摘要:新一代走航式声学多普勒水流剖面仪M9克服了早期仪器的缺陷,采用多频、智能的多种工作模式,解决了困惑水文的高、低流速测流难题。M9灵活的配置,考虑不同用户的需求,可实现无线通讯、内置GPS、遥控,解决河床走底引起的多普勒流速仪流量测验误差。列举了各种不同条件、环境的河道,采用 M9实测的案例,显示了该仪器的优异性能。
关键词:M9;多频;智能;脉冲相干、宽带、窄带多种工作模式自动切换;高、低速测流
前言
采用多普勒频移原理研制的走航式声学多普勒水流剖面仪,应用于水文测验已经有二十多年的历史。由于制作复杂、生产成本高、以及使用量不大等原因,世界上能够生产该类仪器的著名厂家仅为可数的几家,而且基本上集中在美国。近几年,国内部分厂家开始研制类似产品,并陆续投放市场。
二十余年来,厂家历经了数次的改进,生产出了不少型号和不同工作频率的仪器,供不同条件和环境下的使用。其性能虽有了很大的提高,但因为最初的设计是针对海洋测流需要,这对于在内河河道上的使用,带来了一些不足;在水文测验中还是感到有些不尽人意。一直以来,困惑水文的高、低流速测流难题,仍然没有给出有效的解决方案。
经过多年的研究和总结了目前所有多普勒流速仪产品存在的问题;美国赛莱默公司旗下的SonTek 公司在2009年开发出了最新一代的走航式声学多普勒水流剖面仪 M9/S5。经过数年多在世界各地的实际使用和比测,效果非常之好,成为了目前世界上最先进的一种声学多普勒流量计。
M9 的技术指标和配置
考虑到不同用户的需要,M9系列的仪器有着灵活的配置。其标准配置为:仪器主机+10米电源/通讯电缆线(可延长);可安装在船舷边使用;实现主机与计算机之间的直接通讯。若装备有小型载体(船体)时,可配置无线电台的通讯方式,通讯距离可达1500米,实现主机与计算机之间的无线通讯。为了满足在河床走底情况下测流的需要,还可以选配内置的 GPS,有二种供选择;即 SonTek 的DGPS(亚米级精度),和SonTek 的RTK GPS(0.03米精度)。此外,M9/S5系列的仪器还可以配置SonTek自行研制的单体船,以及其它公司配套的三体船或自带动力的遥控船;这种浮体保证了仪器在测量时的平稳和较小的仪器入水深度。
从上述技术指标可以看到,M9 从很浅的不到0.3米处河岸开始测量,一直到最深达80米的河床深度,仍然可以一次完成测量并计算出该测流断面的流量,这大大满足了全世界 85 % 以上河道测流的需求。
M9/S5 的特点和优势
作为一种全新的M9/S5,实际上是一款专为河流流量测验所设计的仪器。与老一代所有现有的多普勒流速仪相比,有以下几个特点:
1、多种频率换能器的配置。4个一组的二种不同频率换能器用于流速的测量,满足了从浅水到深水的不同河床条件,只用一款仪器进行流量测验的需要。
2、垂直声波探头专用于水深的测量。改变了原先采用斜向测速声波测量流速的同时,测量水深的方法。直接提高了水深的测量精度,以及流量的测量精度。500KHz工作频率的波束使得仪器的测量范围增加到80米之深。
3、全自动的测量方式,有四种自动转换的功能
工作模式的自动转换。仪器采用了一种 SmartPulseHD智能脉冲功能,基于实测动态的水深和流速,自动地选择 脉冲相干(PC)工作模式、或 宽带工作模式、或 窄带工作模式,这三种不同的工作模式都有其优点和弱点。M9/S5充分发挥了各种模式的优势,自动切换,使得仪器始终处于高分辨率的最佳性能比。
? 测量单元的自动转换。可根据实测水深和流速,自动选择从0.02~4米的测量单元。保证在浅水时具有很高的分辨率;在深水时有更大的测量范围。
? 二种不同频率换能器工作状态的转换。可根据实测的水深和流速,在浅水时采用高频的3MHz换能器测量流速,在深水时采用低频的1MHz换能器测量流速;仪器始终保持最佳的工作状态。
? 采样频率的自动转换。可根据水深的变化,自动调整仪器每秒钟的采样频率,其最高采样频率达到 70Hz。在水深变化的情况下,尽可能地获取更多的采样数,以提高仪器的测量精度。
以下图为例,在同一个测流断面上,用二种不同的仪器测量的成果。上图是采用老一代多普勒流速仪实测的成果;下图是M9 采用智能脉冲功能所表现的高分辨率,犹如HD“高清电视”的效果。测量精度大为提高。
4、仪器内部的流量计算功能。内置微处理器直接计算流量数据,而不再依赖于外部的计算机和测量软件进行实测数据的处理和计算。M9在测量过程中,即使通讯中断,也不会影响到测量的过程,更不会因此而丢失数据。仪器测量运行时甚至可关闭计算机;而重新开机通讯后仍可获得全部数据。大大提高了测量的可靠性。16G内存可用于保存实测的流速、水深流量、GPS等大量数据
5、可内置的GPS,满足了在走底河床情况下,仍然采用声学多 普勒 原理测量流量的可能性,而不必过虑因为采用外置GPS 所带来的不兼容等问题的困惑。SonTek 自行研制配套的DGPS(亚米级精度),和RTK GPS(0.03米精度),不同于市场上所选用的各种型号的GPS。DGPS不需要寻找地面上设置的基站,直接接收地球上空静止卫星的差分信号,以获得差分GPS 的精度。RTK GPS也不需要地面上已知点的支持,而自行在河岸的任何开阔处设立一个RTK基站。使得仪器的使用非常之灵活和简单。保证了在走底河床情况下的正确测流。
6、多种通讯方式 - 有线与无线的选择。对于无线通讯,也可以根据需要,采用无线电台的通讯方式。有效的通讯距离达1500米。除了可使用计算机与主机之间的通讯之外,还可以采用平板电脑来控制主机测量的开始和结束,并在平板电脑屏幕上给出实测的各种数据、航迹和图表。使用非常方便。
7、支持多国语言的操作、数据处理的计算机软件。可提供大量的实测数据,和经过计算、分析后的数据,同时提供多种方式,方便用户自行修正和处理数据。软件还可用于控制、下载、查看、分析数据等。
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