水文ADCP-基本概念复习

ADCP基本概念复习ADCP•Acoustic－声学•Doppler－多普勒•Current－流速•Profiler－剖面仪1842,奥地利物理学家ChristianJohannDoppler发现了多普勒效应1982,美国工程师、发明家FranRoweandKentDeines发明了应用多普勒效应测验流速的ADCPADCP各种应用形式河流及明渠应用中的两类ADCP走航式（便携式）固定式：“瑞江”牌“微型ADCP”“CM”型H-ADCP“V-ADCP”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40-24,000Hz•ADCP频率范围为300,000-3,000,0000Hz声学多普勒原理•由于观察者与声源之间的相对运动使观察者接收到的声波频率发生改变的一种现象TRAINAPPROACHES--HigherPitchTRAINRECEDES--LowerPitch经典实例ADCP利用水中颗粒测流速•ADCP向水中发射固定频率的声波短脉冲。•这些脉冲碰到水中的散射体（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。ADCP常用术语•换能器（Transducer）•砰（Ping）•砰集合、数据组（Ensembles）•盲区（Bank）•单元（Cell、bin)•流速剖面（Velocityprofile）•水跟踪（Watertrack）•底跟踪（Bottomtrack）•主瓣（Mainlobe）•旁瓣（Sidelobe）•回波强度（Echointensity）•延迟（Lag）换能器换能器两个功能：（1）发射器：将电能转换成机械能（即声波）（2）接收器：将回波（机械能）转换成电信号（电能）“V-ADCP”换能器砰(RDIADCPs):一个完整的采样过程：包括读取温度探头、罗盘、倾斜计数据,发射声波脉冲，接受和处理回波，进行坐标转换，输出数据（单砰数据）.砰读探头数据盲区接受和处理回波发射脉冲ADCP砰(单砰数据输出）砰坐标转换输出数据砰集合、砰集合数据:多个砰组合一起、其数据平均后输出采样步长平均步长采样步长采样步长砰砰集合平均步长平均步长平均数据输出•水流在垂向上被分割成若干层，叫做深度单元（depthcell）。•一台ADCP相当于许多台单点流速仪CurrentVelocityVectorDepthCellAveragesVectorWithinCompleteDepthCellAreaMeasuresCurrentOnlyataLocalizedPointintheAreaADCPMooredLineofStandardCueentMeters深度单元和流速剖面1234567891011Depthcells单元1回波发射脉冲开始结束闸门1闸门2闸门3闸门4时间盲区单元1离ADCP距离ADCP如何分单元：分时接收回波回波回波回波单元2单元3单元4单元4单元3单元2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。如果河底或海底无推移质，底跟踪测得的速度即为测船的速度。0o0o90o90o90o90o180o180o270o270o270o270o40db30db20db10db40db30db10db20db换能器发射能量分布：主瓣与旁瓣大直径换能器小直径换能器旁瓣区94%6%MainlobeSidelobe20º20º波束角旁瓣区厚度20°6%水深25°10%水深30°15%水深主声束（主瓣区）旁瓣区受旁瓣影响区域回波强度曲线离仪器距离回波强度仪器本底噪声强度由回波强度曲线判断声束是否遇到障碍回波强度离仪器距离仪器本底噪声强度天河站2002年12月19日H-ADCP数据分析流速流向回波强度曲线ADCP分类•窄带(Narrowband),即脉冲不相干(pulseincoherent）•脉冲相干(pulsetopulsecoherent)•宽带(Broadband)(美国专利#RE35,535,#5,343,443)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，不编码一对短脉冲，不编码两个以上编码脉冲波系列。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编码脉冲波波形：相位改变180度编码单元宽带ADCP编码脉冲波序列未编码脉冲波波形窄带ADCP脉冲波宽带ADCP模式1编码脉冲波系列的数目取决于系统频率、单元长度。至少采用2个编码脉冲波系列延迟=脉冲波系列相隔的时间发射脉冲（长度）接收回波和处理延迟长延迟=小WV=流速测验范围小，但误差小&STD短延迟=大WV=流速测验范围大，但误差大延迟盲区非编码类比黄------,河------,宁------黄-----------,一个字一个音,类似于窄带ADCP单脉冲。准确性较低。编码类比“黄河”的“黄”“河水”的“河”“辽宁”的“宁”“黄河”的“黄”一个字用一句话来说明，类似于宽带ADCP编码脉冲波。准确性大大提高。宽带ADCP优点•高精度，比窄带高3-4倍以上•高分辨率，时间分辨率比窄带高10倍以上ADCP与数码相机类比低像素(类似于窄带ADCP)高像素(类似于宽带ADCP)宽带与窄带ADCP实测数据比较宽带ADCP窄带ADCPRDIADCP特点•专利宽带技术:美国专利号：BroadBandADCP–USPatent#35,535BroadBandTransducer–USPatent#5,343,443•高精度•高分辨率?Questions?