ADCP在海洋技術實驗教學中的應用研究

何世鈞, 謝圣東, 王令群, 熊中敏

(上海海洋大學 信息學院, 上海 201306)

儀器設備研制與應用

ADCP在海洋技術實驗教學中的應用研究

何世鈞, 謝圣東, 王令群, 熊中敏

(上海海洋大學 信息學院, 上海 201306)

根據上海海洋大學“空間信息與數字技術”專業的特點和定位,把聲學多普勒流速剖面儀(ADCP)引入海洋技術課程的實驗教學中,在水中模擬真實的海洋水文測量的場景。在ADCP測量水文要素實驗中,將課程中的理論原理與實際應用技術相結合,彌補了海洋技術課程理論教學的不足,讓學生真實體驗如何將海洋技術應用于海洋研究中,加深了學生對海洋技術的理解,提升了學生的學習熱情和學習主動性。

水文測量； 海洋技術； 實驗教學； 數字技術；ADCP

根據國家海洋事業發展的需要,上海海洋大學立足于上海的區位優勢,率先在上海市開設了“空間信息與數字技術”專業,并且明確了基于海洋事業需求的“空間信息與數字技術”專業的定位,強調了“數字海洋”、“海洋信息化”的專業人才培養目標[1]。

海洋技術是人類研究海洋、開發海洋、利用海洋、保護海洋等一系列活動的技術基礎[2-3]。海洋技術概論是上海海洋大學空間信息與數字技術專業的一門專業課程,突出了培養數字海洋技術應用人才的重點。但是學生只能在課堂上學習到海洋技術理論,對實際的海洋技術應用還是缺乏了解和認識。采用理論教學和實驗教學相結合的方法,一方面能夠使學生掌握各種海洋技術的基本理論知識,另一方面可以使學生學會應用海洋技術對海洋進行研究[4-5]。本文探索將ADCP(聲學多普勒流速剖面儀)引入課程的實驗教學中,在水中模擬真實的海洋水文測量的場景,使理論學習與研究探索相結合,夯實了學生對水下探測技術中水下聲學技術的理解和運用,彌補了海洋技術課程理論教學的不足。

1 ADCP在海洋技術實驗教學中的應用

1.1 ADCP測量系統組成

ADCP是目前國際上測量多層海流剖面的最有效方法。自20世紀90年代初,國際上的大型海洋研究項目如TO-GA、WOCE、WEPOCS等都使用ADCP,ADCP在當時也被海委會正式列為4種新型先進海洋觀測儀器之一[6]。

ADCP測量系統由水下傳感器探頭、電子單元、小型浮體、掌上電腦、“藍牙”(BlueTooth)無線通信、電源、StreamPro走航式測量軟件和WinRiver數據回放軟件組成。本文中采用美國RDI公司出品的StreamPro ADCP(微型聲學多普勒流速儀)產品,掌上電腦采用HP iPAQ。探頭上部為4個聲波換能器,每個換能器既是發射器又是接收器,發射一固定頻率的聲波,然后接收被水體中顆粒物(如泥沙、氣泡等漂浮物)散射回來的聲波[7]。ADCP用聲學換能器作傳感器,將探頭置于水面下一定深度處,采用走航式測驗水文要素。用戶應用掌上電腦運行StreamPro軟件進行水文要素測量,電子單元與掌上電腦之間通過“藍牙”無線通信,ADCP采集的數據可以應用PC(個人電腦)端WinRiver軟件回放[8]。ADCP系統組成示意圖見圖1。

圖1 ADCP系統組成示意圖

1.2 ADCP應用于實驗教學

在海洋技術概論課程中引入ADCP實驗教學,在水中模擬真實的海洋水文測量的場景,讓學生真實感受將海洋技術應用于海洋研究中的情況。同時也加強了本科實驗教學的研究性和探索性,有利于提升學生的學習興趣和熱情,開闊學生視野,增強學生專業素質[9-10]。

在ADCP實驗教學中,首先讓學生了解ADCP儀器的構成和測量原理；然后將儀器的各個部分按照規定和要求進行連接,打開ADCP和掌上電腦的“藍牙”進行無線通信連接,設置StreamPro軟件的相關測量參數進行儀器狀態自檢,確保通信連接正常；然后牽引ADCP在水中進行測量水文數據,測量軟件會實時地接收到測量的數據,觀測數據是否正?；蛴袎狞c存在,如果有則對測量參數進行重新設置,在水中重新布放ADCP儀器,直到數據顯示正常為止；采集完數據后將數據導出進行分析,最后寫出實驗報告。實驗教學流程圖如圖2所示。

圖2 實驗教學流程圖

2 ADCP的工作原理

2.1 ADCP流速測量基本原理

ADCP是利用聲學多普勒效應來測量流速的[11]。聲學換能器向水中發射超聲波束,由隨水移動的懸浮顆粒反射,發生多普勒頻移，通過高分辨的儀器接收、解算返回波束頻移即可得到瞬時流速。

多普勒頻移是指回波頻率與發射頻率之間的頻率變化,可表示為

(1)

式(1)中:Fd為聲學多普勒頻移；F為ADCP發射頻率；V為顆粒物沿聲束方向的移動速度；C為聲波在水中的傳播速度。

假定水體中顆粒物的運動速度與水流速度相同,ADCP通過跟蹤顆粒物的運動,測定水流相對于ADCP的速度,此速度扣除浮體航行速度后,即得水流相對于地球坐標系的絕對速度。浮體航行速度主要通過跟蹤水底的“運動”或GPS跟蹤測定[12]。由浮體航行速度和計時數據可以計算出浮體的航行軌跡。

2.2 ADCP深度測量基本原理

ADCP利用4個波束測量水深的平均值DAVG和儀器入水深度DADCP，然后計算水深：

(2)

式中，Dtotal為觀測剖面位置的實際水深,即水面至水底的垂直距離。

式(2)適用于底跟蹤有效且不存在“動床效應”的水體觀測,否則必須外接水深測量設備。

2.3 ADCP流量測量基本原理

從理論上來說,ADCP流量測量的原理與傳統流量測量法基本相同,都是在測流斷面上布設多條垂線,采取各自的測量方式測出各條垂線的水深和流速,并換算出流量[13]。

ADCP法則不需要測流斷面跟河岸垂直,測量浮體航行軌跡比較隨意,可以是曲線,斜線也沒問題,這樣使得測量工作的機動性和靈活程度大大加強。將ADCP安裝在小型浮體上,當浮體從河道某斷面一側航行至該斷面另一側時,ADCP能夠直接測出該斷面的流速和流量,測量耗時更短,測流的范圍更大。ADCP工作原理流程圖如圖3所示。

圖3 ADCP工作原理流程圖

3 ADCP實驗數據分析

3.1 ADCP初始化分析

將StreamPro ADCP的各個部件按照要求連接后,打開StreamPro ADCP電源。待StreamPro ADCP平穩布放于測量水域中后,啟動iPAQ,設置完成“藍牙”連接,StreamPro ADCP電子單元上的藍顏色指示燈亮,表示iPAQ和ADCP通過“藍牙”通信已建立連接。打開StreamPro軟件,啟動ADCP的初始化,在“配置文件”中設置換能器的入水深度、最大水深和最大水流值等參數,并進行儀器狀態自檢。初始化結束后,牽引ADCP在水中進行走航式測量,iPAQ可以實時地采集到水文數據并顯示,如圖4所示。將數據顯示方式調整為圖形顯示,可以實時觀測各水文要素的變化以及航跡行程,如圖5所示。

圖4 ADCP采集數據示意圖

圖5 航跡行程圖

3.2 ADCP剖面數據分析

StreamPro ADCP利用水下聲學技術接收向水中發射的聲波的反射波來采集水文數據,整個采集過程是以數據組的形式記錄數據。圖6中的流速等值圖顯示的是一系列連續的數據組測得的河底深度、表層深度和底層深度值。

StreamPro ADCP在檢測流量時,所測得的位置水域剖面數據可采用后處理的算法在WinRiver軟件中回放得出,如圖7所示，這些數據反映了當前剖面的剖面的流速、剖面的回波強度、剖面的流量、航跡和流速矢量等信息。

3.3 ADCP與GIS結合分析

GIS(geographic information system,地理信息系統)是以計算機科學、數學和地理學為基礎,以地理信息的數字采集、處理、表達和規劃為內容的信息系統[14]。將ADCP采集的水文要素數據與GIS技術相結合進行數據分析,使數據具備更有意義的空間信息特征,讓學生對計算機信息處理技術和海洋空間技術的結合有進一步的認識。

圖7 剖面數據圖

4 結束語

本文探索把海洋技術中實際的海洋測量引入課堂,使學生在課堂上體驗海洋測量的過程。在教學中將聲吶傳感器的原理與實際應用相結合,讓學生了解通過海洋技術獲取空間信息、利用計算機信息處理技術處理海洋空間信息的過程。在實驗教學中激發學生學習探索的熱情,培養學生分析和解決問題的能力,有助于學生學會將海洋技術,特別是數字技術應用于海洋研究中。

References)

[1] 何世鈞,張書臺,袁小華,等.基于海洋發展戰略需求的空間信息與數字技術專業課程體系建設[J].計算機教育,2014(10):75-77.

[2] 陳鷹.海洋技術定義及其發展研究[J].機械工程學報,2014 ,50(2):1-7.

[3] 陳鷹,瞿逢重,宋宏,等.海洋技術教程[M].杭州:浙江大學出版社,2012.

[4] 張清祥.探索實驗教學載體,培養學生實踐創新能力[J].實驗技術與管理,2012,29(2):130-133.

[5] 柯長青,李滿春,王臘春.地理與海洋科學實驗教學中心的建設與發展[J].實驗技術與管理,2012,29(2):109-112.

[6] 相文璽,楊錦坤,趙昕.ADCP測量數據深度值的正確解析[J].海洋通報,2012,31(1):94-96.

[7] 薛冰.淺析近、現代河流流量測驗技術[J].河南科技,2014(8):26.

[8] 陳建湘,吳堯,張潮.ADCP數據后處理軟件設計及其應用[J].人民長江,2014,45(21):58-61.

[9] 應祥岳,徐鐵峰,劉太君,等.大型儀器應用于移動通信實驗教學的探索[J].實驗室研究與探索,2014,33(6):157-160.

[10] 姚芳,孫岳明.熱分析儀器實驗教學實踐[J].實驗技術與管理,2014,31(12):162-165.

[11] 張英豪,賴錫軍.基于船載式浮動平臺的ADCP垂線流速分布測驗研究[J].長江科學院院報,2014,31(12):124-128.

[12] 楊錦坤,相文璽,韋廣昊,等.走航ADCP數據處理與質量控制方法研究[J].海洋通報,2009,28(6):101-105.

[13] 梁后軍,劉小虎,蔡國成,等.二垂線式ADCP流量測量系統[J].水利信息化,2013(4):26-29.

[14] 黃澤純.基于ArcGIS平臺的GIS實踐教學[J].實驗室研究與探索,2010,29(1):56-58.

ResearchonapplicationofADCPinoceantechnologyexperimentalteaching

He Shijun, Xie Shengdong, Wang Lingqun, Xiong Zhongmin

(College of Information, Shanghai Ocean University,Shanghai 201306,China)

According to the characteristics and positioning of Spatial Information and Digital Technology specialty in Shanghai Ocean University,the Acoustic Doppler Current Profiler(ADCP) is introduced to the experimental teaching of Ocean Technology course,in which the real ocean hydrological measurement scene is simulated in the water.The theory in the course is combined with practical application technology in the experiment of measuring hydrologic features by ADCP,which can compensate for the shortfall of the theory teaching of the course.The experimental teaching by ADCP can bring students real experience of how to apply ocean technology to ocean research,help students deepen their understanding of ocean technology and improve their learning enthusiasm and initiative.

hydrological measurement; ocean technology; experimental teaching; digital technology; ADCP(acoustic Doppler current profiler)

2015- 01- 23 修改日期：2015- 03- 11

上海海洋大學教改項目(A1-0209-14-0302-9)

何世鈞(1965—)，男，上海，博士，教授，主要從事海洋信息處理與預測模型、自動控制與檢測技術、傳感器與數字技術等方面研究.

E-mail：heshijun6@163.com

G642.0；P

A

1002-4956(2015)8- 0079- 04