ADCP應(yīng)用研究：聲學(xué)多普勒流速剖面儀檢定水槽拖車試驗(yàn)綜述

喬正明,肖熹,吳姚振,任浩宇,尹錫帆，趙小峰

(1.國家海洋技術(shù)中心漳州基地籌建辦公室 北京 100083；2.94647部隊(duì)57分隊(duì) 福州 350026； 3.國防科技大學(xué)氣象海洋學(xué)院 南京 211101)

ADCP應(yīng)用研究：聲學(xué)多普勒流速剖面儀檢定水槽拖車試驗(yàn)綜述

喬正明1,肖熹2,吳姚振1,任浩宇1,尹錫帆1，趙小峰3

(1.國家海洋技術(shù)中心漳州基地籌建辦公室 北京 100083；2.94647部隊(duì)57分隊(duì) 福州 350026； 3.國防科技大學(xué)氣象海洋學(xué)院 南京 211101)

文章介紹聲學(xué)多普勒流速剖面儀(ADCP)的原理和檢測方法，綜述水槽拖車試驗(yàn)的相關(guān)情況，總結(jié)水池池體、檢定拖車和池體水中散射體等試驗(yàn)需求，并針對(duì)這些需求分別提出試驗(yàn)檢定難點(diǎn)，以期完善相關(guān)理論基礎(chǔ)和開展進(jìn)一步研究。

聲學(xué)多普勒流速剖面儀；水槽拖車試驗(yàn)；海洋工程技術(shù)；散射體；水體測量

聲學(xué)多普勒流速剖面儀(Acoustic Doppler Current Profiler，ADCP)是目前國內(nèi)外測量多層剖面海流及河道流量的最有效方法之一[1]，其檢測檢定方法主要有自身航行試驗(yàn)、同步比測試驗(yàn)和水槽拖車試驗(yàn)[2]。實(shí)踐表明，室內(nèi)可控環(huán)境下的水槽拖車試驗(yàn)是目前檢定ADCP的最可靠最有效方法[3-5]。

1 ADCP原理

ADCP是融合水聲物理、電子技術(shù)、水聲換能器設(shè)計(jì)和信號(hào)處理等多學(xué)科技術(shù)的新型水聲測流設(shè)備，利用聲學(xué)多普勒原理，能1次測得1個(gè)剖面上若干層流速的三維分量和絕對(duì)方向[6]，由換能器、方向和傾斜傳感器、數(shù)據(jù)采集處理軟件等組成。

ADCP一般配有2～4個(gè)聲換能器。水體中的散射體(如浮游生物、泥沙顆粒等)與水融為一體隨水流動(dòng)，其速度即代表了水流速度。ADCP利用聲波換能器作為傳感器，換能器向水體中發(fā)射一定頻率的聲波脈沖信號(hào)，聲波脈沖信號(hào)碰到散射體后會(huì)產(chǎn)生后向散射，換能器再對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行接收和處理。通過測量多普勒頻移就能計(jì)算出ADCP和散射體的相對(duì)速度，進(jìn)而可換算得到水流相對(duì)于ADCP(即測船)的速度，扣除船速后可得水流相對(duì)于地球坐標(biāo)系的絕對(duì)速度[7]。另外，還可以利用ADCP測量層深、水深以及計(jì)算斷面流量。

2 ADCP檢測方法

2.1 自身航行試驗(yàn)

ADCP流速、流向測量是指水相對(duì)于ADCP儀器坐標(biāo)系流動(dòng)速度的大小和方向，而湖水流速較小，有的可以忽略，所以可以利用近似靜止的水環(huán)境配合運(yùn)動(dòng)中的ADCP，形成ADCP與水的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，以ADCP自身的運(yùn)動(dòng)速度值檢驗(yàn)ADCP的流速測量值，以ADCP在自身坐標(biāo)系上的運(yùn)動(dòng)方向值檢驗(yàn)ADCP流向測量值。當(dāng)水流速度較大時(shí)，試驗(yàn)船采取跑閉合、正交或往返回路航行的方式來抵消水流的影響[2]。湖水的深度一般要大于室內(nèi)水池的深度，所以可進(jìn)行某些較低頻率ADCP的檢測。

2.2 同步比測試驗(yàn)

因?yàn)楹Ｉ喜煌疃攘魉佟⒘飨虼嬖诓町悾圆荒懿扇z測的方法，只能采取比測的方法。試驗(yàn)基本原理是利用2臺(tái)不同型號(hào)的ADCP準(zhǔn)同步測量同一水體，來比較測得的流速、流向數(shù)據(jù)。按照載體不同，可以分為潛標(biāo)比測和船載比測。船載比測按照運(yùn)動(dòng)方式的不同，又可分為漂泊比測和走航比測。按照比測儀器的不同，可以分為同類型ADCP比測和不同類型ADCP比測。ADCP比測時(shí)應(yīng)選取指標(biāo)更好、性能更穩(wěn)定的儀器作為比測參照對(duì)象。通常工作頻率不大于300 kHz的ADCP進(jìn)行海上同步比測試驗(yàn)。

2.3 水槽拖車試驗(yàn)

在室內(nèi)可控環(huán)境下，由大型水池、運(yùn)動(dòng)拖車、拖車車速測量設(shè)備、ADCP安裝架、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、測量數(shù)據(jù)同步采集處理裝置和被測ADCP儀器等組成。試驗(yàn)時(shí)將ADCP固定在拖車上，并向水體中播撒石灰粉粉末等顆粒物作為水中散射體，采用水靜止而ADCP運(yùn)動(dòng)的方式制造ADCP與水的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，以ADCP自身的運(yùn)動(dòng)速度值檢驗(yàn)ADCP的流速測量值，以ADCP在自身坐標(biāo)系上的運(yùn)動(dòng)方向值檢驗(yàn)ADCP流向測量值[8]。因水池池體限制，一般工作頻率大于300 kHz的ADCP進(jìn)行水槽拖車試驗(yàn)。

實(shí)踐表明，自身航行、同步比測試驗(yàn)存在周期長、成本高、受外界因素影響大及檢測檢定精度不可控等不利因素，而室內(nèi)可控條件下水槽拖車試驗(yàn)具有檢定時(shí)間短、精度高及檢定條件可控等優(yōu)勢，使其成為業(yè)內(nèi)同行研究的主要方向。

3 水槽拖車試驗(yàn)需求

3.1 水池池體

對(duì)于不同工作頻率的ADCP，檢定所需水池的物理尺寸不同。由聲學(xué)特性可知，ADCP的工作頻率越低，在進(jìn)行檢定時(shí)對(duì)水池長度、寬度和深度的要求就越大。2010年開始實(shí)施的國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 24558—2009聲學(xué)多普勒流速剖面儀》[2]要求工作頻率大于300 kHz的ADCP應(yīng)進(jìn)行水槽拖車試驗(yàn)；試驗(yàn)所用水池應(yīng)長度大于100 m，寬度大于7 m，深度大于4.5 m。

3.1.1 水池長度需求

水池要足夠長，否則在檢定時(shí)ADCP載體運(yùn)動(dòng)的速度還沒有穩(wěn)定或是沒有獲取足夠的采樣數(shù)據(jù)時(shí)就已經(jīng)到達(dá)水池端頭。參考國內(nèi)外檢測檢定方案，水池長度的測算公式為：

水池長度=拖車寬度+加速段長+穩(wěn)定段長+采樣段長+制動(dòng)段長+安全段長。

其中，ADCP水槽拖車試驗(yàn)需有132 m的有效檢測距離(采樣段)[9]，考慮拖車減速段、制動(dòng)段、安全段等長度，水池長度在200 m左右才能基本滿足ADCP的檢定需求。

3.1.2 水池長度和寬度需求

水池要足夠深。不同型號(hào)的ADCP盲區(qū)大小不同，水池深度至少要大于盲區(qū)，如300 kHz ADCP盲區(qū)為2 m，75 kHz ADCP盲區(qū)能達(dá)到8 m[2]。要確保測量數(shù)據(jù)可靠有效，應(yīng)獲取至少2～3個(gè)完整且質(zhì)量較好的深度單元流速數(shù)據(jù)。

水池要足夠?qū)挕ｍ毘浞挚紤]池壁對(duì)旁瓣的影響[10]。根據(jù)ADCP換能器發(fā)射聲波及工作原理，因主瓣與垂直方向成20°夾角發(fā)射，若水池深度不夠，旁瓣先于主瓣到達(dá)池底會(huì)直接影響ADCP的檢定效果。國際上對(duì)中高頻段(500 kHz以上)ADCP的計(jì)量檢定所用水池寬度為不小于15 m[11]。

3.2 檢定拖車

檢定拖車系統(tǒng)安裝在水池上部，由拖車車體結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、高精度軌道及附屬構(gòu)件等組成，是整個(gè)檢定系統(tǒng)的核心組成部分，須具有加速快、制動(dòng)快、進(jìn)入穩(wěn)態(tài)快、運(yùn)行精度高、狀態(tài)穩(wěn)定及穩(wěn)態(tài)時(shí)間長等特點(diǎn)。國標(biāo)要求拖車速度范圍0.1～4 m/s，速度誤差應(yīng)小于3×10-3m/s[2]。目前國內(nèi)研制的重型高精度檢定拖車，最大運(yùn)行速度可達(dá)7 m/s，速度誤差小于1.5×10-3m/s，最大加速度不小于0.075g，可滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的檢定需求。

3.3 池體水中散射體

為確保在檢定時(shí)ADCP換能器發(fā)射的聲波脈沖信號(hào)產(chǎn)生后向散射，水體中必須有符合要求的散射體，目前比較理想的散射體有不溶性固體懸浮顆粒和符合要求的均勻氣泡。

3.3.1 固體懸浮顆粒作為散射體

固體懸浮顆粒的特性對(duì)聲波后向散射強(qiáng)度影響很大，后向散射強(qiáng)度低于9 dB將導(dǎo)致ADCP速度測量的巨大誤差[12]，因此在ADCP水槽拖車試驗(yàn)時(shí)，可通過均勻投放石灰粉粉末來提高后向散射強(qiáng)度，并把27 dB作為校準(zhǔn)的下限。美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)在戴維泰勒模型水槽中對(duì)ADCP進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，通過在水體中使用粒徑約55 μm的石灰漿噴霧的方法來提供穩(wěn)定的后向散射強(qiáng)度，其石灰漿引起的后散射強(qiáng)度值在29～75 dB，大多數(shù)情況下在45～90 dB，以防止因反射物濃度太低、反射粒子太小和散射物在空間上、時(shí)間上不穩(wěn)定而帶來測量速度的巨大誤差。試驗(yàn)結(jié)果表明，石灰粉粉末可作為散射體實(shí)現(xiàn)對(duì)ADCP的有效檢測。

3.3.2 氣泡作為散射體

氣泡作為水中散射體需考慮氣泡粒徑、水層停留時(shí)間及氣泡體積分?jǐn)?shù)。

(1)氣泡粒徑。水體中的聲波頻率與氣泡共振頻率大小影響著聲速傳播，聲波頻率遠(yuǎn)低于氣泡共振頻率時(shí)，氣泡將使聲速明顯變小；聲波頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于氣泡共振頻率時(shí)，氣泡對(duì)聲速不產(chǎn)生明顯的影響；聲波頻率在共振頻率附近時(shí)，隨著聲波頻率的變化聲速會(huì)有劇烈的改變。盡管聲波頻率等于氣泡的共振頻率時(shí)，氣泡的散射功率最大，意味著氣泡的后向散射回波強(qiáng)度也最大，但此時(shí)的氣泡粒徑并不適合模擬水中顆粒物對(duì)聲波的散射，因?yàn)槁曀匐S頻率劇烈改變的外部環(huán)境可能導(dǎo)致ADCP不能處于正常的觀測狀態(tài)，因此應(yīng)選擇共振頻率遠(yuǎn)低于聲波頻率的氣泡進(jìn)行氣泡散射體試驗(yàn)。以工作頻率300 kHz ADCP為例，根據(jù)《水聲學(xué)原理》[13]，直徑0.01 cm的氣泡，聲波頻率為共振頻率4～5倍時(shí)，氣泡已對(duì)聲速不產(chǎn)生明顯影響。依此類推，當(dāng)氣泡共振頻率為30～37.5 kHz時(shí)，不對(duì)300 kHz ADCP發(fā)射的聲波的聲速產(chǎn)生明顯影響。

(2)水層停留時(shí)間。微氣泡在上升過程中是個(gè)變加速過程，受力復(fù)雜，在試驗(yàn)觀測深度范圍內(nèi)的停留時(shí)間目前還無法準(zhǔn)確計(jì)算。根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論分析，有研究[14]得出半徑0.01～0.02 cm的氣泡的穩(wěn)定態(tài)上升速度在1～5 cm/s。假設(shè)氣泡在上升過程中，隨著半徑的緩慢增大，上升速度始終接近于穩(wěn)定態(tài)，該半徑的氣泡從12.3 m深上升到4.3 m深(觀測深度范圍)，上升速度取最大值5 cm/s，則上升持續(xù)時(shí)間約4 min。

(3)氣泡體積分?jǐn)?shù)。氣泡體積分?jǐn)?shù)是指單位體積水體中氣泡所占的體積比。試驗(yàn)時(shí)選擇的氣泡共振頻率遠(yuǎn)低于聲波頻率，則散射回波強(qiáng)度主要取決于氣泡的體積分?jǐn)?shù)，因此試驗(yàn)所需的氣泡體積分?jǐn)?shù)既要保證氣泡可明顯增加散射回波強(qiáng)度，又不至于對(duì)水體擾動(dòng)太大從而影響ADCP檢測。由于氣泡在上升過程中體積逐漸增大，在靠近水面時(shí)其體積分?jǐn)?shù)達(dá)到最大，如果初始的體積分?jǐn)?shù)選擇不合適，在近水面可能會(huì)嚴(yán)重阻礙聲波傳播，最嚴(yán)重的情況可能使聲波無法穿過盲區(qū)。根據(jù)李福新等[15]研究成果推算，體積分?jǐn)?shù)為0.01時(shí)，300 kHz聲波的衰減系數(shù)在10 dB/cm以下，穿透1 m水層將衰減幾百分貝，因此氣泡體積分?jǐn)?shù)應(yīng)小于0.01。

使用一定粒徑的氣泡作為散射體還處于研究試驗(yàn)階段，理論上是可行的。

4 水槽拖車試驗(yàn)檢定難點(diǎn)

對(duì)于試驗(yàn)所需長度大于200 m、寬度大于15 m、深度大于4.5 m深水水池，必須考慮水池本身沉降、滲漏及變形等如何控制，水池配套設(shè)施設(shè)備在精度、協(xié)調(diào)等方面如何滿足需求，池壁和池底對(duì)聲波的反射對(duì)檢測信號(hào)是否影響等問題。由此可知，水池設(shè)計(jì)建造難度大，成本高，建設(shè)周期長，風(fēng)險(xiǎn)大。

檢定拖車要求高。①最大速度難以滿足要求。ADCP可測量最大流速為5～10 m/s，國標(biāo)要求檢定拖車最大速度為4 m/s，此速度還不能滿足當(dāng)今ADCP計(jì)量檢定要求。目前國內(nèi)生產(chǎn)的重型高精度拖車?yán)硐肭闆r下最大速度可達(dá)7 m/s，因此最大速度要完全滿足試驗(yàn)需求達(dá)到10 m/s，目前技術(shù)水平難以實(shí)現(xiàn)。②運(yùn)行精度、平穩(wěn)度實(shí)現(xiàn)難度大。由于車身重、跨度大，車速設(shè)計(jì)范圍為0.01～6 m/s時(shí)，速度跨度接近600倍[9]，因此為保證運(yùn)行精度及平穩(wěn)度，還需充分考慮拖車驅(qū)動(dòng)方式、功率、電機(jī)選型、功率扭矩驗(yàn)算及拖車主動(dòng)輪打滑驗(yàn)算等要素，設(shè)計(jì)難度大，技術(shù)實(shí)現(xiàn)困難。

石灰粉粉末和氣泡雖然是目前比較理想的散射體，但也存在問題。①石灰粉粉末會(huì)污染水質(zhì)，大型水池蓄水量大，過濾石灰粉粉末成本高、周期長；②氣泡作為散射體還處于研究探索階段，且存在氣泡粒徑控制難度大、水層停留時(shí)間無法準(zhǔn)確計(jì)算及氣泡體積分?jǐn)?shù)難以控制等難題。

5 結(jié)語

隨著ADCP的廣泛應(yīng)用，保證測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及有效性尤為必要。室內(nèi)可控環(huán)境下的水槽拖車試驗(yàn)是目前檢定ADCP的最可靠、最有效方法，本研究概括和總結(jié)了水槽拖車試驗(yàn)需求及難點(diǎn)，為開展可控環(huán)境下ADCP的計(jì)量檢定提供借鑒和參考。

[1] 李雨,袁德忠,周波，等.ADCP在水文測驗(yàn)中的應(yīng)用及其發(fā)展前景[J].人民長江,2013(z2)：35-38.

[2] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局,中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).聲學(xué)多普勒流速剖面儀：GB/T 24558—2009[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2009.

[3] 趙越,英小勇.聲學(xué)多普勒流速剖面評(píng)價(jià)方法介紹與探討[J].水利信息化,2010(4)：58-61.

[4] 姚永熙.水文用聲學(xué)多普勒剖面流速儀的計(jì)量檢定[J].水利技術(shù)監(jiān)督,2008(2)：45-49.

[5] 李占橋,田志光,吳寶勤，等.兩種型號(hào)RDI ADCP測速精度分析[J].海洋測繪,2012,32(6)：57-59.

[6] 劉彥祥.ADCP技術(shù)發(fā)展及其應(yīng)用綜述[J].海洋測繪，2016，36(2):45-49.

[7] 馮建軍.ADCP原理及數(shù)據(jù)處理方法[J].港工技術(shù),2007(3)：53-55.

[8] 胡波.聲學(xué)多普勒流速剖面儀檢測與檢驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].天津：南開大學(xué),2013.

[9] 智永明,邵軍,唐躍平，等.ADCP流速儀檢定拖車驅(qū)動(dòng)方案探討[J].中國測試,2016,42(11)：79-93.

[10] 周慶偉,張松,汪小勇，等.聲學(xué)多普勒剖面流速儀檢測方法探討[J].海洋技術(shù)學(xué)報(bào),2016,35(4)：31-35.

[11] VOULGARIS G,TROWBRIDGE J H.Evaluationofthe acoustic Doppler velocimeter(ADV)for turbulence measurements[J].Journal of Atmospheric & Oceanic Technoligy,1998,15(15)：272-289.

[12] SHIH H H,PAYTON C,SPRENKE J,et al.Towing basin speed calibration of acoustic Doppler current profiling instruments[C]//Joint Conference on Water Resource Engineering and Water Resources Planning and Management，2000：1-10.

[13] 劉伯勝,雷家煜.水聲學(xué)原理[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社,2010：199.

[14] 高江,張靜遠(yuǎn),楊力.艦船氣泡尾流特性研究現(xiàn)狀[J].艦船科學(xué)技術(shù),2008,30(4)：27-32.

[15] 李福新,孫進(jìn)才,黃景泉.含氣泡水介質(zhì)中的聲傳播[J].西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1998,16(2)：241-245.

ReviewofADCPVerificationbyFlumeTowingTest

QIAO Zhengming1,XIAO Xi2,WU Yaozhen1,REN Haoyu1, YIN Xifan1,ZHAO Xiaofeng3

(1.Office for Establishing Zhangzhou Base,National Ocean Technology Center，Beijing 100083，China；2.57 Unit of 94647 Troop，F(xiàn)uzhou 350026，China；3.College of Meteorology and Oceanology,PLA National University of Defense Technology，Nanjing 211101，China)

This paper introduced the principles and detecting methods of Acoustic Doppler Current Profile (ADCP),reviewed the relevant circumstances of flume towing test,summarized the experimental requirements of pool body,calibrating tow truck,and scatters in the water.The difficulties were put forward to corresponding to these requirements,which were helpful for completing the relevant theoretical fundamentals and for carrying out further studies.

ADCP，F(xiàn)lume towing test，Ocean engineering technology,Scatters,Water test

2017-08-17；

2017-11-25

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(41775027);國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目(41405025).

喬正明，研究方向?yàn)楹Ｑ蠊こ?/p>

P716+.21

A

1005-9857(2017)12-0081-04