(1)ADCP基本概念分析解读.ppt

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ADCP基本概念ADCP培训之一 ADCPAcoustic－声学Doppler－多普勒Current－流速Profiler－剖面仪 ADCP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40-24,000HzADCP频率范围为300,000-3,000,0000Hz 声波与水面波浪的类比波峰波谷波浪：水位最高处水位最低处声波：压力最高处压力最低处+-波峰波谷 声波／波浪参数波长(l)–相邻波峰之间的距离（单位：m）+-波长=1m波长 声波／波浪参数频率(f)–单位时间内通过某一视察点的波峰数目(单位:Hertz[Hz])+-波传播方向１秒频率＝4Hz视察点 声波／波浪参数声速(C)–声波传播的速度(单位:m/s)C=fxl水中的声速与水温、盐度有关。约为：1500m/sADCP频率(kHz)波长(mm)声速(m/s)300515006002.5150012001.251500 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者接收到的声波频率发生变更的一种现象经典实例 ADCP利用水中颗粒测流速ADCP向水中放射固定频率的声波短脉冲。这些脉冲遇到水中的散射体（浮游生物，泥沙等）发生背散射。ADCP接受回波信号并处理得到流速。 8波/单位时间声学多普勒频移取决于沿声束方向运动60视察者速度表观速度12波/单位时间10波/单位时间0波/单位时间4波/单位时间4波/单位时间 声束(beam)：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于较小的范围内。声束角（beamangle）：声束轴线（即换能器轴线）与ADCP轴线的夹角。通常为20度、25度、或30度。声束宽度(beamwidth)：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-3分贝对应的离声束中轴线的角度。 声束坐标及沿声束方向流速Fd＝2FV/CFd＝声学多普勒频移F＝放射波频率V＝沿声束方向流速C＝声波在水中的传播速度 3124坐标系统声束坐标[EX00nnn]仪器坐标（X-Y-Z）[EX01nnn]X=声束3&4.Y=声束1&2.Z=垂直于Ｘ－Ｙ船坐标[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。ＹＸＸＹ 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。依据声束角，将声束坐标下的流速重量转换成ADCP坐标(X-Y-Z)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摇数据，将ADCP坐标(X-Y-Z)下的流速重量转换成地球坐标下的流速重量—东向，北向和垂向重量。 不同坐标下的流速及其转换VＵVＥVＮVX,VY,VzV1,V2,V3,V4V4V1V3V2VE,VN,VU １－２声束对３－４声束对水平流速非水平流速流速矢量实测流速重量未测流速重量声束对 流速空间分布匀整流速空间分布及空间平均流速空间分布不匀整 水流在垂向上被分割成若干层，叫做深度单元（depthcell）。一台ADCP相当于很多台单点流速仪深度单元和流速剖面 深度单元ADCP机械式流速仪 cell1cell2cell3cell4起先离ADCP距离ADCP如何测量垂线上各点流速（流速剖面）结束放射脉冲时间回波回波回波回波单元１单元２单元３单元４盲区窗口１窗口２窗口３窗口４ 倾斜角度ADCP利用倾斜计数据进行倾斜校正未倾斜时对应单元倾斜后对应单元 换能器放射能量分布：主瓣与旁瓣大直径换能器小直径换能器 最大剖面范围（深度）（maximumprofilingrange）：指ADCP能够供应有效数据的距离范围（即离ADCP的距离）。最大剖面范围取决于：系统频率、ADCP工作模式（即声信号放射和处理方法）、深度单元尺寸和数目、水体含沙量、温度、盐度等。 最小剖面深度（minimumprofilingrange）：最小剖面深度取决于系统的盲区和最小单元长度。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：最小剖面深度＝盲区＋２×最小单元长度＋旁瓣区厚度或最小单元长度（两者中较大者） 盲区(blankingdistance)靠近ADCP换能器确定的范围。在该范围内，ADCP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。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。这个时间乘以声速即为ADCP的盲区。 旁瓣（SideLobe）对于声束角＝20度的ADCP，旁瓣区大约为水深的6%25度:10%30度:15% 呯（Ping） 呯集合（Ensemble） 水跟踪和底跟踪水跟踪由水中颗粒的回波测量水流相对于ADCP的运动，该功能叫做水跟踪。底跟踪由河底或海底的回波测量河底或海底相对于ADCP的运动，该功能叫做底跟踪。假如河底或海底无推移质，底跟踪测得的速度即为测船的速度。 短脉冲未能覆盖河底长脉冲覆盖河底底跟踪脉冲短脉冲长脉冲 ADCP分类窄带(Narrowband),即脉冲不相干(pulseincoherent）脉冲相干(pulsetopulsecoherent)宽带(Broadband) ADCP主要差别窄带脉冲相干宽带频带宽0.5-1%0.5-1%25%(6%)脉冲波型一个长脉冲一对短脉冲两个以上编码脉冲波系列编码不不是。每个编码脉冲波系列由若干个编码单元组成脉冲延迟较长、可变化的较短、不变多普勒频移（流速）测量频率改变相位改变相位改变 宽带ADCP放射两组或两组以上编码脉冲波序列。序列之间间隔为“延迟”。脉冲序列中编码单元的个数取决于延迟长度（时间）。脉冲序列数目取决于单元尺寸。分析回波信号，计算自相关函数。用相关系数最大处对应的相位变更计算流速。至少要求有两个脉冲序列来计算相关函数。 编码脉冲波波形：相位变更180度编码单元宽带ADCP编码脉冲波序列未编码脉冲波波形 ContentsofadelaylineregisterwithmatchingcodeelementspacingContentsofadelaylineregisterwithadelaydifferenceofonecodeelement.自相关函数编码脉冲波之间的相关性自相关函数 040400ABAB相位变更和时间膨胀 -V+V0180360-V+V0180360-V+V0180360假定:180mm/s=180度相位变更10度=10mm/s-10度=-10mm/s170度=170mm/s-170度=-170mm/s190度=-170mm/s事实上，190度相位变更,流速应为190mm/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 ADCP流速测量精度另外介绍 AnyQuestions? Questions?