声学多普勒流量流速剖面仪宽带与窄带性能分析

王骏秋　王　江　王　成

(江都水利工程管理处， 江苏 江都　225200)



声学多普勒流量流速剖面仪宽带与窄带性能分析

王骏秋1王江2王成3

(江都水利工程管理处， 江苏 江都225200)

声学多普勒流量流速剖面仪，在海洋和河流流速、流量测量中应用广泛,其测量的精度和效率得到广大业内人士认可。本文对宽带ADCP和窄带ADCP不同性能指标，进行比较分析，供使用者参考。

声学多普勒流量流速剖面仪； 性能； 分析

1　ADCP测流原理

声学多普勒流量流速剖面仪(简称ADCP)，在流速、流量测量中得到了广泛应用。ADCP分为窄带ADCP与宽带ADCP，其区别在于它们采用不同声信号的发射、接收和处理方法。

窄带ADCP的声信号发射、接收和处理方法为：对于每一个流速测量，ADCP发射一个单独的、相对较长的脉冲声波，然后聆听(即接受)水体中颗粒物对这个脉冲的反射波，并记录发射波与反射波之间的频率改变，这个频率改变称为多普勒频移，用来计算水体的速度。

宽带ADCP的声信号发射、接收和处理方法为：对于每一个流速测量，ADCP发射两组或更多组编码脉冲波，ADCP测量脉冲波组之间的相关系数及相位差，用来计算多普勒频移。

2　ADCP性能分析

宽带ADCP和窄带ADCP性能差别指标主要有四项。

2.1流速测量短期误差

ADCP流速测量的短期误差或称为不确定性，主要由系统的声学多普勒噪音引起。 声学多普勒噪音是随机的,具有白噪声的特性，可通过样本平均减小或消除。平均不仅可以减小或消除声学多普勒仪器本身噪音引起的误差,也可以减小或消除由环境水体中颗粒不规则运动和水流的脉动(紊流)引起的误差。然而平均的时间尺度不能过长，否则，流速测量的时间分辨率将过低。相对较短时间尺度的流速测量精度或误差，称为短期精度或误差。

流速测量的短期精度通常由标准误差来度量：

(1)

式中ε——标准误差，m/s；

σ——标准差，m/s,在许多文献中被称为单脉冲标准差；

N——采样(脉冲)次数；

R——发射脉冲速率；

由式(1)可以看到，随着采样数目的提高, 流速测量的短期误差迅速减少。

对于四声束窄带ADCP， 给出了单脉冲标准差的预测公式：

(2)

式中F——系统频率，Hz；

Dc——深度单元长度，m；

C——声速，m/s；

θ——ADCP声束角。

对于四声束宽带ADCP， 给出了单脉冲标准差的预测公式：

(3)

式中LDc——脉冲间距；

ρ——相关系数；

M——编码单元个数。

宽带ADCP单脉冲标准差通常比窄带ADCP低一个数量级。 这使得宽带ADCP的流速测量短期误差大大低于窄带ADCP。

2.2流速测量的空间和时间分辨率

流速测量的空间分辨率，指的是垂向和水平方向的分辨率。对于仰视或俯视 ADCP,垂向分辨率由ADCP深度单元长度Dc来量度。ADCP容许的最小深度单元长度越小，则ADCP流速测量的垂向空间分辨率越高。最小深度单元的长度取决于系统频率。对于相同的频率，宽带ADCP容许的最小深度单元长度比窄带ADCP要小。即宽带ADCP比窄带ADCP的垂向空间分辨率要高。

流速测量的时间分辨率由时间平均步长来量度。由式(1)可以看出，时间平均步长t是流速测量短期误差的时间尺度。由式(1)还可以看到，流速测量短期误差与时间平均步长的平方根成反比。因此，时间平均步长与流速测量短期误差的平方成反比：

(4)

由于宽带ADCP流速测量短期误差比窄带ADCP要小许多，式(4)表明对于给定的流速测量精度要求(如1cm/s), 宽带ADCP达到精度要求所需的时间平均步长要比窄带ADCP短许多。即宽带ADCP的时间分辨率比窄带ADCP高许多。

对于ADCP走航测量，注意到：Δt×Vb(Vb为船速，假定为常数) 是ADCP流速测量在水平方向上空间分辨率的量度。

由式(1)和式(2)或式(3)可以看到，流速测量短期误差、垂向空间分辨率，及时间分辨率(或走航测量时水平方向上的空间分辨率)是相关的。它们之间的关系如下：

a.对于给定的流速测量精度要求(如：标准误差≤1cm/s)，垂向空间分辨率越高(即采用较小的深度单元)，时间分辨率就越低(即所需时间平均步长较长)，或在走航测量时水平方向上的空间分辨率越低。时间分辨率越高(即采用较短的时间平均步长)，或在走航测量时水平方向上的空间分辨率越高，垂向空间分辨率越低(即需采用较大的深度单元)。

b.对于给定的垂向空间分辨率要求(如：深度单元长度=0.5m)，时间分辨率越高(即采用较短的时间平均步长)或在走航测量时水平方向上的空间分辨率越高，流速测量精度越低。

c.对于给定的时间分辨率(如： 时间平均步长=5s)，垂向空间分辨率越高(即采用较小的深度单元)，流速测量精度越低。

2.3宽带ADCP与窄带ADCP流速测量短期误差及时间分辨率的比较

图1显示了同频率宽带ADCP与窄带ADCP流速测量短期误差的比较(以时间平均步长为函数)。下表列出了用于比较的系统配置和参数。工作模式1是宽带ADCP的标准工作模式。工作模式12是快速发射工作模式。值得注意的是无论是宽带ADCP还是窄带ADCP，脉冲发射速率与采用的单元长度和单元数目有关。表中宽带ADCP的脉冲发射速率为典型值；窄带ADCP的脉冲发射速率值偏高。宽带ADCP单脉冲标准差由PlanADCP 软件计算得到。窄带ADCP单脉冲标准差由式 (2) 算出。

系统配置和参数表

注采用单元长度分别为0.26m、0.52m和 1.05m(对应于1200kHz、600kHz、和300kHz)而不是0.25m、0.50m和1m的原因是宽带ADCP单脉冲标准差在这些数值附近呈阶跃。这是由于宽带信号处理模式的特性决定的。对于1200kHz、600kHz和300kHz ADCP，当单元长度分别为0.26m、0.52m和 1.05m时，测量精度可提高38%。

图1　流量测量短期误差的比较

由图1可看到，对于同样时间分辨率(即时间平均步长)和垂向空间分辨率(即深度单元长度)，宽带ADCP模式1流速测量短期误差大约仅为窄带ADCP流速测量短期误差的四分之一。 换句话说，宽带ADCP模式1流速测量精度比窄带ADCP高4倍。因为模式12脉冲发射速率比模式1高，其精度比模式1还要高。

由式(4)可知，对于流速测量短期误差4倍的差别，时间分辨率的差别将为16倍。所以宽带ADCP时间分辨率比窄带ADCP高16倍。换句话说，为了达到同样的流速测量精度，窄带ADCP比宽带ADCP要多花16倍的时间。例如，对于 1200kHz系统，宽带ADCP 模式1仅需7s即可达到 2.6cm/s的精度；而窄带ADCP则需要130s才能达到同样的精度。假定 ADCP以1m/s的速度进行走航测量，为达到2.6cm/s的精度，宽带ADCP流速测量水平方向上的空间分辨率为7m，而窄带ADCP流速测量在水平方向上的空间分辨率则为130m。因此，宽带ADCP能够比窄带ADCP提供更为详细的流场信息。

2.4盲区、最小和最大剖面深度

盲区是靠近ADCP换能器的一定范围。在该范围内，ADCP不能提供有效测量数据。为了得到更多的数据，盲区当然是越小越好。宽带ADCP盲区比窄带ADCP要小。特别是1200kHz ADCP盲区接近于零。

最小剖面深度取决于系统的盲区和最小单元长度。通常假定在垂线上至少保证两个有效单元，则最小剖面深度的计算公式为：

最小剖面深度=盲区+2×最小单元长度+

旁瓣区厚度或最小单元长度(两者中较大者)

显然，最小剖面深度是越小越好。最大剖面深度是越大越好。然而最小和最大剖面深度与系统频率有关，且互相矛盾。通常系统频率越高，最小剖面深度越小，但最大剖面深度也越小。系统频率越低，最大剖面深度越大，但最小剖面深度也越大。

对于窄带ADCP，最小和最大剖面深度的矛盾特别突出。这是因为窄带ADCP盲区较大，且垂向空间分辨率较低。而对于宽带ADCP，最小和最大剖面深度矛盾较小。这是因为宽带ADCP盲区较小，且垂向空间分辨率较高。例如，某公司600kHz宽带ADCP，其测量剖面深度范围可以从最小1.80m至最大75m(模式1)。如果包括浅水高精度模式，其最小剖面深度可为0.7m。这样一台600kHz宽带ADCP可以适用于大部分河流的水深情况。

2.5对水深和含沙量季节性变化的适应性

对于同一测流断面，水深、含沙量随季节变化可以很大。在枯水期，河流通常较浅，含沙量较小。这时因为水浅，要求ADCP垂向空间分辨率较高。然而当洪水期时，水深增大，含沙量增高，这时因为含沙量大，要求ADCP频率较低、穿透力强，才能达到较大的剖面深度和保持底跟踪。

窄带ADCP对于水深和含沙量季节性变化的适应性很差，因为窄带ADCP盲区大、垂向空间分辨率低。在枯水期水较浅时，只能采用较高频率的窄带ADCP。而当洪水期水深较大、含沙量较高时，较高频率的窄带ADCP不能达到河底，只能采用较低频率的窄带ADCP。这样，同一台窄带ADCP不能兼顾同一条河流的枯水期和洪水期的流量测量。解决的办法只能是购买两台窄带ADCP：一台较高频率的用于枯水期，另一台较低频率的用于洪水期。

宽带ADCP对水深和含沙量季节性变化的适应性较好。因为宽带ADCP(即使是低频系统)盲区较小、垂向空间分辨率较高，因此，较低频率的宽带ADCP既适用于枯水期水较浅的情况，也适用于洪水期水深较大、含沙量较高的情况。

3　小　结

根据以上的分析，可以得到如下结论：宽带ADCP流速测量短期精度比窄带ADCP高4倍左右；宽带ADCP流速测量的时间分辨率(或走航测量时的水平空间分辨率)比窄带ADCP高16倍左右；宽带ADCP盲区较小、垂向空间分辨率较高；宽带ADCP对水深和含沙量季节性变化的适应性较好。

[1]中华人民共和国水利部.声学多普勒流量测验规范[M].北京：中国水利水电出版社，2006.

[2]黄河宁.ADCP流量测验随机误差分析Ⅰ:随机不确定度预测模型[J].水利学报，2006,37(5).

Analysis on the broadband and narrowband performance of Acoustics Doppler Current Profiler

WANG Junqiu1, WANG Jiang2, WANG Cheng3

(JiangduWaterConservancyProjectManagementOffice,Jiangdu225200,China)

Acoustics Doppler Current Profiler(ADCP) is widely applied in sea and river flow velocity and flow measurement. The measurement precision and efficiency are recognized by personage in the industry. In the paper, the different performance indicators of broadband ADCP and narrowband ADCP are comparatively analyzed, which can be adopted as reference by users.

Acoustic Doppler Current Profiler(ADCP); performance; analysis

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2016.10.009

P332.4

A

1005-4774(2016)10- 0031- 04