国产600kHz ADCP在河道流量测量中的应用

胡长和

（杭州瑞利海洋装备有限公司，杭州，310023）

声学多普勒流速剖面仪（Acoustic Doppler Current Profiler，ADCP）具备水流剖面测量、对地速度测量、对地深度测量及流量测量的功能。其通过Janus配置的4个波束向水中发射一固定频率的声波脉冲，传播过程中遇到水体中的散射体发生散射。ADCP接收底回波信号并对其进行处理得到设备对地速度，接收从水体返回的回波信号并对其进行处理得到不同深度单元层的径向流速，再通过这两个矢量速度相加和坐标变换获得水流的绝对速度。ADCP通过垂直向下的中间波束向水中发射某一固定频率的声波脉冲，接收河底回波信号并对其进行处理得到当前设备距离河底的深度[1]，通过设备在河道断面走航的方式得到断面面积。河道断面面积与水流剖面绝对速度结合实现流量测量功能。国产600 kHz ADCP设备实物见图1。

图1 国产600 kHz ADCP设备实物图

1 基础测量功能

1.1 对地测速

1.1.1 试验条件

试验船在平稳水域以固定航速航行，保持航速和航向稳定，分别录取高精度差分GPS、高精度罗经及设备对地测量速度数据。高精度差分GPS测量数据处理后作为速度真值（基准值），高精度罗经测量航向数据进行航向辅助校准，设备测量精度指标为0.25%v±2 mm/s。

1.1.2 实际测量数据结果

实际测量数据结果见图2，对图中数据进行分析，计算设备对地速度测量数据与基准值之间的相关系数、定位精度及落在误差带（0.25%v±2 mm/s）内的数据有效百分比，统计结果见表1。

表1 对地测量实际数据统计表

图2 对地测量实际数据结果图

由表中数据可知，国产600 kHz ADCP设备具备对地测速功能，对地测速可满足（0.25%v±2 mm/s）精度要求，低深度至高深度航行过程中无深度速度野值点，性能可靠。

1.2 对水测流

1.2.1 试验条件

选取高精度差分 GPS测量数据处理后作为速度真值（基准值）、高精度罗经测量数据进行航向辅助校准，试验船在平稳水域以固定航速作顺逆顺航行（消除水流干扰），保持航速和航向稳定，分别录取高精度差分GPS、高精度罗经及设备对水剖面速度测量数据。取高精度差分GPS顺逆顺平稳航行时三段测量速度平均值作为基准值，与同时间段设备输出三段每层剖面测量速度平均值对比。设备测量精度指标为0.25%v±2 mm/s。

1.2.2 实际测量数据结果

图3为对水剖面速度测量实际数据结果图，表2为对水剖面速度测量实际数据统计。从图 3和表 2中可见，国产600 kHz ADCP设备具备对水测流功能，测量速度精度可满足精度要求。表2中门限值计算公式为：0.25%v±2 mm/s，其中v=3.5914 m/s。

图3 对水测流实际数据结果图

表2 对水测流实际数据统计表

1.3 测深功能

设备水池吊放入水，实时记录设备测深数据与绳子入水后长度，设备入水处水池深度值用绳子吊放重物测量，以水池深度值与绳子入水后长度值相减作为深度真值，测试时在每个深度停留1 min，数据分析见图 4。选取稳定段进行深度平均数据对比结果见表 3。结果表明，设备具备测深功能，测深精度满足±1%×H±0.2 m（H为实际深度）。

表3 测深精度统计表 单位：m

图4 测深实际数据结果图

2 流量测量应用数据

2.1 试验准备

图5 设备安装图

2.2 实际测量数据结果

表4为国产600 kHz ADCP设备往返航次流量对比统计，图6为流量测量实际数据结果显示。由表4和图6可以看出，国产600 kHz ADCP设备流量往返航次测量误差为1.08%，不超过5%，本航次结果有效。软件界面可实时显示包括河道深度、剖面流速、盲区、流量等信息，往返航次中同样位置处水流剖面流向、速度基本一致。

图6 流量测量实际数据结果图

表4 流量测量实际数据统计表

表5为国产600 kHz ADCP设备不同时间段往返航次流量误差统计。由表5可以看出，国产600 kHz ADCP设备有效航次中最大误差为2.79%，最小误差为 0.76%，平均误差为1.58%[3]。由表 5可以看出，上午流量随着时间增加缓慢增加；下午流量随着时间增加缓慢减小，峰值流量在15:00左右，符合河道流量变化规律。

表5 流量测量实际数据误差统计表

2.3 与国外产品参数比对

国产600 kHz ADCP设备与国外同类型设备的主要参数对比见表 6。从数据可以看出，国产 600 kHz ADCP设备性能已达到或超越国外同类型产品。

表6 国内外ADCP参数对比表

国产600 kHz ADCP设备可配套三体船（包含电池、电台），外接 GPS，可以无线传输。设备配套中文测量软件，并具备测量数据、流量结果数据导出功能，满足用户河道测量需求。

3 结论

针对 ADCP国产化的趋势，本文介绍了国产600 kHz ADCP设备的功能及实际测量数据，并与国外同类型设备进行了参数对比。数据表明，国产600 kHz ADCP设备在精度、稳定性、可靠性上已达到或超越国外同类型设备，并具有自主可控、更符合国内使用要求的优点。国产600 kHz ADCP设备可安装于三体船上，实现无线传输，自动测量功能，符合国内用户使用需求。