ADCP基本概念分析解读优秀PPT.ppt

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1、ADCP 基本概念基本概念ADCP 培训之一培训之一ADCPAcoustic 声学声学Doppler 多普勒多普勒Current 流速流速Profiler 剖面仪剖面仪ADCP 利用声波测量流速利用声波测量流速声波是压力波，可在气体、液体、及固体中传播。声波是压力波，可在气体、液体、及固体中传播。声波波峰对应于高压区，波谷对应于低压区。声波波峰对应于高压区，波谷对应于低压区。人们通过压力波对耳膜产生的振动感觉声波。内耳将压力波人们通过压力波对耳膜产生的振动感觉声波。内耳将压力波的机械能转化为大脑可识别的电信号。的机械能转化为大脑可识别的电信号。人类能听到的声波频率范围为人类能听到的声波频率范围

2、为 40-24,000 HzADCP 频率范围为频率范围为 300,000-3,000,0000 Hz 声波与水面波浪的类比声波与水面波浪的类比波峰波峰 波谷波谷波浪：波浪：水位最高处水位最高处水位最低处水位最低处声波：声波：压力最高处压力最高处压力最低处压力最低处+-波峰波峰波谷波谷声波波浪参数声波波浪参数波长波长(l l)相邻波峰之间的距离相邻波峰之间的距离（单位：（单位：m）+-波长波长=1 m波长波长声波波浪参数声波波浪参数频率频率(f)单位时间内通过某一视察点的单位时间内通过某一视察点的波峰数目波峰数目(单位单位:Hertz Hz)+-波传播方向波传播方向秒秒频率频率 4 Hz视察点

3、视察点声波波浪参数声波波浪参数声速声速(C)声波传播的速度声波传播的速度(单位单位:m/s)C=f x l水中的声速与水温、盐度有关。约为：水中的声速与水温、盐度有关。约为：1500 m/sADCP 频率频率(kHz)波长波长(mm)声速声速(m/s)300515006002.5150012001.251500声学多普勒原理声学多普勒原理由于视察者与声源之间的相对运动使视察由于视察者与声源之间的相对运动使视察者接收到的声波频率发生变更的一种现象者接收到的声波频率发生变更的一种现象经典实例经典实例ADCP利用水中颗粒测流速利用水中颗粒测流速ADCP 向水中放射向水中放射固定频率的声波短固定频率的

4、声波短脉冲。脉冲。这些脉冲遇到水中这些脉冲遇到水中的散射体（浮游生的散射体（浮游生物，泥沙等）发生物，泥沙等）发生背散射。背散射。ADCP接受回波信接受回波信号并处理得到流速。号并处理得到流速。8 波波/单位时间单位时间声学多普勒频移取决于沿声束方向运动声学多普勒频移取决于沿声束方向运动60视察者速度视察者速度表观速度表观速度12 波波/单位时间单位时间10 波波/单位时间单位时间0 波波/单位时间单位时间4 波波/单位时间单位时间4 波波/单位时间单位时间声束声束(beam)：类似于探照灯放射的光束，压电陶瓷片振动发类似于探照灯放射的光束，压电陶瓷片振动发出的声波也具有确定的方向性且能量集中

5、于较出的声波也具有确定的方向性且能量集中于较小的范围内。小的范围内。声束角（声束角（beam angle）：）：声束轴线（即换能器轴线）与声束轴线（即换能器轴线）与ADCP轴线的夹角。轴线的夹角。通常为通常为20度、度、25度、或度、或30度。度。声束宽度声束宽度(beam width)：以角度表示。即声束扩散角。声束宽度一般定以角度表示。即声束扩散角。声束宽度一般定义为在换能器回波能量曲线上义为在换能器回波能量曲线上-3分贝对应的离分贝对应的离声束中轴线的角度。声束中轴线的角度。声束坐标及沿声束方向流速声束坐标及沿声束方向流速Fd 2 F V/C Fd 声学多普勒声学多普勒频移频移F 放射波

6、频率放射波频率V 沿声束方向沿声束方向流速流速C声波在水中声波在水中的传播速度的传播速度3124坐标系统坐标系统声束坐标声束坐标EX00nnn 仪器坐标（坐标（X-Y-Z）EX01nnnX=声束3&4.Y=声束1&2.Z=垂直于船坐标坐标EX10nnn.考虑了纵摇和横摇将流速转换到水平面和垂向。地球坐标(ENU)EX11nnn考虑了纵摇、横摇、和方向将流速转换到水平面和垂向。不同坐标下的流速及其转换不同坐标下的流速及其转换ADCP首先测量的是沿声束方向的流速重量。首先测量的是沿声束方向的流速重量。依据声束角，将声束坐标下的流速重量转换成依据声束角，将声束坐标下的流速重量转换成 ADCP坐标坐标

7、(X-Y-Z)下的流速重量下的流速重量利用罗盘供应的方向、倾斜计供应的纵摇和横利用罗盘供应的方向、倾斜计供应的纵摇和横摇数据，将摇数据，将ADCP坐标坐标(X-Y-Z)下的流速重量转下的流速重量转换成地球坐标下的流速重量换成地球坐标下的流速重量东向，北向和垂东向，北向和垂向重量。向重量。不同坐标下的流速及其转换不同坐标下的流速及其转换VVVVX,VY,VzV1,V2,V3,V4V4V1V3V2VE,VN,VU声束对声束对声束对声束对水平流速水平流速非水平流速非水平流速流速矢量流速矢量实测流速重量实测流速重量未测流速重量未测流速重量声束对声束对流速空间分布流速空间分布匀整匀整流速空间分布及空间平

8、均流速空间分布及空间平均流速空间分布流速空间分布不匀整不匀整水流在垂向上被分割成若干层，叫做深度单水流在垂向上被分割成若干层，叫做深度单元（元（depth cell）。）。一台一台ADCP相当于很多台单点流速仪相当于很多台单点流速仪深度单元和流速剖面深度单元和流速剖面深度单元深度单元ADCP机械式流速仪机械式流速仪cell 1cell 2cell 3cell 4起先起先离离 ADCP 距离距离ADCP如何测量垂线上各点流速（流速剖面）如何测量垂线上各点流速（流速剖面）结束结束放射脉冲放射脉冲时间时间回波回波回波回波回波回波回波回波单元单元 单元单元 单元单元 单元单元 盲区盲区窗口窗口窗口口窗

9、口窗口窗口窗口倾斜角度倾斜角度ADCP利用倾斜计数据进行倾斜校正利用倾斜计数据进行倾斜校正未倾斜时对应单元未倾斜时对应单元倾斜后对应单元倾斜后对应单元换能器放射能量分布：主瓣与旁瓣换能器放射能量分布：主瓣与旁瓣大直径换能器大直径换能器小直径换能器小直径换能器最大剖面范围（深度）最大剖面范围（深度）（maximum profiling range）：）：指指ADCP能够供应有效数据的距离范围（即能够供应有效数据的距离范围（即离离ADCP的距离）。的距离）。最大剖面范围取决于：最大剖面范围取决于：系统频率、系统频率、ADCP工作模式（即声信号放射工作模式（即声信号放射和处理方法）、深度单元尺寸和数

10、目、水体和处理方法）、深度单元尺寸和数目、水体含沙量、温度、盐度等。含沙量、温度、盐度等。最小剖面深度最小剖面深度（minimum profiling range）：）：最小剖面深度取决于系统的盲区和最小单元最小剖面深度取决于系统的盲区和最小单元长度。长度。通常假定在垂线上至少保证两个有效单元，通常假定在垂线上至少保证两个有效单元，则最小剖面深度的计算公式为：则最小剖面深度的计算公式为：最小剖面深度盲区最小剖面深度盲区最小单元长度旁最小单元长度旁瓣区厚度或最小单元长度（两者中较大者）瓣区厚度或最小单元长度（两者中较大者）盲区盲区(blanking distance)靠近靠近ADCP换能器确定的

11、范围。在该范围内，换能器确定的范围。在该范围内，ADCP不能供应有效测量数据。不能供应有效测量数据。ADCP的换能器既是放射器也是接收器。两者的换能器既是放射器也是接收器。两者交替进行工作。当压电陶瓷片受沟通电激励产交替进行工作。当压电陶瓷片受沟通电激励产生振动放射声波后，压电陶瓷片会产生余震。生振动放射声波后，压电陶瓷片会产生余震。要等到余震衰减掉后压电陶瓷片才能够正常接要等到余震衰减掉后压电陶瓷片才能够正常接收回波信号。余震衰减须要一点时间。这个时收回波信号。余震衰减须要一点时间。这个时间乘以声速即为间乘以声速即为ADCP的盲区。的盲区。旁瓣（旁瓣（Side Lobe）对于声束角对于声束角

12、20度的度的ADCP，旁瓣，旁瓣区大约为水深的区大约为水深的 6%25 度度:10%30 度度:15%呯（呯（Ping）呯集合（呯集合（Ensemble）水跟踪和底跟踪水跟踪和底跟踪水跟踪水跟踪 由水中颗粒的回波测量水流由水中颗粒的回波测量水流相对于相对于ADCP的运动，该的运动，该功能叫做水跟踪。功能叫做水跟踪。底跟踪底跟踪 由河底或海底的回波测量河由河底或海底的回波测量河底或海底相对于底或海底相对于ADCP的的运动，该功能叫做底跟踪。运动，该功能叫做底跟踪。假如河底或海底无推移质，假如河底或海底无推移质，底跟踪测得的速度即为测底跟踪测得的速度即为测船的速度。船的速度。短脉冲未能短脉冲未能覆

13、盖河底覆盖河底长脉冲长脉冲覆盖河底覆盖河底底跟踪脉冲底跟踪脉冲短脉冲短脉冲长脉冲长脉冲ADCP分类分类窄带窄带(Narrowband),即脉冲不相干即脉冲不相干(pulse incoherent）脉冲相干脉冲相干(pulse to pulse coherent)宽带宽带(Broadband)ADCP 主要差别主要差别窄带窄带脉冲相干脉冲相干宽带宽带频带宽频带宽0.5-1%0.5-1%25%(6%)脉冲波型脉冲波型一个长脉冲一个长脉冲一对短脉冲一对短脉冲两个以上编码脉冲波两个以上编码脉冲波系列系列编码编码不不不不是。每个编码脉冲波是。每个编码脉冲波系列由若干个编码单系列由若干个编码单元组成元组成

14、脉冲延迟脉冲延迟较长、可变化的较长、可变化的较短、不变较短、不变多普勒频移多普勒频移（流速）测量（流速）测量频率改变频率改变相位改变相位改变相位改变相位改变宽带宽带 ADCP放射两放射两组组或两或两组组以上以上编码编码脉冲波序列。序列之脉冲波序列。序列之间间间间隔隔为为“延延迟迟”。脉冲序列中脉冲序列中编码单编码单元的个数取决于延元的个数取决于延迟长迟长度（度（时间时间）。）。脉冲序列数目取决于脉冲序列数目取决于单单元尺寸。元尺寸。分析回波信号，分析回波信号，计计算自相关函数。用相关系数最大算自相关函数。用相关系数最大处对应处对应的相位的相位变变更更计计算流速。至少要求有两个脉冲序列来算流速。

15、至少要求有两个脉冲序列来计计算相关函数。算相关函数。编码脉冲波波形：相位变更编码脉冲波波形：相位变更180度度编码单元编码单元宽带宽带ADCP编码脉冲波序列编码脉冲波序列未编码脉冲波波形未编码脉冲波波形Contents of a delay lineregister with matchingcode element spacingContents of a delay lineregister with a delay differenceof one code element.自相关函数自相关函数编码脉冲波之间的相关性编码脉冲波之间的相关性自相关函数自相关函数040400ABAB相位变更和时间膨胀相位变更和时间膨胀-V+V0180360-V+V0180360-V+V0180360假定:180 mm/s=180 度相位变更 10 度=10 mm/s-10 度=-10 mm/s 170 度=170 mm/s-170 度=-170 mm/s 190 度=-170 mm/s事实上，190度相位变更,流速应为190 mm/s。但是系统不能辨别190度相位变更，误认为170度相位变更误释流速误差举例误释流速误差举例ADCP流速测量精度流速测量精度另外介绍另外介绍Any Questions?Questions?