胡長和
(杭州瑞利海洋裝備有限公司,杭州,310023)
聲學(xué)多普勒流速剖面儀(Acoustic Doppler Current Profiler,ADCP)具備水流剖面測量、對地速度測量、對地深度測量及流量測量的功能。其通過Janus配置的4個波束向水中發(fā)射一固定頻率的聲波脈沖,傳播過程中遇到水體中的散射體發(fā)生散射。ADCP接收底回波信號并對其進(jìn)行處理得到設(shè)備對地速度,接收從水體返回的回波信號并對其進(jìn)行處理得到不同深度單元層的徑向流速,再通過這兩個矢量速度相加和坐標(biāo)變換獲得水流的絕對速度。ADCP通過垂直向下的中間波束向水中發(fā)射某一固定頻率的聲波脈沖,接收河底回波信號并對其進(jìn)行處理得到當(dāng)前設(shè)備距離河底的深度[1],通過設(shè)備在河道斷面走航的方式得到斷面面積。河道斷面面積與水流剖面絕對速度結(jié)合實現(xiàn)流量測量功能。國產(chǎn)600 kHz ADCP設(shè)備實物見圖1。
圖1 國產(chǎn)600 kHz ADCP設(shè)備實物圖
1.1.1 試驗條件
試驗船在平穩(wěn)水域以固定航速航行,保持航速和航向穩(wěn)定,分別錄取高精度差分GPS、高精度羅經(jīng)及設(shè)備對地測量速度數(shù)據(jù)。高精度差分GPS測量數(shù)據(jù)處理后作為速度真值(基準(zhǔn)值),高精度羅經(jīng)測量航向數(shù)據(jù)進(jìn)行航向輔助校準(zhǔn),設(shè)備測量精度指標(biāo)為0.25%v±2 mm/s。
1.1.2 實際測量數(shù)據(jù)結(jié)果
實際測量數(shù)據(jù)結(jié)果見圖2,對圖中數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,計算設(shè)備對地速度測量數(shù)據(jù)與基準(zhǔn)值之間的相關(guān)系數(shù)、定位精度及落在誤差帶(0.25%v±2 mm/s)內(nèi)的數(shù)據(jù)有效百分比,統(tǒng)計結(jié)果見表1。
表1 對地測量實際數(shù)據(jù)統(tǒng)計表
圖2 對地測量實際數(shù)據(jù)結(jié)果圖
由表中數(shù)據(jù)可知,國產(chǎn)600 kHz ADCP設(shè)備具備對地測速功能,對地測速可滿足(0.25%v±2 mm/s)精度要求,低深度至高深度航行過程中無深度速度野值點,性能可靠。
1.2.1 試驗條件
選取高精度差分 GPS測量數(shù)據(jù)處理后作為速度真值(基準(zhǔn)值)、高精度羅經(jīng)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行航向輔助校準(zhǔn),試驗船在平穩(wěn)水域以固定航速作順逆順航行(消除水流干擾),保持航速和航向穩(wěn)定,分別錄取高精度差分GPS、高精度羅經(jīng)及設(shè)備對水剖面速度測量數(shù)據(jù)。取高精度差分GPS順逆順平穩(wěn)航行時三段測量速度平均值作為基準(zhǔn)值,與同時間段設(shè)備輸出三段每層剖面測量速度平均值對比。設(shè)備測量精度指標(biāo)為0.25%v±2 mm/s。
1.2.2 實際測量數(shù)據(jù)結(jié)果
圖3為對水剖面速度測量實際數(shù)據(jù)結(jié)果圖,表2為對水剖面速度測量實際數(shù)據(jù)統(tǒng)計。從圖 3和表 2中可見,國產(chǎn)600 kHz ADCP設(shè)備具備對水測流功能,測量速度精度可滿足精度要求。表2中門限值計算公式為:0.25%v±2 mm/s,其中v=3.5914 m/s。
圖3 對水測流實際數(shù)據(jù)結(jié)果圖
表2 對水測流實際數(shù)據(jù)統(tǒng)計表
設(shè)備水池吊放入水,實時記錄設(shè)備測深數(shù)據(jù)與繩子入水后長度,設(shè)備入水處水池深度值用繩子吊放重物測量,以水池深度值與繩子入水后長度值相減作為深度真值,測試時在每個深度停留1 min,數(shù)據(jù)分析見圖 4。選取穩(wěn)定段進(jìn)行深度平均數(shù)據(jù)對比結(jié)果見表 3。結(jié)果表明,設(shè)備具備測深功能,測深精度滿足±1%×H±0.2 m(H為實際深度)。
表3 測深精度統(tǒng)計表 單位:m
圖4 測深實際數(shù)據(jù)結(jié)果圖
圖5 設(shè)備安裝圖
表4為國產(chǎn)600 kHz ADCP設(shè)備往返航次流量對比統(tǒng)計,圖6為流量測量實際數(shù)據(jù)結(jié)果顯示。由表4和圖6可以看出,國產(chǎn)600 kHz ADCP設(shè)備流量往返航次測量誤差為1.08%,不超過5%,本航次結(jié)果有效。軟件界面可實時顯示包括河道深度、剖面流速、盲區(qū)、流量等信息,往返航次中同樣位置處水流剖面流向、速度基本一致。
圖6 流量測量實際數(shù)據(jù)結(jié)果圖
表4 流量測量實際數(shù)據(jù)統(tǒng)計表
表5為國產(chǎn)600 kHz ADCP設(shè)備不同時間段往返航次流量誤差統(tǒng)計。由表5可以看出,國產(chǎn)600 kHz ADCP設(shè)備有效航次中最大誤差為2.79%,最小誤差為 0.76%,平均誤差為1.58%[3]。由表 5可以看出,上午流量隨著時間增加緩慢增加;下午流量隨著時間增加緩慢減小,峰值流量在15:00左右,符合河道流量變化規(guī)律。
表5 流量測量實際數(shù)據(jù)誤差統(tǒng)計表
國產(chǎn)600 kHz ADCP設(shè)備與國外同類型設(shè)備的主要參數(shù)對比見表 6。從數(shù)據(jù)可以看出,國產(chǎn) 600 kHz ADCP設(shè)備性能已達(dá)到或超越國外同類型產(chǎn)品。
表6 國內(nèi)外ADCP參數(shù)對比表
國產(chǎn)600 kHz ADCP設(shè)備可配套三體船(包含電池、電臺),外接 GPS,可以無線傳輸。設(shè)備配套中文測量軟件,并具備測量數(shù)據(jù)、流量結(jié)果數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能,滿足用戶河道測量需求。
針對 ADCP國產(chǎn)化的趨勢,本文介紹了國產(chǎn)600 kHz ADCP設(shè)備的功能及實際測量數(shù)據(jù),并與國外同類型設(shè)備進(jìn)行了參數(shù)對比。數(shù)據(jù)表明,國產(chǎn)600 kHz ADCP設(shè)備在精度、穩(wěn)定性、可靠性上已達(dá)到或超越國外同類型設(shè)備,并具有自主可控、更符合國內(nèi)使用要求的優(yōu)點。國產(chǎn)600 kHz ADCP設(shè)備可安裝于三體船上,實現(xiàn)無線傳輸,自動測量功能,符合國內(nèi)用戶使用需求。