摘要：隨著我國(guó)電子科技技術(shù)的快速發(fā)展，聲學(xué)多普勒測(cè)流技術(shù)的發(fā)明并投入到流量測(cè)驗(yàn)領(lǐng)域是流量測(cè)驗(yàn)的一次革命，ADCP流量測(cè)驗(yàn)具有不擾動(dòng)流場(chǎng)、可連續(xù)施測(cè)、測(cè)流歷時(shí)短的特點(diǎn)，能夠提高所測(cè)流量的代表性，減輕測(cè)驗(yàn)強(qiáng)度，是目前世界上最先進(jìn)的流量測(cè)驗(yàn)設(shè)備。本文針對(duì)走航式ADCP流量測(cè)驗(yàn)進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：DCP；流量測(cè)驗(yàn)；常見(jiàn)問(wèn)題；解決方法

ADCP 是英文Acoustic Doppler Current Profilers 的簡(jiǎn)稱，即聲學(xué)多普勒流速剖面儀。它是利用聲學(xué)多普勒原理研制的目前世界上最先進(jìn)的河流流速流量實(shí)時(shí)測(cè)量設(shè)備。ADCP 測(cè)驗(yàn)設(shè)備實(shí)際上包括：ADCP換能器（4個(gè)探頭）以及ADCP 操作軟件等2個(gè)主要部分組成。利用聲學(xué)原理，ADCP向水體發(fā)射一個(gè)（一對(duì)或一組）聲脈沖，這些聲脈沖碰到水體中懸浮的且隨水體運(yùn)動(dòng)的微粒后產(chǎn)生反射波，并記錄發(fā)射波與反射波之間的頻率改變，這個(gè)頻率改變即稱多普勒頻移，可據(jù)此計(jì)算出水流相對(duì)于ADCP的速度。同時(shí)，還向河底發(fā)射底跟蹤聲脈沖，測(cè)出ADCP安裝平臺(tái)（測(cè)船）的運(yùn)動(dòng)速度以及水深，然后將水流相對(duì)速度扣除船速得到水流的絕對(duì)速度。

1 ADCP流量測(cè)驗(yàn)特點(diǎn)

1.1 ADCP同常規(guī)流速儀測(cè)驗(yàn)比較

ADCP因能測(cè)量剖面的水流速度而出名，一個(gè)流速剖面可以粗略地比同于流場(chǎng)中有許多流速儀懸掛在同一豎直方向的區(qū)域（見(jiàn)圖1）。理論上，每一個(gè)常規(guī)流速儀所測(cè)的流速同ADCP所測(cè)該單元水層的中心流速相一致。然而，一串流速儀所測(cè)流速并不完全同ADCP所測(cè)剖面類似。常規(guī)流速儀測(cè)量剖面上某一點(diǎn)的水流速度，而ADCP所測(cè)并賦予一個(gè)水深單元的流速是該樣本單元中心的平均流速。

1.2 航線的獨(dú)立性

ADCP所測(cè)斷面的流量是流經(jīng)垂直于航線垂直向下投影至河底的表面的水流總量，該流量與船只從河流此岸至彼岸兩點(diǎn)間的實(shí)際航線無(wú)關(guān)。無(wú)需對(duì)航線作出任何標(biāo)志或保持直線航線，這大大簡(jiǎn)化流量的測(cè)量，特別是在航運(yùn)繁忙或?qū)掗煹暮恿鞲鼮槊黠@。

1.3 非直接測(cè)量的流量

ADCP并不能測(cè)出從水面至河底的所有流速剖面，其原因是：①ADCP安裝深度。ADCP聲學(xué)換能器必須有足夠的安裝深度以保證該換能器總是完全沒(méi)入水中。一般入水深度約為25cm，這個(gè)深度可以保證在適當(dāng)?shù)暮剿傧聯(lián)Q能器表面沒(méi)有氣泡（氣泡會(huì)阻擋聲能傳入水中），同時(shí)也使船只的搖晃不致于影響換能器的正常工作。②盲區(qū)距離。由于脈沖的發(fā)射和聲能的接收用的是同一個(gè)換能器，那么在發(fā)射脈沖之后到開始接收回波信號(hào)之前必須留有一小段時(shí)間（或者讓出一小段聲波傳播的距離），這一延遲稱為盲區(qū)。③旁瓣干擾。在換能器發(fā)射出來(lái)的聲波主波束周圍還有若干個(gè)小的錐形波束，稱為旁瓣，最大的旁瓣的中心線與主波束軸線之夾角約為30°。

1.4 流量的計(jì)算

WINRIVER軟件利用從第一個(gè)深度單元到不受河底或旁瓣影響的最后一個(gè)合格單元的數(shù)據(jù)計(jì)算流量。至于第一個(gè)深度單元以上的流量（根本沒(méi)有進(jìn)行測(cè)量）和受到河底影響的水層的流量，則通過(guò)已測(cè)得的合格數(shù)據(jù)利用外推法計(jì)算出來(lái)。

2 ADCP流量測(cè)量過(guò)程

2.1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作

1）軟件和固件的更新

由于ADCP技術(shù)的新穎性，其系統(tǒng)軟件、固件已經(jīng)并且將要不斷地、經(jīng)常地進(jìn)行改進(jìn)升級(jí)。在ADCP儀器運(yùn)往現(xiàn)場(chǎng)之前，要在主用和備用的現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算機(jī)上安裝最新的的WinRiver軟件。

2）現(xiàn)場(chǎng)測(cè)驗(yàn)前檢查

為了確保ADCP工作正常，必須進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)驗(yàn)前的檢查。檢查包括：將ADCP與計(jì)算機(jī)連接，接通電源，進(jìn)入WinRive軟件的“Acquire”工作模式并“喚醒系統(tǒng)”。所有要用的電纜和插件必須查清，現(xiàn)場(chǎng)較難獲得的備件如ADCP和計(jì)算機(jī)用的電池、電纜和數(shù)據(jù)文件備份的軟盤都應(yīng)作為檢查的一部分備齊。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)操作程序

1）儀器安裝A

DCP通常安裝在船舷一側(cè)的支架上。安裝支架應(yīng)具有一定的靈活性，容易升降或翹離水面。支架要有足夠的剛性，在水流沖擊下不會(huì)發(fā)生振動(dòng)或彎曲。安裝支架位置應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離磁性物體，以避免外界磁場(chǎng)對(duì)ADCP內(nèi)置磁羅盤的影響。ADCP換能器應(yīng)沒(méi)入水中至少8cm。如果水面有波浪，換能器要沒(méi)入水中更深一些，以保證在整個(gè)測(cè)驗(yàn)過(guò)程中換能器不會(huì)露出水面或發(fā)生空蝕。

2）儀器檢查

當(dāng)ADCP安裝在支架上，電纜連接到計(jì)算機(jī)并接通電源后，必須進(jìn)行檢查，以保證所有電路和傳感器工作正常。通常使用ADCP軟件之一的BB-TALK內(nèi)的某些子程序?qū)DCP進(jìn)行內(nèi)部診斷和標(biāo)定檢驗(yàn)，并顯示其內(nèi)部設(shè)置，同時(shí)還將ADCP的電路和傳感器進(jìn)行檢測(cè)。

3）設(shè)置文件

在每次測(cè)驗(yàn)前，用戶需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件和ADCP性能對(duì)ADCP進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。設(shè)置文件必須與測(cè)流斷面的實(shí)際情況相匹配，諸如深度單元尺寸、工作模式、底跟蹤和水跟蹤的每組脈沖次數(shù)以及盲區(qū)等參數(shù)均要求有經(jīng)驗(yàn)的使用者來(lái)設(shè)定，以使在現(xiàn)有的條件下所采集的數(shù)據(jù)質(zhì)量最佳。

4）流量測(cè)驗(yàn)

在用ADCP采集流量數(shù)據(jù)之前，描述測(cè)流斷面、日期、人員、設(shè)備和所用軟件與固件版本的基本信息應(yīng)記錄在ADCP現(xiàn)場(chǎng)記錄表上。記錄每次測(cè)驗(yàn)的起點(diǎn)及終點(diǎn)離河岸距離及原始數(shù)據(jù)及設(shè)置文件名。

測(cè)驗(yàn)起點(diǎn)和終點(diǎn)的確定準(zhǔn)則是起點(diǎn)和終點(diǎn)處的水深應(yīng)保證垂線上至少有兩個(gè)有效單元。起點(diǎn)和終點(diǎn)應(yīng)做明顯標(biāo)記，以保證每次斷面流量測(cè)驗(yàn)的起點(diǎn)或終點(diǎn)是相同的。應(yīng)采用電子測(cè)距儀器、測(cè)繩或者其他能夠精確測(cè)驗(yàn)距離的儀器測(cè)驗(yàn)起點(diǎn)和終點(diǎn)的離岸距離。

在正式測(cè)驗(yàn)前應(yīng)進(jìn)行一次“動(dòng)底”（河底推移質(zhì)）檢測(cè)。做法是將測(cè)船保持在某一固定位置上至少10min，用底跟蹤測(cè)驗(yàn)船速和位移。如果沒(méi)有“動(dòng)底”，由底跟蹤測(cè)出的船速應(yīng)為零，測(cè)船的位移近于零。如果有“動(dòng)底”，由底跟蹤測(cè)出的船速不為零，具有一向上游的偽船速。

3 ADCP流量測(cè)量常見(jiàn)問(wèn)題及解決方法

3.1 底跟蹤信號(hào)丟失

如果丟失底跟蹤信號(hào)（其表征為底跟蹤速度為“bad”或無(wú)深度指示），則可能原因如下：①BX深度設(shè)置中的深度不比河流實(shí)際深度大，應(yīng)增大BX并再試。②某種東西擋住一個(gè)或更多的波束，它可能是換能器表面上產(chǎn)生的氣泡，這時(shí)應(yīng)想法增大ADCP入水深度；也可能是某些碎片纏上換能器表面，這時(shí)應(yīng)檢查ADCP及其吊掛架。③河底有水草灌木或其它物質(zhì)，它們對(duì)河底附近的波束產(chǎn)生干擾，這時(shí)應(yīng)設(shè)法移至附近河域，并觀察這一問(wèn)題是否已消失。④河底的性質(zhì)可能比較特殊（例如流速或沉積層較厚的情況）使底跟蹤方法不能可靠地“鎖定”其濾波器，這時(shí)應(yīng)在配置文件的直接指令部分加入BC220和BA20指令，然后采集一組數(shù)據(jù)，看看問(wèn)題是否已有所改善。如果已有所改善，則繼續(xù)采用這種設(shè)置；如果還未改善，則改用BC200和BA15，然后再試。

3.2 “動(dòng)底”（河底推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)）

河底泥沙在高流速時(shí)會(huì)隨水流遷移形成推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)，俗稱“動(dòng)底”。當(dāng)出現(xiàn)“動(dòng)底”時(shí)，ADCP所測(cè)流速將小于實(shí)際流速；ADCP所測(cè)流量將小于實(shí)際流量。為了消除或減小“動(dòng)底”的影響，可以采取如下措施：①選用頻率較低的ADCP。低頻系統(tǒng)聲波穿透能力較強(qiáng)，有可能穿透推移質(zhì)層。②減小底跟蹤脈沖長(zhǎng)度。如果以上措施無(wú)效，只好采用差分GPS代替底跟蹤來(lái)測(cè)驗(yàn)船速。

3.3 數(shù)據(jù)組丟失

如果WinRive檢測(cè)到丟失了數(shù)據(jù)組，它將生成一個(gè)LOSTFILE.ACQ文件，丟失的文件信息將記在該文件中。如果在屏幕上偶然出現(xiàn)ADCP數(shù)據(jù)組丟失的信息，則可能是設(shè)置的串行通信速度對(duì)于計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)太高，或者是按鍵的時(shí)間太長(zhǎng)。由于計(jì)算機(jī)鍵盤的優(yōu)先級(jí)別比串行口高，因此當(dāng)正在接收串行口數(shù)據(jù)時(shí)如果按鍵按下的時(shí)間太長(zhǎng)，串行數(shù)據(jù)就可能丟失。一種解決的方法是計(jì)算機(jī)正在接收ADCP數(shù)據(jù)時(shí)盡量減少使用鍵盤的次數(shù)。另一種方法是降低ADCP與計(jì)算機(jī)的通信速度。第三種方法是選用配有16550UART的計(jì)算機(jī)，它將串行口暫存起來(lái)，使計(jì)算機(jī)有可能跟上數(shù)據(jù)流。

3.4 數(shù)據(jù)組號(hào)丟失

如果在采集數(shù)據(jù)或回放時(shí)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)組號(hào)丟失，則計(jì)算機(jī)由于在串行采集數(shù)據(jù)時(shí)未能獲得有效的檢驗(yàn)和而不記錄該組數(shù)據(jù)，但這并不影響流量的測(cè)量。

造成上述現(xiàn)象的原因之一是計(jì)算機(jī)串行插頭接觸不良，有時(shí)斷時(shí)續(xù)現(xiàn)象。這時(shí)應(yīng)檢查連接處，保證接觸良好。另一個(gè)原因是數(shù)據(jù)傳送時(shí)有干擾源存在，應(yīng)避免將串行或ADCP的水下置于發(fā)電機(jī)、柴油機(jī)或其它大功率電器設(shè)備附近，不應(yīng)把ADCP的水下電纜繞在金屬物體上。還有一種解決辦法就是降低串行通信的速度。

4 結(jié)束語(yǔ)：

綜上所述，ADCP作為一種先進(jìn)的流量測(cè)驗(yàn)設(shè)備，其具有的優(yōu)勢(shì)，與現(xiàn)代水文的高標(biāo)準(zhǔn)、高精度、高效率的要求相適應(yīng)，具有非常廣泛的應(yīng)用前景。但因其測(cè)驗(yàn)成果與傳統(tǒng)測(cè)

驗(yàn)成果的銜接等局限性，使其不能更好的為水文資料整編服務(wù)，因而其推廣應(yīng)用還

需要開展大量的工作，仍然需要優(yōu)化。建議盡快改進(jìn)ADCP的有關(guān)程序，為ADCP在

水文測(cè)驗(yàn)中的推廣應(yīng)用提供保障，為水文測(cè)報(bào)創(chuàng)新、水資源監(jiān)測(cè)、巡測(cè)工作做出更

大的貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王憲寶 柳艷鋒.走航式ADCP與流速儀法流量測(cè)驗(yàn)對(duì)比分析[J].吉林水利.2010（06）

[2] 楊琪.走航式ADCP在嘉定水文的應(yīng)用[J].科技資訊.2010（36）

作者簡(jiǎn)介：

許楚杰（1967-），男，廣東潮安人，水文水資源工程師。