声学多普勒流速剖面仪(ADCP)在长江河道水文测验中的应用推广.docx

声学多普勒流速剖面仪(ADCP)在长江河道水文测验中的应用推广声学多普勒流速剖面仪(ADCP)在长江河道水文测验中的应用推广1特点介绍船用多功能声学多普勤流速剖面仪（简称多功能ADCP或MADCP）主要功能是测量三维流场剖面，同时还兼有测量悬浮泥沙浓度的功能，主要应用领域是海洋监测，环境保护，海洋开发和航道建设等方面。ADCP被公认是当今最主要的测流手段。多功能ADCP采用专用学多普勤原理，用声波遥测水流的速度，对流场不产生干扰，而且能够在航行过程中测量流速剖面，可快速地获得一个水域的流场断面。与常规的单点式海流计相比，具有测量精度高，快速，高效，省时省力等优点。多功能ADCP采用了宽带和窄带两种测流技术，能适应各种复杂的流场。多功能ADCP能够在测量流量速剖面的同时测量悬浮物浓度剖面，是研究泥沙迁移规律，计算输沙量的十分有效的工具。在国际上未见有相似器的报道，具有独创性。多功能ADCP的操作软件是完全中文界面的，更加适合中国用户，运行于视窗环境，界面友好，使用方便。经长期的比测，积累了大量的经验。在此基础上，结合我省十三个河段近两年的水文测验以及过去的资料分析，该设备不但具有能直接测出断面流速，具且有不扰动流场、测验历时短、测速范围大等特点。2存在问题经过实验、咨询发现ADCP因其受含沙量、河床流沙和船体等影响较大,使ADCP在一些条件下的使用受到制约，需外接GPS和磁罗经，才完全能够在实际生产中应用。仪器商提供的WinRiver软件可以进行数据处理，但要满足一些应用的要求，该软件还是存在不足，针对这个问题开发一套数据后处理软件。3技术实现3.1外部罗经与GPS的使用在外部磁场干扰下，用外接罗经测定船向时，罗经的安装与标定直接影响测验的精度。用外接罗经时，其标定分两步走。第一步是外部罗经自身的标定，其目的是让外部罗经记录测量环境的磁参数，即适应环境；第二步是外部罗经与ADCP相对方向的确定，即ADCP正向与罗经正向的差角(当使用ADCP内部罗经时只使用WinRiver软件中的配合进行一次标定即可。其实，在WinRiver软件中，将罗经角度、罗经偏移与磁偏角之和用于仪器坐标到船系坐标或地球坐标的转换，用上述方法时，是否测量磁偏角已无多大意义。而且在WinRiver软件中回放时，当采用底跟踪（Btm）方式时，罗经偏移、磁偏角或二者之和仅影响水流方向而不影响流量；当采用GGA方式时，罗经偏移、磁偏角主或二者之和不仅影响水流方向还要影响流量。所以如果测量结果中住返水流方向值总是相差较大（大于5°），多半是由于罗经安装或标定不当引起。3.2数据处理技术ADCP流量测验的资料，流量、面积、河宽、断面平均流速流向、断面平均水深、断面最大流速、最大水深数据均可从WinRiver回放软件中直接得出。垂线流速流向数据，可在回放界面中人工摘取，处理时一般用剖面流速代替，产生的差异较小，但对多个剖面平均处理时，WinRiver软件在平均位置及平均水深处理上不太令人满意。而且，当数据量较大时，人工挑选工作量大且极为不便，需通过编制相应的软件进行提取和计算处理。在ADCP数据后处理的算法中，根据资料提交的要求不同，应采取不同的算法。后处理的数据来源为WinRiver回放软件所产生的ASCII码文本文件。在垂线流速的提交方式上，有的要求提交ADCP实测水层单元的流速，有的要求提交垂线上相对水深的资料，涉及到的算法也不尽相同。3.2.1垂线位置和水深的确定ADCP原始数据中记录的位置实际为该剖面的平均位置，一个剖面的跨越宽度一般为1~5m，在提取数据时垂线水深一般用剖面水深代替，垂线的位置数据计算，将回放输出的文本文件中的经纬度数据按高斯正算的方法计算垂线平面坐标。若使用平均处理策略，则对水深也进行平均处理，起点距的算法有平均算法和中心线法等，平均计算时又有算术平均和加权平均算法。3.2.2垂线流速分布函数的确定WinRiver软件支持的流速插补方法有幂指函数、常数、三次平滑等，缺省为幂指函数。虽然幂指函数与我国常用的对数分布函数有一定的差别，但软件中仅将此函数用于顶层和底层流速的插补计算，不致产生较大差异，在WinRiver软件中调整幂指数b的值，对流量影响甚微。3.2.3有效数据的判别在回放输出的ASCII文本文件中，各水层单元的数据包括当前水层单元的深度、流速值、流向、东向流速、北向流速、垂向流速、误差流速、波束1反向散射、波束2反向散射、波束3反向散射、波束4反向散射、好的百分数、流量共13个数据。其中流速流向的坏值表示为-32768，反向散射的坏值表示为255，好的面分数坏值为0，流量坏值表示为2147483647。在提取流速流向资料时，面临三种数据有效性的判别方法：以单元流量有效为判别条件、以单元流速有效为判别条件或以好的百分数为判别条件，在应