论文部分内容阅读
摘要：文章简单介绍ADCP基本原理，阐述了走航式ADCP 流量测验误差的主要来源，从优化测验方法与设备测验参数配置等角度，降低测验中产生的误差，最终达到提高ADCP流量测验资料精度的目的。
关键词：ADCP；误差来源；误差控制
1 ADCP基本原理
ADCP 是英文Acoustic Doppler Current Profilers 的简称，即声学多普勒流速剖面仪。它是利用声学多普勒原理研制的目前世界上最先进的河流流速流量实时测量设备。ADCP 测验设备实际上包括：ADCP 换能器（4个探头）以及ADCP 操作软件等两个主要部分组成。利用声学原理，ADCP 向水体发射一个（一对或一组）声脉冲，这些声脉冲碰到水体中悬浮的且随水体运动的微粒后产生反射波，并记录发射波与反射波之间的频率改变，这个频率改变即称多普勒频移，可据此计算出水流相对于ADCP的速度。同时，还向河底发射底跟踪声脉冲，测出ADCP 安装平台（测船）的运动速度以及水深，然后将水流相对速度扣除船速得到水流的绝对速度。
2 走航式ADCP流量测验的主要误差来源
根据ADCP 基本原理及流量计算公式可知，走航式ADCP流量测验的主要误差来源有：
一是多普勒频移方程中发射频率F与超声波速度C产生的水体流速误差。由于温度、盐度的变化导致超声波速度发生改变形成的水体流速误差，在ADCP 仪器内部得到补偿和校正；对于内陆湖泊，水体盐度本身变化不大，误差更小。
二是外界无线电、地磁异常、宇宙射线、GPS 卫星置换等外部干扰产生的ADCP 测验和GPS 定位的偶然误差。
三是ADCP 流量计算中部分面积、流速矢量、船速矢量产生的误。
四是ADCP测验程序WinRiver 的命令参数不适合本地测量环境，导致测量数据产生的误差。
3 走航式ADCP流量测验误差控制方法
针对ADCP 流量计算公式中部分面积、流速矢量、船速矢量产生的误差，应从以下几方面控制测验误差，提高测验精度。
3.1提高外部设备精度，降低测验误差
ADCP 流量计算原理公式中部分面积、流速矢量、船速矢量决定流量的精度，外接高精度的超声波精密水深仪，替代ADCP 内部的水深计算，提高垂线在断面上的水深精度；使用高精度厘米级以上的GPS 定位设备，提高垂线在断面上的位置精度，这样断面部分面积的精度就提高了。使用高精度的GPS罗经外接设备，替代ADCP 内部的磁罗经，提高ADCP 的定向精度，GPS 罗经不受铁质船体和磁场的影响，这样流速矢量、船速矢量的精度得到大幅度的提升，进而提高流量的测验精度。
3.2改善仪器安装固定方式，降低测验误差
控制好ADCP 入水深度，保证ADCP 设备的4 个超声波探头的波束没有被船体等遮挡；保证厘米级GPS 定位设备天线安装在ADCP 设备的铅直线上方，并且控制GPS 天线的高度，使GPS 天线周围没有任何遮挡；保证高精度的超声波精密水深仪外部仪器安装在铅直状态，使所测水深真实可靠。通过正确的仪器安装固定，使ADCP 设备的纵摇、横摇控制在允许范围内，使GPS 定位数据能真实反映ADCP设备的位置，这样流速矢量、船速矢量的真实性和精度就得到大幅度的提升，从而提高流量的精度。
3.3使用电源着手降低设备噪声，降低测验误差
为ADCP、GPS、GPS 罗经、超声波精密水深仪提供独立的开关稳压恒流电源，将不稳定的24～36V 船舶直流电源转变为稳定的12V 直流电源输出，且具有过压、过流、过温、短路等自动保护功能，并能在恢复正常条件后正常工作，负载电流15A，使ADCP 和各种外接设备电噪声恒定，工作持续稳定，消除或降低噪声畸变给ADCP 和外部设备在流量测验过程中产生的误差。
3.4 优化ADCP 配置参数，降低测验误差
1.运用相应专用软件，将ADCP、GPS、GPS 罗经等设备的波特率统一设置在同一个波特率上，使ADCP、GPS、GPS 罗经各种数据在WinRiver 记录中同步，避免波特率不一致给ADCP 程序带来乱码或导致程序呆滞。
2.选择适合本地汛期与枯期的水跟踪模式、底跟踪模式和其它ADCP 命令。在WinRiver 程序采集模式下，先使用测验配置向导，根据仪器安装、本地水情、河道等实际情况，输入或选择当前测站准确的ADCP 设备、ADCP 吃水、磁偏角、当前断面最大水深（根据水情的涨落率，预置最大水深可适当增加0.5～1.0m）、预计断面最大流速（根据水位情况，查出推算的线上流量结合断面水流现状，估算断面最大流速）、预计最大船速、河床类型等，由配置向导自动生成基本适合本地的向导命令，其次在向导命令建立后，在用户命令中键入更加适合本地的专用命令，从而降低ADCP 因为配置不合理产生的测验误差。每次测验都针对实时水情、河床进行相应配置，有利于提高现场测验精度。
3.5 控制ADCP 航迹和航速，降低测验误差
安装ADCP 的船舶在进行流量测验时，严格按照断面计划线行驶，航行轨迹与断面计划线重合越高，流速矢量、船速矢量的测验精度就越高；ADCP 每测回的开始和结束，WinRiver软件中尽量不出现测船转弯航迹，如果有此现象，在数据回放前，要截除弯头航迹数据。同时进行ADCP 测验时，测船速度应该低于水体流速，测船行驶中导致水体流场的改变就小，流速矢量和船速矢量不产生相互干扰，流速矢量、船速矢量的测验精度就越高。
3.6 对ADCP 测验数据进行回放与后处理，降低测验误差
每次测验完成后，对相应数据进行回放，首先剔除航迹转弯、流速矢量异常的垂线数据集合；然后通过WinRiver 软件观察每个测回单位水层的流速数据块，如果存在白色空块，在测验配置的处理中适当增大WT 流速误差阀值，使流速数据白色空块最少，这样可以大大降低ADCP 后处理软件提取流速出现较大误差；通过适当改变罗经偏角，使每个测回数据中的底跟踪（BTM）航迹和GGA 航迹完全重合，同时使四个测回总流量的标准偏差尽量最小，这样测回间的系统误差就降低了。
4 结语
ADCP是在计算机控制下沿断面通过一次即可以测算出全断面流量，同时获得横断面面积数值及水深、流速等水文要素纵横向分布资料，极大地提高了流量测验的自动化水平，减轻了水文测验的劳动强度。在测验中，控制测量误差，提高测验精度，从而使水文资料具有更好的代表性，提高水文資料的质量。
参考文献：
[1]陈学林.声学多谱勒流速剖面仪流量测验精度分析[J].人民黄河，2015，27（7）：12-14.
[2]席占平，郭相秦. ADCP 在宽浅河道流量测验中使用小单元尺寸的探讨[J]. 中国农村水利水电，2016，11：57-59.
[3]中华人民共和国水利部. SL337-2006《声学多普勒流量测验规范》[S].北京：中国水利电力出版社，2006.
作者简介：
李江艳，女，1984年1月生，江苏省东海人，现供职于江苏省江都水利工程管理处，工程师，从事水文与水资源方面的研究工作。
刘洁，女，1984年3月生，江苏省江都人，现供职于江苏省江都水利工程管理处，工程师，从事水利水电方面的研究工作。
王莉莉，女，1986年9月生，江苏省淮安人，现供职于江苏省洪泽湖水利工程管理处，工程师，从事水文与水资源方面的研究工作。
关键词：ADCP；误差来源；误差控制
1 ADCP基本原理
ADCP 是英文Acoustic Doppler Current Profilers 的简称，即声学多普勒流速剖面仪。它是利用声学多普勒原理研制的目前世界上最先进的河流流速流量实时测量设备。ADCP 测验设备实际上包括：ADCP 换能器（4个探头）以及ADCP 操作软件等两个主要部分组成。利用声学原理，ADCP 向水体发射一个（一对或一组）声脉冲，这些声脉冲碰到水体中悬浮的且随水体运动的微粒后产生反射波，并记录发射波与反射波之间的频率改变，这个频率改变即称多普勒频移，可据此计算出水流相对于ADCP的速度。同时，还向河底发射底跟踪声脉冲，测出ADCP 安装平台（测船）的运动速度以及水深，然后将水流相对速度扣除船速得到水流的绝对速度。
2 走航式ADCP流量测验的主要误差来源
根据ADCP 基本原理及流量计算公式可知，走航式ADCP流量测验的主要误差来源有：
一是多普勒频移方程中发射频率F与超声波速度C产生的水体流速误差。由于温度、盐度的变化导致超声波速度发生改变形成的水体流速误差，在ADCP 仪器内部得到补偿和校正；对于内陆湖泊，水体盐度本身变化不大，误差更小。
二是外界无线电、地磁异常、宇宙射线、GPS 卫星置换等外部干扰产生的ADCP 测验和GPS 定位的偶然误差。
三是ADCP 流量计算中部分面积、流速矢量、船速矢量产生的误。
四是ADCP测验程序WinRiver 的命令参数不适合本地测量环境，导致测量数据产生的误差。
3 走航式ADCP流量测验误差控制方法
针对ADCP 流量计算公式中部分面积、流速矢量、船速矢量产生的误差，应从以下几方面控制测验误差，提高测验精度。
3.1提高外部设备精度，降低测验误差
ADCP 流量计算原理公式中部分面积、流速矢量、船速矢量决定流量的精度，外接高精度的超声波精密水深仪，替代ADCP 内部的水深计算，提高垂线在断面上的水深精度；使用高精度厘米级以上的GPS 定位设备，提高垂线在断面上的位置精度，这样断面部分面积的精度就提高了。使用高精度的GPS罗经外接设备，替代ADCP 内部的磁罗经，提高ADCP 的定向精度，GPS 罗经不受铁质船体和磁场的影响，这样流速矢量、船速矢量的精度得到大幅度的提升，进而提高流量的测验精度。
3.2改善仪器安装固定方式，降低测验误差
控制好ADCP 入水深度，保证ADCP 设备的4 个超声波探头的波束没有被船体等遮挡；保证厘米级GPS 定位设备天线安装在ADCP 设备的铅直线上方，并且控制GPS 天线的高度，使GPS 天线周围没有任何遮挡；保证高精度的超声波精密水深仪外部仪器安装在铅直状态，使所测水深真实可靠。通过正确的仪器安装固定，使ADCP 设备的纵摇、横摇控制在允许范围内，使GPS 定位数据能真实反映ADCP设备的位置，这样流速矢量、船速矢量的真实性和精度就得到大幅度的提升，从而提高流量的精度。
3.3使用电源着手降低设备噪声，降低测验误差
为ADCP、GPS、GPS 罗经、超声波精密水深仪提供独立的开关稳压恒流电源，将不稳定的24～36V 船舶直流电源转变为稳定的12V 直流电源输出，且具有过压、过流、过温、短路等自动保护功能，并能在恢复正常条件后正常工作，负载电流15A，使ADCP 和各种外接设备电噪声恒定，工作持续稳定，消除或降低噪声畸变给ADCP 和外部设备在流量测验过程中产生的误差。
3.4 优化ADCP 配置参数，降低测验误差
1.运用相应专用软件，将ADCP、GPS、GPS 罗经等设备的波特率统一设置在同一个波特率上，使ADCP、GPS、GPS 罗经各种数据在WinRiver 记录中同步，避免波特率不一致给ADCP 程序带来乱码或导致程序呆滞。
2.选择适合本地汛期与枯期的水跟踪模式、底跟踪模式和其它ADCP 命令。在WinRiver 程序采集模式下，先使用测验配置向导，根据仪器安装、本地水情、河道等实际情况，输入或选择当前测站准确的ADCP 设备、ADCP 吃水、磁偏角、当前断面最大水深（根据水情的涨落率，预置最大水深可适当增加0.5～1.0m）、预计断面最大流速（根据水位情况，查出推算的线上流量结合断面水流现状，估算断面最大流速）、预计最大船速、河床类型等，由配置向导自动生成基本适合本地的向导命令，其次在向导命令建立后，在用户命令中键入更加适合本地的专用命令，从而降低ADCP 因为配置不合理产生的测验误差。每次测验都针对实时水情、河床进行相应配置，有利于提高现场测验精度。
3.5 控制ADCP 航迹和航速，降低测验误差
安装ADCP 的船舶在进行流量测验时，严格按照断面计划线行驶，航行轨迹与断面计划线重合越高，流速矢量、船速矢量的测验精度就越高；ADCP 每测回的开始和结束，WinRiver软件中尽量不出现测船转弯航迹，如果有此现象，在数据回放前，要截除弯头航迹数据。同时进行ADCP 测验时，测船速度应该低于水体流速，测船行驶中导致水体流场的改变就小，流速矢量和船速矢量不产生相互干扰，流速矢量、船速矢量的测验精度就越高。
3.6 对ADCP 测验数据进行回放与后处理，降低测验误差
每次测验完成后，对相应数据进行回放，首先剔除航迹转弯、流速矢量异常的垂线数据集合；然后通过WinRiver 软件观察每个测回单位水层的流速数据块，如果存在白色空块，在测验配置的处理中适当增大WT 流速误差阀值，使流速数据白色空块最少，这样可以大大降低ADCP 后处理软件提取流速出现较大误差；通过适当改变罗经偏角，使每个测回数据中的底跟踪（BTM）航迹和GGA 航迹完全重合，同时使四个测回总流量的标准偏差尽量最小，这样测回间的系统误差就降低了。
4 结语
ADCP是在计算机控制下沿断面通过一次即可以测算出全断面流量，同时获得横断面面积数值及水深、流速等水文要素纵横向分布资料，极大地提高了流量测验的自动化水平，减轻了水文测验的劳动强度。在测验中，控制测量误差，提高测验精度，从而使水文资料具有更好的代表性，提高水文資料的质量。
参考文献：
[1]陈学林.声学多谱勒流速剖面仪流量测验精度分析[J].人民黄河，2015，27（7）：12-14.
[2]席占平，郭相秦. ADCP 在宽浅河道流量测验中使用小单元尺寸的探讨[J]. 中国农村水利水电，2016，11：57-59.
[3]中华人民共和国水利部. SL337-2006《声学多普勒流量测验规范》[S].北京：中国水利电力出版社，2006.
作者简介：
李江艳，女，1984年1月生，江苏省东海人，现供职于江苏省江都水利工程管理处，工程师，从事水文与水资源方面的研究工作。
刘洁，女，1984年3月生，江苏省江都人，现供职于江苏省江都水利工程管理处，工程师，从事水利水电方面的研究工作。
王莉莉，女，1986年9月生，江苏省淮安人，现供职于江苏省洪泽湖水利工程管理处，工程师，从事水文与水资源方面的研究工作。