數(shù)據(jù)表明，國產(chǎn)600 kHz ADCP設(shè)備在精度、穩(wěn)定性、可靠性上已達(dá)到或超越國外同類型設(shè)備，并具有自主可控、更符合國內(nèi)使用要求的優(yōu)點。國產(chǎn)600 kHz ADCP設(shè)備可安裝于三體船上，實現(xiàn)無線傳輸，自動測量功能，符合國內(nèi)用戶使用需求。