汪連賀

摘要：本文主要介紹流速流向數(shù)據采集方式以及聲學多普勒流速剖面儀ADCP工作原理，介紹了對新購置的ADCP性能以及海上驗收情況，對采集數(shù)據的誤差和異常情況進行了分析，在此基礎上對ADCP的應用提出了指導性意見。

關鍵字：聲學多普勒ADCP 羅經校準 走航測量 潮流觀測

0引言

從養(yǎng)殖捕撈、防災減災到能源開發(fā)，凡與海洋有關的事務均需海洋環(huán)境要素的觀測和相關的數(shù)據。海洋潮流流向、流速尤其是航道演變、維護改造、船舶航行安全的重要參考依據。潮流流速、流向傳統(tǒng)測量一般采用浮標觀測法，該方法就是在浮標漂浮在海面，海面以下2米左右連接以懸浮物，保證該物體隨海流漂移。在測量時，根據適當?shù)牧鞒堂扛粢欢螘r間測量出浮標的一個平均位置，測量完成后，在圖紙上標出測量點并按順序連接，根據測量點的時間和之間的距離計算出兩點間的平均速度，標注到圖上，即可得到流速流向圖。該測量方法測量精度低、勞動強度大，而且受到通視、天氣的影響，對于長距離的測量需要大量的人力和設備投入。ADCP（AcousticDoppler Current Profiler，聲學多普勒流速剖面儀），利用聲學多普勒原理，測量分層水介質散射信號的頻移信息，并利用矢量合成方法獲取海流垂直剖面水流速度，即水流的垂直剖面分布。對被測驗流場不產生任何擾動，也不存在機械慣性和機械磨損，能一次測得一個剖面上若干層流速的三維分量和絕對方向，是一種新型水聲測流儀器。

1聲學多普勒ADCP的工作原理

聲學多普勒流量計的測量原理是以物理學中的多普勒效應為基礎的。根據聲學多普勒效應，當聲源和觀察者之間有相對運動時，觀察者所感受到的聲頻率將不同于聲源所發(fā)出的頻率。這個因相對運動而產生的頻率變化與兩物體的相對速度成正比。

在超聲波多普勒流量測量方法中，超聲波發(fā)射器為一固定聲源，隨流體一起運動的固體顆粒起了與聲源有相對運動的“觀察者”的作用，當然它僅僅是把入射到固體顆粒上的超聲波反射回接收據。發(fā)射聲波與接收聲波之間的頻率差，就是由于流體中固體顆粒運動而產生的聲波多普勒頻移。由于這個頻率差正比于流體流速，所以測量頻差可以求得流速，進而可以得到流體的流量。因此，超聲波多普勒流量測量的一個必要的條件是：被測流體介質應是含有一定數(shù)量能反射聲波的固體粒子或氣泡等的兩相介質。這個工作條件實際上也是它的一大優(yōu)點，即這種流量測量方法適宜于對兩相流的測量，這是其它流量計難以解決的問題。因此，作為一種極有前途的兩相流測量方法和流量計，超聲波多普勒流量測量方法目前正日益得到應用。

流體中懸浮粒子運動速度與流體流速相同，均為u?，F(xiàn)以超聲波束在一顆固體粒子上的反射為例，導出聲波多普勒頻差與流速的關系式。當超聲波束在管軸線上遇到一粒固體顆粒，該粒子以速度u沿營軸線運動。對超聲波發(fā)射器而言，該粒子以u·cosa的速度離去，所以粒子收到的超聲波頻率f2應低于發(fā)射的超聲波頻率f1，降低的數(shù)值為（設A= ）

f2-f1=-A·f1

即粒子收到的超聲波頻率為

f2=f1-A·f1

式中f1為發(fā)射超聲波的頻率；

ɑ為超聲波束與管軸線夾角；

c為流體中聲速。

固體粒子又將超聲波束散射給接收器，由于它以u·cosa的速度離開接收器，所以接收器收到的超聲波頻率f3又一次降低，類似于f2的計算，f3可表示為

f3=f2-A·f2

將f2的表達式代入上式，可得：

f3=f1·2（1-A）

=f1·（1-2A2）

由于聲速c遠大于流體速度u，故上式中平方項可以略去，由此可得：

f3=f1（1-2A）

接收器收到的超聲波頻率與發(fā)射超聲波頻率之差，即多普勒頻移 f1，可由下式計算：

△f=f1-f3=f1-f1·（1-2）·A

=2f1·A

由上式可得流體速度為

u= ·△ f

2 聲學多普勒ADCP海上測試

2.1 設備簡介

為提高單位在潮流方面數(shù)據采集能力，更好的為港航部門提供相應的服務，在原有設備基礎上本單位再次購置了兩臺聲學多普勒ADCP數(shù)據采集設備（WHS—300和WHS—600），技術參數(shù)如表2-1。

2.2測試概述

為充分驗證設備的可用性，單位組織人員進行海上現(xiàn)場實際測試，根據質量管理部門的要求進行不少于12小時的數(shù)據采集。本次測試沒有使用海底靜態(tài)采集方式，全部采用走航式進行工作。走航式不需要進行設備投放和打撈，降低工作強度并保證設備安全，能夠及時發(fā)現(xiàn)采集中出現(xiàn)的問題。

（1）穩(wěn)定性試驗

在測試區(qū)域內選擇一個流速基本穩(wěn)定的水域，將兩套驗流儀相對固定在一起，連續(xù)開機2小時，采集流速數(shù)據，解算后，比對兩套驗流儀采集數(shù)據，求出相同時間、相同水層測量數(shù)據互差值。

（2）數(shù)據采集

2016年3月27日—28日在大沽燈塔附近進行數(shù)據采集（118-01-07.7，38-55-31.1），該處2016年磁偏角西偏6.1°，年變率3.8°。

WHS—300剖面儀安裝在海巡1505，采用外接光纖羅經的方式進行采集；WHS—600剖面儀采用船舷安裝使用自身磁羅經進行采集，在租用的木質漁船上測試，安裝支架采用不銹鋼2024多波束支架進行安裝。

2016年5月8日再次對ADCP進行了測試，數(shù)采方式與上次采集方式相同。因為船舶調動原因，本次測試只使用租用的木質漁船。WHS—300頻率ADCP需要外接光纖羅經，為保證船舶坐標系的穩(wěn)定，該ADCP安裝在不銹鋼2024多波束支架，而WHS—600頻率ADCP直接使用單波束鐵質桿進行固定。endprint

對于使用內置磁羅經的數(shù)據均進行了磁偏差改正，對于使用外接光纖羅經的數(shù)據均進行數(shù)據校準。光纖羅經校準就是在同一條測線往返采集20分鐘，使用WinADCP導出底跟蹤和光纖羅經的數(shù)據分別求平均值，底跟蹤的值與光纖羅經的差值就是校準值。

（3）處理結果

為更直觀的表示采集數(shù)據，以圖形方式顯示流速流向曲線，如圖2-2、2-3、2-4、2-5所示：

根據校準數(shù)據計算的到第一次光纖羅經與ADCP之間的偏差值為8.7度（光纖羅經角度—ADCP角度），第二次偏差值為3.8度，數(shù)據處理結果如表2-2所示。

3數(shù)據分析

數(shù)據分析：因為本次測試目的主要檢查設備是否正常工作，沒有按照規(guī)范進行連續(xù)三天的數(shù)據采集。

（1）第一次WHS—300外接光纖羅經進行數(shù)據采集的結果數(shù)據變化比較大，根據流向曲線剔除異常后曲線能夠表現(xiàn)往復流的趨勢，但無法明顯判斷不同流向時的最大流速。

（2）第一次WHS—600頻率ADCP采集數(shù)據時使用內置光纖羅經，能夠根據曲線和采集的數(shù)據計算流向和最大流速。

（3）第二次WHS—300頻率ADCP采用外接光纖羅經進行數(shù)據采集，能夠根據曲線和采集的數(shù)據計算流向和最大流速。

（4）第二次WHS—600頻率ADCP采集數(shù)據時使用內置光纖羅經，能夠根據曲線和采集的數(shù)據計算流向和最大流速

（5）對于結果1，經咨詢廠家對于WHS—300頻率的ADCP采集數(shù)據分層時層厚最小為1米，但實際采集數(shù)據時層厚設置成了0.5米，導致數(shù)據變化異常，不能正確跟蹤流速流向變化。

（6）對于結果4，流向數(shù)據明顯與其它數(shù)據不同，經分析后認為是此設備安裝方式存在問題，安裝使用了鐵制的單波束桿子，影響了內置磁羅經數(shù)據精度。為驗證分析是否正確，在辦公室內首先驗證ADCP標定是否正確，經檢查后綜合誤差為2.6度，滿足設備要求，把ADCP磁羅經方向指向正北，并與手機指北針進行比對，表明設備沒有問題，數(shù)據顯示為-1度和1度之間變化，隨后把一鐵制垃圾桶靠近ADCP（如圖3-1），ADCP輸出之馬上發(fā)生變化，最大變化達到近20度，把垃圾桶拿開距離1米左右，數(shù)據輸出正常，可以證明此次數(shù)據錯誤是鐵磁影響（如圖3-2）。

4建議

（1）ADCP可以采用直讀式和自容式兩種方式進行工作，采用不同的軟件和不同的配置、采集；可以外接光纖羅經和內置磁羅經進行采集，如果存在鐵磁影響必需使用外接光纖羅經避免船磁干擾。

（2）使用磁羅經必須進行磁偏差校準；使用外置羅經必須進行校準，校準值為（光纖羅經航向—底跟蹤的航向），可以在數(shù)據采集之前進行校準，在沿著測線校準時調整光纖羅經的角度使光纖羅經和底跟蹤的角度一致。

（3）如果采用走航式測量必須開啟ADCP底跟蹤功能。

（4）根據具體設備技術指標對ADCP進行合理的參數(shù)設置。

（5）如果使用內置磁羅經采集航向，不要使用鐵制安裝支架，可以使用不銹鋼、木質、橡膠等，ADCP需要固定安裝。

（6）ADCP的安裝位置如果并非處于船的搖擺中心，且距搖擺中心距離較大，則即使搖擺角度不大，也會在ADCP表面引起較大的瞬時線速度和角速度，這種情況下，ADCP自身的姿態(tài)測量儀已經無法滿足姿態(tài)補償?shù)男枰柰饨痈呔韧勇菹到y(tǒng)來進行觀測誤差修正。

5結束語

隨著對海洋探索需求的不斷增加，ADCP的應用也會越來越廣泛，本文只是針對本次設備測試發(fā)現(xiàn)的問題進行了總結。在實際工作中對ADCP數(shù)據采集效果的影響因素會很多，有時會帶有不確定性，這就要求使用設備技術人員不斷總結積累不斷提高。

參考文獻：

[1]余義德，熊英.晃動平臺下ADCP測流誤差分析與校正[J].海洋環(huán)境科學，2012，31（2）：246-249.

[2]勞雷工業(yè)有限公司. Workhorse Sentinel Series ADCP使用手冊通用.

[3]勞雷工業(yè)有限公司.WorkHorse系列走航ADCP_操作指南.

[4]多普勒測流原理

http：//wenku.baidu.com/link？url=mf3ndh60tp7Nvlctu9FX32dLiHC_d_QorDLE6YYniu1lSaF2slCHHOLiO4Y-vmc963AwJzm4Oxrq4PA9bXTAz_dCgVkgBG8afgX4HORkyb7.

[5]秦偉，周慶，李靖，王力群.走航ADCP原理及誤差分析. 海洋開發(fā)與管理， 2014（6）.

[6]藍標，曲娟. 聲學多普勒流速剖面儀ADCP及其在水文測流中的應用. 氣象水文海洋儀器，2011（4）.

[7]GB/T24558-2009，聲學多普勒流速剖面儀[S].北京：中國標準出版社，2009.endprint