ADP原理、操作及应用.ppt

声学多普勒流速流向剖面仪ADP ADCP 原理 操作及应用王秀海2012 9 环境科学与工程学院大型仪器技术交流活动月 明渠河流流量测量 传统的河流流量测量手段 人工船测 缆道测量 桥上测量 涉水测量 传统流量测量基本方法 测流断面上布设多条垂线 在每条垂线处测量水深 用转子流速仪测量1 N点流速 计算垂线平均流速和断面平均流速 根据测量时的水位 计算断面面积 由断面面积乘断面平均流速得流量 ADCP河流流量测量 ADCP的发明被认为是河流测量领域的一次革命近年来国际上流行的一种新的流量测量仪器ADCP是英文的缩写AcousticDopplerCurrentProfiler通常译为 声学多普勒水流剖面仪 ADCP测量方式 安装在固定的平台上 例如安装在河岸边或河底 进行定点的水平或垂直方向的流速剖面测量 ADCP有两种不同的安装和应用的方式 安装在活动的平台上 例如安装在测量船上 进行航行方向的垂线流速剖面测量 两种不同测量方式的ADCP SonTek公司生产的Argonaut SL XR型声学多普勒流速仪适用于在线监测 SonTek公司生产的RiverSurveyor型河流流量测量系统 ADP 适用于船测 ADCP测量原理 ADCP是一种利用声学多普勒原理测量水流速度剖面的仪器机械式流速仪是测量仪器所处位置的测点流速ADCP可以测量距仪器一定范围内的许许多多点的点流速及该范围内的平均流速 声学多普勒原理 多普勒频移是由于声源与接受物体之间的相对运动而引起的 声源与物体之间在垂直方向的相对运动 则不会产生多普勒频移 如果发射某频率的声波被一个移动的物体所反射 也会产生多普勒频移 ADCP工作原理 1 ADCP换能器发射某一固定频率的声波 被流动水体中的颗粒物反射 会产生多普勒频移 Fd 声学多普勒频移 Fs 发射声波的频率V 颗粒物沿声波方向的移动速度C 声波在水中的传播速度 ADCP工作原理 2 为了测量三维流速 ADCP一般装备有3 4个声学换能器 换能器的安装与ADCP的轴线成一定倾角 每个换能器都发射一个固定频率的声波 并接收流动水体中颗粒物的反射波 由多普勒频移计算出水流沿其声束坐标方向的速度 三个换能器的轴线可组成一组相互独立的空间声束坐标系 利用罗盘和倾斜仪 可将上述声束坐标方向的速度转换为地球坐标系下的三维流速 ADCP工作原理 3 ADCP通过跟踪水体中颗粒物的运动 水跟踪 所测量的速度是水流相对于ADCP 即ADCP安装平台 的速度 当ADCP安装在固定平台上 水跟踪 测量的流速即为水流的绝对速度 当ADCP安装在船上 移动平台 水跟踪 测量的相对速度中扣除船速 平台的移动速度 后才得到水流的绝对速度 ADCP工作原理 4 走航式ADCP仪器中带有测量船速的装置 一般有两种方法 第一种方法称为 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 在河底没有移动的悬移质的情况下 底跟踪 所测量的速度即是船速 另一种方法是利用GPS测量船速 由航迹上任意两点的GPS坐标值可以得到两点间的位移 再除以相对应的时间即可得到船速 走航式ADCP测量原理 1 x Y Z 剖面 j 测量单元 n Q总 qn j q边界 X Y 走航式ADCP测量原理 2 从理论上讲 走航式ADCP流量测量原理与传统的人工船测或缆道测量等的基本原理一样 在测流断面上布设多条垂线 在每条垂线处测量水深并测量多点的流速 计算得到垂线平均流速 只是ADCP所测的垂线可以很多很多 每条垂线上的测点也可以很多很多 走航式ADCP测量原理 3 但是二者之间还是有一些不同之处 1 传统方法是静态方法 无论是人工船测 缆道测量等等 仪器总是固定于所测垂线上进行测量 而ADCP是动态测量方法 ADCP在随测量船只运动过程中进行测量 2 传统方法的测流断面通常要求垂直于河岸 ADCP测量过程中不要求测流断面垂直于河岸 船的航行轨迹可以是斜线或曲线 走航式ADCP测量原理 4 利用ADCP测量时航迹可以是曲线 走航式ADCP测量原理 5 为了计算流量 ADCP在测量以下几个数据 1 水的相对速度 相当于船的速度 由水跟踪测出 2 船速 由底跟踪测出 或由GPS算出 3 水深 由河底回波强度测出 类似于回声测深仪 4 船的航行轨迹 由船速和计时数据算出 或由GPS算出 由相对速度扣除船速可得到水流的绝对速度 走航式ADCP测量原理 6 实际上 走航式ADCP实测的是断面中部区域内的流速 这个区域称为ADCP实测区 另有四个小区域 由于测船不能靠近 或者因ADCP本身的原因 不能实测 我们将之称为非实测区 走航式ADCP测量原理 7 ADP实测部分和估算部分 实测部分 走航式ADCP测量原理 8 水面区域 厚度为ADCP换能器的入水深度加上ADCP的盲区 河底区域 河底界面对声波的干扰而造成的盲区 或者称之为旁瓣区 岸边区域 由于靠岸边水较浅 测量船只不能靠近而造成不能直接测量 走航式ADCP测量原理 9 水面 河底区域的流量可通过实测区数据的外延来估算 岸边区域的离岸水平距离可采用电子测距仪器测量 或者预先在河中立测船起止的标志杆 预先已知该距离 每次走航前 将离岸距离值输入ADCP 同时输入岸边流速系数 根据测验规范 斜坡的系数为0 67 0 75 陡坡的系数为0 8 0 9 岸边区域的流量即可测船起止时的实测数据 进行外延来估算 走航式ADCP测量范围 型号RS 3000RS 1500RS 1000RS 500RS 250频率 kHz 300015001000500250盲区 m 0 20 40 51 02 0最小单元尺寸 m 0 150 250 41 02 0最小测量深度 m 0 50 91 33 06 0最大测量深度 m 62540120180 安装在船舷边的走航式ADCP 安装在船首的走航式ADCP X Y 水流方向 走航式ADCP安装示意图 SonTek公司走航式ADP测流的软件界面 侧视式ADCP测量原理 侧视式ADCP测量原理 1 对于宽度较小的河流或渠道 侧视式ADCP应安装在河岸或渠壁的基座上 对于宽河流或渠道 可以安装在岸边 也可以安装在桥墩或其它建筑物侧壁上 两个换能器应位于同一水平面上 并保证声波为水平发射 仪器一般位于水下平均水深的0 6处 并保证离最低水位或河底的距离大于0 3米 侧视式ADCP测量原理 2 仪器实测的是该水层测量段内平均流速 求出与断面平均流速的关系 乘以断面面积 可计算得到通过断面的流量 采用侧视式ADCP测流可以有两种流量的计算方法 1 流速面积法 2 回归法 侧视式ADCP测量原理 3 流速面积法 适用于矩形断面人工渠道 且渠道宽度小于SL测量剖面范围 即最大单元长度 原则上这种方法不需要进行率定 回归法 回归法是建立SL实测流速与河流或明渠断面平均流速之间的相关关系 相当于用实测资料对系统进行率定 适用于规则的人工渠道也适用于天然河流河宽或渠宽可以大于SL测量剖面范围 侧视式ADCP测量原理 4 流速面积法 仅适用于矩形断面渠道 将一矩形断面明渠过水断面分成三个区域 假定SL安装在右侧渠壁 1 1区 右侧渠壁附近仪器本身的测量盲区并包括仪器安装区 2 2区 SL流速测量区 3 3区 左侧渠壁附近声束与渠壁干扰区 干扰区一般为渠宽的1 10左右 侧视式ADCP测量原理 5 流量则为三个区断面平均流速与过水面积的乘积 式中 Q为流量 A1 A2 A3分别为三个区过水断面面积 V1 V2 V3分别为三个区断面平均流速 H为水深 W1 W2 W3分别为三个区的宽度 侧视式ADCP测量原理 6 回归法 建立侧视式ADCP实测流速与河流或明渠断面平均流速之间的经验关系 相当于用率定法 在进行采样的同时 用其他方法 如传统的定点测流法或ADCP走航法测出流量和断面面积 从而得到断面平均流速数据 同步采样需要在不同的流量情况下进行 得到一组V层与V断的数据 对数据进行回归分析 如采用最小二乘法 即可以得到V层与V断的关系曲线或回归方程 侧视式ADCP测量原理 7 根据USGS 回归方程的一般形式为 式中 V断为断面平均流速 C为回归系数 H 为水位 侧视式ADCP测量原理 8 在许多情况下 回归方程可以简化为 流量由下式计算 侧视式Argonaut SL测量范围 型号SL 3000SL 1500SL 500频率 kHz 30001500500盲区 m 0 30 51 0最大测量范围 m 622120 安装在渠道壁上的Argonaut SL SonTek公司Argonaut SL的软件界面 侧视式Argonaut SL的应用 美国地调局USGS应用SonTek公司的Argonaut SL系统十分成功 美国USGS已经采用SL取代了前几年流行的超声波时差法测流系统 目前 USGD已有300多个水文站采用了SL作为明渠及河流流量实时监测系统 美国USGS水文站实时流量资料在互联网上公布 侧视式Argonaut SL的应用 SL安装在荷兰Spijkenisse桥上示意图 侧视式Argonaut SL的应用 流量 水质监测 总量控制 流量pH溶解氧浊度温度硝酸盐铵盐叶绿素盐度水位 座底式ADCP XR 淘金者 XR型声学多普勒流速仪 三维 底部按装垂向平均可达15m的测量范围自动跟踪水位 动态调整测量水体 座底式ADCP XR的测量方式 XR自动跟踪水位功能 侧视式SL ADP SL ADP 可达100个测量单元测量单元大小可设定数据量大 侧视式SL ADP的应用 纽约长岛Shinnecock湾口航道SL ADP在线监测 侧视式SL ADP的应用 SL ADP在线监测数据实例 www lishore org shinnecock latest htm