声学多普勒流速剖面仪工作原理

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。

使用声学多普勒水流剖面系统 (ADCP) 进行河流流速和流量测量时，最常被忽视的错误或问题来源之一是选址。您可能在仪器操作、安装等方面做到一切正确，但是如果您选择的地点违反了 ADCP 河流测量的基本假设，那么您仍然无法获得准确的数据。选择测量地点时，目标是能够测量代表平均河道流速的速度。理想情况下，将有一段适当长度的顺直河道，不受河道弯曲、水中障碍物、流入、流出等造成的流动干扰。一般建议，测量或安装位置应在任何流动干扰源的上游和下游至少 5-10 个河道宽度，这样可保持充分的线性距离，从而使任何湍流、涡流、上升流、回水效应等均能稳定为均匀而稳定的水流。河道中的植物生长会对水流情况产生影响，河道的底部地形也会产生影响，因为水面以下可能存在不可见的显著流动干扰源。使用多波束声学多普勒测流系统时请注意的相关事项。同质条件使用任何多波束声学多普勒测流系统进行测量的基本假设之一是，各个波束在相似条件下进行测量，因此各个波束的平均速度将提供准确的平均速度。空间平均使用多波束声学多普勒测流系统（如 RiverSurveyor S5/M9、SonTek-SL 和 SonTek-IQ），报告的速度是单个声束测量的速度的平均值，这些声束非常窄。报告的速度近似于根据 2、3 或 4 个波束测量的速度计算出的空间平均值，平均面积随着与系统的距离而增加。SonTek 系统的离轴波束角为 25 度*，因此在距系统的任何特定距离（即范围）处，波束间隔的距离为 (0.93 x 范围)。例如，使用 2 波束 SonTek-SL 系统，在 10m 范围内，波束间隔为 9.3m。湍流/涡流当河道中存在明显的湍流或涡流时，各个波束可能会在截然不同的条件下进行测量（因此违背了均质条件的假设），从而导致其平均流速明显不同于实际平均流速。例如，在某些情况下，大涡流会导致波束测量相反方向的速度，从而导致平均速度为零。河道中通常存在一定程度的湍流或涡流，尤其是自然河道，但在适当长的时间内对速度数据进行平均，有助于改善结果。如速度误差和相关性等参数将提供测量均匀性指示。磁场影响另一个选址考虑因素是局部磁场，它会影响配备罗盘的系统，例如 RiverSurveyor S5/M9/RS5。磁干扰源可能包括钢桥、混凝土桥梁、结构中使用的钢筋以及电力线。以下示例显示了河流横断面的带有速度矢量的船迹，其附近的桥柱对罗盘造成了磁干扰：根据可用的测量地点，上述建议和考虑可能并不总是可行的。没有任何地点是完美的，但在选择地点时牢记基本假设非常重要。

M9自从2009年在世界范围内正式发布以来，已有2000多个用户和单位正在使用。在国内，也已经有超过1000个用户正在使用中，发挥了很大的作用和产生了很好的效果。主要用户覆盖了全国各省市；包括了广东、广西、云南、贵州、浙江、宁波、福建、四川、重庆、江苏、上海、安徽、山东、河北、河南、北京、湖南、湖北、江西、海南、新疆、西藏、黑龙江、吉林、辽宁、长委、松辽委、珠委、海委、淮委等30余省市、流域机构的水文系统、环保系统、以及科研单位和大专院校。案例一：浙江省水文局直属的之江水文站位于钱塘江的河口，是流入杭州湾的最后一个控制站，河宽近1000米，最大流量达13800 m3/s。该站配置了四套带有RTK GPS的 M9，用于潮汐变化大、河床走底现象严重的流量测验任务；很好地解决了以前测流困难、测验误差大等问题。采用M9仪器，配合遥控船的过河装置，还可以从一岸的不到1米的水边开始，一直测流达到对岸的也是不到1米的水边，完整地实测到整个测流断面的资料。下图是实测的数据，与测站的流量过程线非常吻合。下图是放大的右岸开始水边的剖面数据，可以看到实测到的第一个测量单元离开水面仅为0.18米（还包含了换能器在水下0.08米的入水深度），而测量单元大小只为0.02米；做到了非常小的盲区和非常高分辨率。M9在这样的情况下，是采用了脉冲相干的工作模式，保证了在浅水和低流速的情况下的测流精度。案例二：位于武汉的长江流域汉口水文站，是长委水文局的一个窗口。M9曾经在该站进行过多次的测量，下图为2009年6月12日的一次实测成果。M9可以同时显示采用底跟踪作参考的航迹（下图中间蓝色的航迹线），和采用GPS作参考的航迹（下图中间橙色的航迹线）。如果测量时河床没有产生走底的现象，那么这二种不同参考的航迹应该是重叠的。但是，如果河床底部的流沙在移动，即产生走底时，这二条航迹就不会重叠，通常底跟踪的航迹线会向上游方向漂移。走底现象越严重，漂移的程度就越大，而且实测的流量也会随之偏小。我国的测验规范中明确指出：测流断面有底沙运动时，是不能用底跟踪测流，应采用GPS测量船速。M9采用了内置DGPS（或RTKGPS）很好地解决了走底河床的测流问题。汉口水文站用RTK GPS实测的流量（二个测回的平均值）是28500m3/s，与汉口站的流量过程线的数值非常吻合。而如果采用底跟踪作参考进行流量计算，显示的实测流量仅为26800m3/s；会偏小了1700m3/s，测验误差会达6.3 %之多，而且测量的当天流速不大，相对来说，走底并不严重。下表是二个测回，即4个航次的成果表。相对误差仅为0.5 %。在汉口水文站，我们还进行了采用外置GPS罗盘的方式测流的演示。这样的配置，对于使用大型铁质测船测流是有很大的现实意义。至今为止，所有的多普勒流速仪都是采用内置的磁罗盘来测量流速和流向的。而对于固定安装在船舷边的仪器内置罗盘，会受到铁船影响，罗盘不再准确地指向正北方向，从而影响了测量精度。为了彻底解决大型铁船对多普勒流速仪的影响，M9可以直接采用外置的GPS罗盘，既可取代内置的磁罗盘，又可以取代用于测量船速的GPS。2011年7月12日，我们在汉口水文站采用GPS罗盘进行了一次演示。实测流量为31800 m3/s，与汉口站流量过程线的数值非常接近。