声学多普勒流速剖面仪计量测试系统设计

谢 慧，柳义成，张明敏

(1.天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津 300072；2.交通运输部天津水运工程科学研究院，天津 300456)

0 引言

ADCP是一种利用声学多普勒频移原理进行矢量流速测量的仪器。目前被广泛用于水运工程建设，水文环境监测，海洋、河口的流场结构调查，港口航道流速和流量测验等[1-3]。目前国内外的ADCP主要在室内流速检定水槽和室外江河湖海进行流速计量或校验，两种计量测试环境各有利弊。室内流速检定水槽由于受限于建设尺寸，难以计量低频ADCP，难以开展分层流速计量，边界回响噪声影响测试结果,且水槽中的水过于纯净，需要人为添加一定浓度的散射粒子，如石灰、气泡等，添加粒子的方式及保证粒子的均匀分布是较难的课题[4-8]；室外江河湖海则较为宽广，水体中含有天然均匀的散射粒子，但由于受风浪、紊流、潮汐、声速剖面等自然因素的影响，给测量结果引入诸多不确定度分量[9-10]。本文依托船闸航道(长180 m×宽25 m×深10 m)，其具有宽阔、水深，水面平静无风浪，水体有悬浮物质、可控分层流场等有利ADCP校准的试验环境;搭载测量仪器的新型无人船具有轻便、高稳定性、超强搭载兼容性的优点，最终建立测量仪器与计量标准的溯源链，保障ADCP流速量值的准确可靠。

1 计量测试系统设计

1.1 系统硬件设计

传统ADCP检测方法采用拖车作为载体，整体装置较为复杂且拖车速度受限。以无人船作为搭载试验仪器的载体，其速度最高能够达到3 m/s，并且无人船体积较小、更加灵活自由，可按规定航线航行，较为理想。本文采用定制的自动无人船，船身采用高分子聚酯碳纤维材料减少磁性金属对检测设备的影响，并搭载绝对直线技术。校准系统通过转接法兰盘将被测ADCP换能器安装到无人船底部，且将ADCP通讯电缆接入船体电子水密舱。通过法兰盘转接的方式可以适配不同型号的ADCP。将GPS-RTK安装在无人船顶部，并尽量保证二者的轴线在同一直线上，如图1所示。以确保被测ADCP与GPS-RTK所测量的速度为船身相同位置速度值。

图1 测量船示意图

1.2 试验方法

通过转接法兰盘将被测ADCP换能器安装到无人船底部，并将GPS-RTK安装在无人船顶部，且保证二者在轴线重合，采样频率均为1 Hz。采用全站型电子速测仪(简称全站仪)放样2条180 m等长且平行的虚拟直线，一条直线与水池长边平行且通过水池短边中点，以此作为设定航迹线。另一条直线位于近岸，作为标准线便于计量。将船闸分为15 m+80 m+15 m的3段，前15 m作为无人船加速段，中间80 m作为匀速测量段，后15 m作为减速段。确定航迹线起始点与终止点坐标信息，并将其输入到无人船平台系统控制软件进行航线指令编辑。

在测量段始末点分别设置安装高速光感应摄像与运动分析系统，作用是采集无人船进入测量段和离开测量段瞬间的运动影像，并逐帧分析无人船特征点进、出测量段的时刻。使用全站仪对测量段水平距离进行准确测量，试验方法示意图如图2所示。

图2 试验方法示意图

无人船根据事先编辑任务指令进入航线并在水上自主航行，同时被测ADCP采集流速数据。根据测量段水平距离和无人船在测量段的运行时间，计算平均速度作为流速参考标准值，与被测ADCP流速测量值比对，计算流速示值误差。

同时收集无人船匀速运动时GPS-RTK测量数据。GPS-RTK所测原始数据为坐标数据，可以利用式(1)使其转换为船的实时速度值vG，与被测ADCP测得船速进行对比，经计算可以核查无人船的瞬时速度稳定性。

(1)

式中：Δx为GPS-RTK在x轴方向相邻两点坐标差，m；Δy为在y轴方向相邻两点坐标差，m；t为两点间测量时间间隔，s。

2 试验结果

全站仪所测流速测量段长度L=79.771 m。无人船在测量段内运行时间t=78 s。无人船进入测量段时刻(触发预警线)为15∶10∶12，无人船离开测量段时刻(触发预警线)为15∶11∶30。计算平均流速参考标准值v0=1.02 m/s。

同一时间内被测ADCP所测数据如图3所示。

图3 被测ADCP所测数据

试验过程中，GPS-RTK测得结果与被测ADCP测得流速数据的对比如图4所示。

(a)

(b)

(c)图4 流速数据的对比

在匀速测量段内记录120组流速数据，测速结果及被测ADCP示值误差如表1所示，表中仅列出间隔10 s的数据。

表1 测速结果及ADCP示值误差 m/s

剔除粗大误差后的101组数据对比示意图如图5所示。

图5 101组数据对比图

3 测量结果不确定度分析

3.1 数学模型及灵敏度系数

本文所设计的ADCP计量测试系统的数学模型如式(2)所示

(2)

式中：Δv为被测ADCP示值误差，m/s；Δv0为载体无人船的瞬时速度稳定性引入的误差，m/s。

根据测量不确定度的传播规律，被测ADCP示值误差的不确定度u(Δv)可按式(3)计算。

(3)

采取标准点：流速1 m/s，匀速段长度80 m。则式(3)中灵敏系数经计算可得：

3.2 不确定度分量计算

3.2.1 被测ADCP测量结果引入的不确定度

取标准流速点为1 m/s，计算被测ADCP流速测量的最大允许误差为0.005 m/s，估计其为均匀分布，则可得出被测ADCP引入的B类不确定度为

则被测ADCP引入的不确定度分量为

3.2.2 距离测量引入的不确定度

全站仪带来的测量不确定度采用标准不确定度的B类评定方法，试验中所采用的二级全站仪测距的最大允许误差为±(3+2×10-6D)mm，取标准距离80 m，估计其为均匀分布，则其引入的不确定度为

ADCP校准装置所处的环境是室外环境，因此需要考虑环境因素对测量结果所产生的影响。天津港船闸所处的环境条件相对稳定，没有强电场和磁场来影响全站仪的测量结果。因此，环境因素中的温度为影响主计量标准器测量结果的最大的量。

全站仪在400 m的测量距离，温度每变化1 ℃，能够对测距精度产生0.41 mm的影响。因此，估计在80 m的测量点处，温度变化给系统带来的不确定度为

二者不相关，则由距离测量引入的标准不确定度分量为

3.2.3 时间测量引入的不确定度

试验使用2台高速摄像机拍摄无人船驶入及驶出触发线的时间间隔来进行计时，则时间测量偏差主要由2台高速摄像机引入。高速摄像机每秒帧数可以达到120 fps，即每秒所显示的静止帧格数为120。则其计时可能值区间半宽度a=0.004 2 s，估计其为均匀分布。高速摄像机引入的测量不确定度采用B类不确定度评定方法，为

3.2.4 载体无人船瞬时速度稳定性引入的测量不确定度

由载体无人船引入的速度误差如式(4)所示：

Δv0=v-vG

(4)

由测得的101组测速数据，被测ADCP引入的A类不确定度可由贝塞尔公式求出。

且由已知被测ADCP引入的B类不确定度为0.002 6 m/s，则被测ADCP引入不确定度分量为

GPS-RTK引入的A类不确定度由贝塞尔公式求出。

GPS-RTK所测数据为当前点的坐标数据，并通过计算将其转换为速度值。其测量频率为1 Hz，定位精度为±(8+1×10-6D)mm，取标准间隔距离D=1 m，估计为均匀分布。因此GPS-RTK的B类不确定度为

则GPS-RTK引入的测量不确定度分量为

根据式(5)计算GPS-RTK和ADCP测速结果相关系数为0.623。

(5)

选取显著性水平a=0.01，查表可得临界相关系数r0=0.254 0，相关系数r(v,vG)>r0，二者相关。则载体无人船瞬时速度稳定性引入的测量不确定度为

3.3 合成不确定度

在本次试验过程中，流速测量误差数学模型中的L、t、v及v0各个分量互不相关。根据式(3)可以计算此计量测试系统的合成标准不确定度u(Δv)=0.035 5 m/s，取包含因子k=2，则测试结果测量不确定度为

U=k×u(Δv)=0.071 m/s，k=2

4 结束语

声学多普勒流速剖面仪具有直接测出断面流速剖面、不扰动流场、测验历时短、测速范围大等特点，因此被广泛应用于各处港口航道的流速、流量检测，海域水体结构分析，以及海域大范围搜救工作等。本文以无人船为载体设计的ADCP计量测试系统具有体积小、操控灵便的优点；以天津港船闸作为校准场所，综合了室内及室外校准场所的优点，并尽可能规避其干扰。在无人船设定航速1 m/s时，被检ADCP流速示值误差-0.029 m/s，评定本测试系统的扩展不确定度U=0.071 m/s，k=2。