關于多普勒流速剖面儀幾項關鍵技術的說明

關于多普勒流速剖面儀（ADCP）幾項關鍵技術的說明

前言

目前ADCP的幾項關鍵技術如：

1)

換能器的個數

2)

信號處理技術

3)

工作模式

4)

零盲區技術

為了使用戶更清楚地了解先進的關鍵技術，我們專門就“三波束與四波束”、“寬帶

與窄帶”和“單一模式與多模式” 、“零盲區技術” 等問題以及ADCP用于定點點測

速等分別做了說明，其目的在于使用戶正確認識各廠家的多普勒流速剖面儀在關鍵技術

方面的差異，正確選擇高性價比的產品。

一、

關于四波束和三波束的比較

美國TRDI公司生產的多普勒流速剖面儀(ADCP)采用四波束換能器，而有的廠家的

多普勒流速剖面儀采用三波束換能器。那末是四波束好還是三波束好？

應該說，從原理上說，多普勒流速剖面儀只要有三個波束就可以測量三維流速，但

是采用四個波束的的性能大大優于于三波束。以下是四波束ADCP的主要優點：

1.

即使因為某種原因（例如：水中雜物，游魚，水下結構物等），四個波束中某一波束

或者某一波束的某一單元失去信號或者信號不好，其它三個波束仍然能夠提供有效

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數據。因而流速測量的可靠性和靈活性大為提高。

2.

采用四個波束測量，增加了測量信息量，使流速測量的短期精度比采用三波束提高

約25%。

3.

由于四波束的對稱性，能夠有效地消除船只搖擺引起的流速測量誤差。

當然，四波束ADCP的造價要比三波束高。這也是TRDI公司的ADCP比其它廠家

的價格略高的原因之一。

總之，四波束ADCP的可靠性和工作性能都比三波束要好。

二、

寬帶ADCP與窄帶儀器的比較

目前在海洋和河流流速、流量測量中采用的ADCP主要有兩種：寬帶ADCP和窄帶

儀器。

寬帶ADCP與窄帶的區別在于它們采用不同的聲信號發射、接收和處理方法。窄帶

的聲信號發射、接收和處理方法是：對于每一個流速測量，儀器發射一個單獨的,相對講

較長的脈沖聲波，然后接收水體中懸浮物對這個脈沖的回波信號，并記錄發射波與回波

之間的頻率改變。這個頻率改變即為多普勒頻移，用來計算水體的速度。寬帶ADCP

的聲信號發射、接收和處理方法是：對于每一個流速測量，ADCP發射兩組或更多組編

碼脈沖波，利用ADCP測量脈沖波組之間的相關系數及相位差來計算多普勒頻移。

TRDI公司第一代ADCP（1981年至1990年）采用的是窄帶數字信號處理技術。雖然

窄帶處理技術在當時是測流領域的一大革新，但由于窄帶ADCP流速測量短期誤差較

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大，流速測量在垂向和水平方向的分辨率較低，不能滿足用戶的需要，因此1991年，

TRDI公司又開發出它的第二代產品：即寬帶ADCP。寬帶ADCP短期誤差小,其空間和

時間分辨率較高。寬帶ADCP的誕生是ADCP技術發展的重要里程。TRDI公司也因此

在美國獲得了寬帶聲信號發射、接收和處理方法的專利，專利號為：

BroadBand ADCP – US Patent # 35,535

BroadBand Transducer – US Patent # 5,343,443

因為是專利，只有TRDI公司能夠生產寬帶ADCP,其它廠家只能仍然采用窄帶聲信

號發射、接收和處理方法。

寬帶信號處理技術與窄帶比較有如下優點：

（1）寬帶ADCP流速測量短期精度比窄帶儀器高四倍左右(可以實現較快走航測量)

圖１a. 流速測量短期誤差的比較（1200 kHz ADCP)

25

20

標

準

誤

差

(

c

m

/

s

)

15

10

5

0

01020304050

時間平均步長（秒）

寬帶 ADCP 模式１窄帶 ADCP寬帶 ADCP 模式 12

（2）寬帶ADCP流速測量的時間分辨率（或走航測量時的水平空間分辨率）比窄帶高

近10倍左右。

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單脈沖標準差(cm/s)

系統頻率(kHz)深度單元長度(m)

寬帶窄帶

12000.2611.776.9

（3）各儀器的流速測量精度及測量數據最大輸出速率：

流速測量精度數據最大輸出速率

數據個數/秒

RDI寬帶（ADCP）SonTek窄帶（ADP）RDI寬帶（ADCP）SonTek窄帶

（ADP）

±0.25% ±±1% ±0.5cm/s1.5（模式1）

0.25cm/s3-13（模式12）

0.2

注：數據最大輸出速率取決于單元長度、單元個數。

（4）寬帶ADCP盲區較小、垂向空間分辨率較高。

最小剖面深度是越小越好。最大剖面深度是越大越好。然而最小和最大剖面深度與

系統頻率有關，且互相矛盾。通常系統頻率越高，最小剖面深度越小，但最大剖面深度

也越小。系統頻率越低，最大剖面深度越大，但最小剖面深度也越大。

對于窄帶，最小和最大剖面深度的矛盾特別突出。這是因為窄帶儀器盲區較大、且

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垂向空間分辨率較低的緣故。而對于寬帶ADCP，最小和最大剖面深度的矛盾較小。這

是因為寬帶ADCP盲區較小、且垂向空間分辨率較高，常規模式垂向可達128個單元，

高分辨率模式垂向可達256個單元，而窄帶垂向只能達到100個單元。

（5）寬帶ADCP對水深和含沙量季節性變化的適應性較好。

窄帶儀器對于水深和含沙量季節性變化的適應性很差。因為窄帶儀器盲區大、垂向

空間分辨率低。在枯水期水較淺時，只能采用較高頻率的窄帶儀器。而當洪水期水深較

大、含沙量較高時，較高頻率的窄帶儀器不能達到河底，只能采用較低頻率的窄帶儀器。

這樣，同一臺窄帶儀器不能兼顧同一條河流的枯水期和洪水期的流速/流量測量。國內

幾個窄帶儀器的用戶即遇到了這個問題。解決的辦法只能是購買兩臺窄帶儀器：一臺較

高頻率的用于枯水期;另一臺較低頻率的用于洪水期。這必然增加費用。

寬帶ADCP對水深和含沙量季節性變化的適應性較好。因為寬帶ADCP（即使是

低頻系統）盲區較小、垂向空間分辨率分辨率較高。因此較低頻率的寬帶ADCP即適用

于枯水期水較淺的情況，也適用于洪水期水深較大、含沙量較高的情況。

三、

關于

ADCP

工作模

式的比

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較

美國TRDI公司生產的ADCP的標準配置包括兩種工作模式：標準模式和淺水高

精度模式。

標準模式流速測量范圍大，剖面深度大。應用于大多數情況。

淺水高精度模式流速測量范圍小，剖面深度小，但流速測量精度非常高。其流速測

量短期精度可達1個毫米／秒的量級。因此，當流速很低，僅為幾個厘米／秒的情況下，

采用淺水高精度模式效果特別好。我們曾在太湖流域某河流采用ADCP淺水高精度模式

進行了流速和流量測量。當時測流斷面約一半部分流速僅為1－3cm/s。測量效果很好

(見下圖)。

太湖流域某河流采用ADCP淺水高精度模式流速、流量測量實例

必須指出的是，只需要一個工作模式就夠了的說法是不恰當的。用戶可以提這樣的

問題：在1－3cm/s的流速情況下，窄帶儀器能夠得到精確的測量結果嗎？別說窄帶儀

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器，就是寬帶ADCP標準模式也不能在這樣低的流速情況下得到精確的測量結果，而必

須采用高精度模式。

事實上，所謂一個工作模式與TRDI公司寬帶ADCP標準模式是相對應的。它并

不包含在低流速情況下精確測量的能力。國內幾個窄帶的用戶普遍反映，在走航測量時，

當流速為10 cm/s左右時（流速還并不算很低！），窄帶儀器流速測量精度已經很差，

流速矢量沿航跡的分布很亂，呈“狼牙棒”狀。這是由于窄帶儀器短期精度低，遠低于

寬帶ADCP的緣故。

因此，對于淺水高精度模式所能夠解決的低流速測量問題，窄帶儀器的所謂一個工

作模式并不能解決。TRDI公司的ADCP包括兩種工作模式顯然提高了ADCP的性能和

價值。

四、

美國TRDI公司ADCP “零盲區”技術簡介

ADCP的盲區是由于換能器發射聲波脈沖后的余震不能立即消除，使靠近換能器附

近的回波信號受到余震干擾引起的。盲區的存在限制了ADCP在極淺水深條件下的應

用。

TRDI公司開發了一種新技術，使換能器發射聲波脈沖后的余震能夠立即消除。因

此使盲區減小到零。這種“零盲區”技術首先應用于“瑞江”1200 kHz 河流ADCP。

“零盲區”已作為“瑞江”1200 kHz 河流ADCP 的標準配置。型號為WHRZ1200。

“零盲區”ADCP已經在美國和歐洲進行了試驗。達到預期的效果。需要指出的是，

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盡管在聲學技術上盲區可以為零。在實際應用中，盲區應設定為2至5厘米。因為在換

能器附近水流受到干擾，流速數據不準確。

下圖顯示了在歐洲的一次試驗結果。“瑞江”1200 kHz ADCP （“零盲區”）安裝

在一無動力小船上。小船系在纜道上。小船上配有電池盒和無線電發射機。ADCP與電

腦之間通過無線電通訊。盲區設定為2厘米，單元設定為5厘，由水深剖面圖可以看到，

水深范圍僅為0.37至 0.57 米，從0.15米水深處開始采集數據。

五、ADCP定點測速方面的應用

ADCP固定測速到在移動過程中進行流量測量這是流量測驗技術的一次革命，但是

由于冰期河流封凍以及有流動底（即有推移質發生時）而又沒有配高精度GPS時，就

需要改變ADCP的使用方式，即只使用ADCP的水跟蹤和測深功能，在固定點用ADCP

測出垂線或各點的流速，計算得到部分平均流速；利用ADCP測到的水深和輸入其它方

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法獲得的間距計算得到部分面積；部分平均流速與部分面積相乘即得到部分流量，部分

流量之和即為斷面流量。要想實現定點流量測驗，使用軟件或人工做簡單的計算就可實

現。TRDI的走航式ADCP及StreamPro ADCP都可以輕而易舉的實現定點流量測驗。

StreamPro ADCP及走航式ADCP用于冰期的定點流量測驗

附件1：TRDI的寬帶ADCP實測流量的界面圖（流速分布和實際特別接近）

附件2：美國海洋氣象局進行的TRDI的ADCP與SonTek的ADP比側（寬帶的ADCP

精度高于窄帶的ADP）

實用文檔

巴蒙總干渠大橋斷面（三個橋孔）測流界面(往返)(2003.10.28)

附件3：TRDI的ADCP在內蒙古的巴蒙總干渠大橋斷面（三個橋孔）測流界面（非常

接近實際）

附件6:1200k寬帶聲學多普勒流速剖面儀(ADCP)技術指標

實用文檔

品牌/型號軟/硬件配置技術指標及說明

美國RDI公司1. 1200KHz四聲束聲學換能器

寬帶零盲區 2. 內置羅盤、傾斜計、溫度傳

測速范圍（寬帶專利技術）

0~±3m/s (缺

ADCP/感器

WHRZ1200-3. 具有底跟蹤功能

Ⅰ 4. 10米數據電源電纜

省)

0~±20m/s （最

大）

5. RS232C標準數據通訊接口

流速分辨率0.001m/s

6. 中文WinRiver測流軟件

流速測量精度±0.25%±

7. 外形尺寸：重7公斤

0.5cm/s

直徑23 cm

最小剖面單元0.05m

高20cm

最大剖面單元2.0m

8 .一套說明書

最小應用水深0.3m

9.一套系統光盤

最大應用水深20m

er軟件操作手冊(中

方向精度±2°

文)

姿態精度±1°

11.高速雙工數傳電臺2部

水溫精度±0.1°

12.三體船一套

工作溫度-5°～45°

13.專用防水連接電纜一套

存儲溫度-30°～75°

14.變換接口一只

深水/淺水兩種工作模式

15.車用借電電纜一根

流量測量重復精度優于5%

16.專用工具兩套

直流工作12VDC

17.備品備件一套

走航式流量測量

18.包裝箱一個

實用文檔

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