ADCP流速及流量测量原理[精制材料]

多普勒流速剖面仪(ADCP)与流速仪法流量对比分析摘要:随着时代的发展,水文仪器已进入高科技时代,ADCP即多普勒流速剖面仪是目前测量江河流量的最高端产品,但任何仪器设备都不是万能的,对于操作者来说将提出更高的要求。

本文通过与流速仪法对比分析,总结出了利用两种不同的方法所存在的差异,对于同行业使用ADCP测流具有一定的参考价值。

关键词:ADCP 流速仪对比分析1 情况简介松花江(六)站是松花江控制站,也是国家重要水文站。

该站位于吉林省德惠市松花江镇,设立于1923年1月,最初站名为松花江铁桥;1933年11月更改站名为松花江; 1966年6月经过几次迁移,最后为目前的松花江(六)水文站,集水面积51500km2。

畅流期采用牵船索人工摆舵船上测流。

该站ADCP于2008年就已经配置到位,近几年来一直在进行对比及操作训练,目前该站人员已经能够对ADCP进行熟练操作和使用,对比数据经计算分析合理可靠,具备投入使用的条件。

ADCP是利用多普勒效应原理进行流速测量。

ADCP因其原理的优越性,突破传统机械转动为基础的传感流速仪,用声波换能器作传感器,换能器发射声脉冲波,声脉冲波通过水体中不均匀分布的泥沙颗粒、浮游生物等反散射体反散射,由换能器接收信号,经测定多普勒频移而测算出流速。

ADCP具有能直接测出断面的流速剖面、具有不扰动流场、测验历时短、测速范围大等特点。

目前被广泛用于海洋、河口的流场结构调查、流速和流量测验等。

与传统的人工船测,桥测,缆道测量,和涉水测量的基本原理一样:在测流断面上布设多条垂线,在每条垂线处测量水深并测量多点的流速从而得到垂线平均流速,但ADCP所测的垂线可以很多,每条垂线上的测点也很多。

2 对比分析的目的通过对比ADCP测流与常规流速仪测流数据,分析之间存在差异的原因,可以尽量减少由于操作不当产生的误差,以便ADCP在本站更好地投入应用。

同时还可以解决本站由于偏角测量引起的流量改正等一系列问题。

1 H-ADCF简介1.1 ADCP 理论知识H-ADCP 是英文Horizontal Acoustic Doppler Current Profiler 的缩写。

中文通常译为水平声学多普勒流速剖面仪。

流速、流量测验方法的发明被认为是河流流量测验领域的一次革命。

它比传统的河流流量测验方法提高效率十几倍。

标志着河流流速、流量测验的现代化。

H-ADCP是一种利用声学多普勒原理测验水流速度剖面的仪器。

H-ADCP一般配备有二个（或四个）换能器。

换能器与轴线成一定夹角。

每个换能器既是发射器又是接收器。

换能器发射的声波具有指向性，即声波能量集中于较窄的方向范围内（称为声束，类似于探照灯发射的光束）。

换能器发射某一固定频率的声波，然后聆听被水体中颗粒物散射回来的声波。

假定颗粒物的运动速度与水体流速相同。

当颗粒物的运动方向是接近换能器时，换能器聆听到的回波频率比发射波频率高。

当颗粒物的运动方向是背离换能器时，换能器聆听到的回波频率比发射波频率低。

如前所述，假定水体中颗粒物的运动速度与水体流速相同，通过跟踪颗粒物的运动（称为“水跟踪”）所测验的速度是水流相对于（也即安装平台）的速度。

当安装在固定平台上，“水跟踪”测验的流速即为水流的绝对速度。

当安装在船上（移动平台），在“水跟踪” 测验的相对速度中扣除船速（平台的移动速度）后即得到水流的绝对速度。

H-ADCP流速坐标:声束坐标仪器坐标：X — Y流速数据: Ux, Uy注：不含罗盘H-ADCP用途：河流水文站或水情站流速、流量实时测验，明渠流速、流量实时测验；灌渠流速、流量实时测验；河流水质监测站总量实时监测；利用H-ADCP提供的流速和水位数据，应用指标流速法或数值方法计算流量。

河流、河口区流场数据采集，为流场数值模型提供标定或验证数据。

港口水域流场实时监测，为保证进出港船只安全提供流速数据。

海上采油平台附近流场实时监测H-ADCP应用：（1）通过电缆与电脑连接即可以作为一个独立的流速、流量在线监测系统。

ADCP流速及流量测量原理ADC流速及流量测量原理是指使用ADCP（Acoustic Doppler Current Profiler）测量水流速和流量的原理。

ADCP是一种利用声学多普勒效应测定液体中微小颗粒速度的设备，可以通过声波对液体中流动物体的速度进行测量，进而计算水流速和流量。

ADCP的测量原理包括声波的发射和接收、多普勒效应的应用以及数据处理三个方面。

首先，在ADCP中，通过一个或多个发射器向水体中发射一束或多束高频声波，一般在100kHz至1MHz之间。

这些声波在水体中传播并与水体中的颗粒相互作用。

由于声速在液体中有一定值，当声波遇到运动的颗粒时，声波的频率将发生变化。

根据多普勒效应，颗粒运动方向和音源接收器之间的相对速度将导致声波的频率偏移。

经过接收器接收的声波频率相对于发射时的频率偏移量与颗粒速度成正比。

其次，ADCP利用多普勒效应来测量颗粒的速度。

接收到的声波频率偏移量与颗粒速度成正比，通过测量频移量的大小可以得出颗粒的速度。

多个接收器可以同时测量不同方向的速度分量。

这种多普勒效应测量的速度被称为径向速度，即相对于发射器和接收器之间连线的径向速度。

最后，通过对径向速度的测量数据进行处理，可以得到水流速和流量的信息。

针对横截面或纵向的速度分布，可以进行不同的数据处理方法，如简单平均或高斯拟合。

通过分析速度分布在水体断面上的变化，可以计算出水体的平均流速和流量。

此外，还可以根据声波的传播时间和相互作用，对水体的深度进行测量。

总之，ADCP利用声波与水体中微小颗粒相互作用，通过多普勒效应测量颗粒的速度，进而计算水流速和流量。

其原理包括声波发射和接收、多普勒效应的应用以及数据处理。

该技术在水文学和海洋学研究中得到广泛应用，可以用于测量河流、海洋和湖泊等水体的流速和流量，对水资源管理和环境保护具有重要意义。

ADCP原理1 说明这是声学多普勒流速剖面仪操作规则的第二版本：这是一个实际性的突破。

第一版本主要介绍了窄带声学流速剖面仪。

从那时开始，Teledyne RDI公司就已经介绍了宽带ADCP,并且最近在工作室越来越多的采用这种技术。

这一版本的修正反映了由宽带技术所引起的变化。

这个突破是基础性原则和实际信息的结合，而要理解宽带ADCPs如何工作和怎么使用它们正需要这些基础性原则和实际的信息。

这个突破将介绍一些基本的概念，它适用于大部分所介绍的规则，这些规则只能浅薄的处理它们。

要想进一步的学习，我们推荐使用在书目中所列的参考书目。

Teledyne RDI公司的历史Teledyne RDI公司坐落在CA San Diego，专门从事水下声学多普勒产品的设计和制造，这种设备大量应用于水流剖面和精确导航。

本公司的前身是RDI公司，这个公司由 Fran Rowe 和 Kent Deines在1982年创建。

这个公司的成立是第一个声学多普勒流速剖面仪工业发展的结果。

这个变革性的装置能够对水下的128个独立的监测点阵列进行剖面水流测量。

多年之后，RDI公司通过对新产品的发展、高级数据的质量和最高水平的服务质量和服务支持提供坚定的承诺，使它在工业中经历了稳步的发展并保持主导地位。

在2021年8月，RDI公司被Teledyne 科技公司收购，而现在它作为Teledyne科技有限公司的间接子公司来运作。

在这些成就的基础上，这个公司的名字变为 TeledyneRDI公司。

这个公司现在雇佣了200多个受过多种训练的科学家、工程师、销售人员和支持人员；拥有30,000平方英尺的符合ISO-9001:2000标准的设施，其中包括先进的工程技术，实验室，制造业和质量检测区。

ADCP的历史ADCPs的前身是多普勒计程仪，即测量船在水上或海底的速度。

第一个商业ADCP在1970’s中期制造。

它是一个商业性计程仪的改编。

为了更精确地测量水流的速度和能在超过一定深度剖面的单元内测量，人们重新设计速率日志。

走航式ADCP与流速仪法流量比测分析发表时间：2018-08-29T11:28:29.487Z 来源：《防护工程》2018年第8期作者：翟玉明[导读] 统计多次走航式ADCP与流速仪法流量测验结果，分析走航式ADCP流量测验误差的来源，探讨消除走航式ADCP流量测验误差的方法，从而提高走航式ADCP的测验精度，使ADCP技术广泛应用到生产实践中。

翟玉明江苏省水文水资源勘测局南通分局江苏省南通市 226010摘要：本文对走航式ADCP与流速仪法流量测验进行比测分析，统计多次走航式ADCP与流速仪法流量测验结果，分析走航式ADCP流量测验误差的来源，探讨消除走航式ADCP流量测验误差的方法，从而提高走航式ADCP的测验精度，使ADCP技术广泛应用到生产实践中。

关键词：走航式ADCP 流量误差计算模型前言：随着经济社会的发展和水利现代化要求，新时代对水文提出了新的要求。

现代水文是水利现代化可持续发展的技术支撑，“更全、更准、更快、更新”是对水文水资源信息服务的新要求。

近几年来，我国水文测报基础设施与技术装备得到了较快的发展，水文自动测报系统逐渐完善，水文测报的新技术、新仪器、新设备得到了广泛的运用。

特别是引进了声学多普勒流速剖面仪（ADCP）以后，达到了快速测得断面流量的要求。

但是对成果的准确性和精度的可靠性还得在实践中积累经验数据加以论证并建立流量模型才能把成果运用到生产实践中。

因此流量比测是必不可少的环节。

本文以走航式ADCP与流速仪法在营船港闸水文站的流量测验结果来分析走航式ADCP流量测验误差的来源及消除的方法，并建立流量计算模型。

一、营船港闸水文站基本情况营船港闸水文站属于国家基本水文站，测验项目有水位、降雨量、流量。

测流断面位于闸上游220米，断面宽94.0米，最深处河底高程为-2.69，稳定水位2.00米，两岸边坡为斜石坡。

测验设施包括水文缆道，电动绞车，86型旋杯式流速仪，走航式ADCP。

ADCP基本原理及比测试验赵胜凯【摘要】流速仪施测流量的测量成果可以作为率定或校核其他测流方法的标准。

ADCP是目前世界上比较先进的河流流量实时测量设备，为加快石家庄水文现代化建设，近年来河北省石家庄水文水资源勘测局先后引进3台走航式ADCP测流设备。

为了率定ADCP与流速仪测流折算系数，在2008年南水北调京石段应急供水期间，利用石津渠测流断面对走航式ADCP测流与流速仪精测法测流进行了比测试验，并对取得的换算系数进行了水文检验。

通过对参数修正，提高了该仪器测验精度，达到正式应用的目的。

【期刊名称】《中国科技信息》【年(卷),期】2015(000)003【总页数】2页(P138-139)【作者】赵胜凯【作者单位】河北省石家庄水文水资源勘测局【正文语种】中文【中图分类】基础科学中国科技信息 2015 年第 03 期·CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATIONFeb.2015-138-工程技术推广ADCP 是英文“Acoustic Doppler Current Profiler”的缩写，中文译为声学多普勒流速剖面仪。

ADCP 是当今测流仪器中先进设备的代表，专门用于河流、水渠或狭窄海峡的流量测量工作，该仪器性能稳定，是一种快速、有效的测流设备。

当安装有该设备的测船从河流某断面一侧岸边运行至另一侧岸边时，就能实时测出并显示该河流的流量、水深及断面面积，与传统的流速仪侧法比较省时、省力，效率大大提高。

ADCP 基本原理及流量计算基本原理我局 ADCP 配有换能器四个， ADCP 轴线与换能器成一固定角度，四个换能器既发射信号又接收信号，换能器发射的是声波脉冲信号。

这些声波脉冲碰到水体中悬浮的且随水体运动的微粒后产生反射波，换能器接收并记录发射波与反射波之间的频率改变，这个频率改变即称多普勒频移，可据此计算出水流相对于 ADCP 的速度。

同时，还向河底发射底跟踪声波脉冲，测出ADCP 安装平台（测船）的运动速度以及水深，然后将水流相对速度扣除船速得到水流的绝对速度。

3.ADCP介绍
声学多普勒流速剖⾯仪(ADCP)流量测验原理及应⽤(普及版)⿊龙江省⽔⽂局培训教材
拓展翔
ADCP
A coustic－声学
D oppler－多普勒
C urrent－流速
P rofiler－剖⾯仪
三体船ADCP
ADCP
内置
数传电台
和电池
舵槽
遥测型ADCP
声学多普勒原理
TRAIN APPROACHES--
Higher Pitch
经典实例
TRAIN RECEDES--
Lower Pitch
ADCP 利⽤声波测量流速
⼈类能听到的声波频率范围为40-24,000 Hz ADCP 频率范围为300,000-3,000,000 Hz ADCP利⽤⽔中颗粒测流速
不同坐标下的流速及其转换
摇数据，将ADCP坐标(X-Y-Z)下的流速分量转换成地球坐标下的流速分量—东向，北向和垂
深度单元和流速剖⾯
⽔跟踪和底跟踪
⽔跟踪
底跟踪
所需流速=测得流速+ 船速
ADCP 流量测验与航迹⽆关n V b
V f
/航迹
ADCP 流量测验原理
ADCP实测区、⾮实测区、微断⾯、单元⽰意图t 0
t
m
t
k+1
微断⾯
起点离岸距离
终点
离岸
距离
表层
底层
中层(ADCP实测区)
岸边区
t
k
t
1
单元
ADCP⽅法与传统⽅法的不同
ADCP获得河道流量的⽅法
回波频率与发射波频率之差由下式确。

ADCP基本原理及应用佘亮亮1,2，谢悦波1,2，1河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京 (210098)；2河海大学水文水资源学院，南京 (210098）E-mail：lianglshe@摘要：多普勒测流仪(ADCP)是当前在水文行业推广的一种新型测流仪器，该仪器利用声学多普勒原理，测量水流速度剖面，具有测验时间短、分辨率高、精度好、资料完整、信息量大等优点。

本文详细介绍了多普勒测流仪测流的基本原理，通过实例，比较它与传统流速仪的测量结果，并分析误差的来源和合理性，说明其在感潮河段测流测验中，表现出速度快、精度高、省时省力，较传统流速仪所不可比拟的优越性，因此在复杂的长江河口地区应大力推广该技术，加快实现水文水利现代化。

关键词：ADCP，原理，优越性中图分类号：P331. 引言声学多普勒流速剖面仪（Acoustic Doppler Current Profiler）（图1）的英文缩写为ADCP，它是近十多年才发展和应用的一种快速、经济、有效的高精度测流仪器。

该仪器自20世纪90年代初被引进我国，至今已在我国的河流、湖泊、海洋等的水体流量测验中广泛应用，特别是在潮汐河段的水文测验中应用较多。

图1 声学多普勒流速剖面仪2. 声学多普勒原理与方法简介ADCP安装在特制的船上（图2），每个ADCP配有4个换能器（图3），换能器与ADCP 轴线成一定夹角，每个换能器既是发射器又是接收器。

换能器发射的声波能集中于较窄的范围内，也称为声束。

换能器发射固定频率的声波，然后聆听被水体中颗粒物散射回来的声波。

假定颗粒物的运动速度和水体流速相同，当颗粒物的运动方向接近换能器时，换能器聆听到的回波频率比发射波的频率高；当颗粒物的运动方向背离换能器时，换能器聆听到的回波频率比发射波的频率低。

声学多普勒频移，即发射声波频率与回波频率之差由下式确定：2 D S VF FC=式中：D F 为声学多普勒频移，S F 为发射声波频率，V 为颗粒物沿声束方向的移动速度，C 为声波在水中的传播速度，2为系数。

浅析ADCP测流技术及使用中应注意的问题摘要：ADCP（Acoustic Doppler Current Profiler）测流技术是一种采用声学原理测量水流速度的技术，用于研究水深、水流速度、流向等水动力学特征。

本文针对ADCP测流技术的原理、功能特点、使用中存在的问题及优化路径进行浅析，以期提升ADCP测流技术的使用效果。

关键词：ADCP；测流技术；相干性；精度；抗干扰能力引言ADCP测流技术是一种新型测流技术，它不仅可以满足水文测量的基本需求，而且具有较高的测量精度和抗干扰能力，它的使用范围可以覆盖浅海、河流、湖泊、渠道、水闸等水体，并且可以满足多种水文测量任务。

然而，在使用ADCP测流技术时，存在一定的相干性、精度、抗干扰能力以及操作难度等问题，这些问题需要我们采取有效措施来进行优化，以提升ADCP测流技术的效果，改善测量精度，提升抗干扰能力，改进操作方法，加强质量控制，并最终达到满足水文测量任务的目的。

1.ADCP测流技术概述1.1 原理介绍ADCP（Acoustic Doppler Current Profiler）是一种利用声学多普勒原理测量水流速度的仪器，它可以对水流进行实时、高分辨率、多维度的监测，能够分析垂向和水平方向上的水流速度变化特征，以及沿水深方向的流量分布。

ADCP由收发器、发射器、接收器、处理器等组成，它将声发射器发射的声波，反射到水体中，再反射回来，从而计算水体中的水流速度。

1.2 功能特点1.2.1 测量范围ADCP测流技术具有测量范围广、测量精度高、抗干扰能力强的特点，其可以实现多种参数的实时在线测量，包括水动力参数、水质参数以及沉积物特性等。

此外，ADCP测流技术还具有较强的稳定性，可以满足长期在线测量的需求。

1.2.2 测量精度ADCP测流技术的测量精度受到多种因素的影响，如水深、水流速度、温度等，其中水深对测量精度的影响最大，一般来说，水深在2m以上的测量精度会有较大提升。

声学多普勒流速剖面仪 (ADCP) 的应用实例声学多普勒流速剖面仪 (ADCP) 是一种融合了多学科技术而研制的新型测速声呐设备，作为水声技术的一个典型应用，作为一种测速仪器，ADCP 在水运工程 (包括内河和海洋工程) 中得到了广泛应用，对于声学多普勒测流技术的研究日益受到人们的关注。

目前测流仪器种类繁多, 按照工作原理的不同可以分为机械式海流计、压力式海流计、电磁式海流计以及声学海流计等。

现在大量运用的是声学多普勒海流计。

声学多普勒海流计采用声遥测方式，对被测流场无干扰，能够获得高精度的速度信息，被国际海委会定为4 种先进的海洋观测仪器之一，因此ADCP 成为当前广泛采用的测流仪器，是水资源调查中必不可少的重要测验设备。

通过ADCP 在具体工程中的应用研究，归纳总结了ADCP 在工程应用中的主要工作流程，以及在工程应用中的注意事项。

一、ADCP 工作原理( 一 ) 多普勒效应波源和观察者有相对运动时，观察者接收到波的频率与波源发出的频率并不相同的现象；如果二者相互接近，观察者接收到的频率增大；如果二者远离，观察者接收到的频率减小。

这便是著名的多普勒效应 (奥地利物理学家及数学家克里斯琴· 约翰· 多普勒于1842 年首先提出这一理论) ，它不仅适用于声波，同样适用于所有类型的波，包括电磁波。

ADCP 就是利用声波的多普勒效应发展起来的一种新型测流设备, 它是一种既可测量相对水底速度, 同时又可以兼顾测量相对水流速度的声呐设备。

ADCP 利用声学多普勒原理，测量分层水介质散射信号的频移信息，并利用矢量合成方法获取海流垂直剖面水流速度, 即水流的垂直剖面分布。

对被测验流场不产生任何扰动，也不存在机械惯性和机械磨损，能一次测得一个剖面上若干层的流速的三维分量和绝对方向。

(二) ADCP 测流原理水体中存在大量的散射体，诸如微小粒子、浮游生物等，它们随水体流动。

这些散射体和水体是融为一体的，其速度即代表水流速度。

A D C P原理(总22页) -CAL-FENGHAI.-(YICAI)-Company One1-CAL-本页仅作为文档封面，使用请直接删除1 说明这是声学多普勒流速剖面仪操作规则的第二版本：这是一个实际性的突破。

第一版本主要介绍了窄带声学流速剖面仪。

从那时开始，Teledyne RDI公司就已经介绍了宽带ADCP,并且最近在工作室越来越多的采用这种技术。

这一版本的修正反映了由宽带技术所引起的变化。

这个突破是基础性原则和实际信息的结合，而要理解宽带ADCPs如何工作和怎么使用它们正需要这些基础性原则和实际的信息。

这个突破将介绍一些基本的概念，它适用于大部分所介绍的规则，这些规则只能浅薄的处理它们。

要想进一步的学习，我们推荐使用在书目中所列的参考书目。

Teledyne RDI公司的历史Teledyne RDI公司坐落在CA San Diego，专门从事水下声学多普勒产品的设计和制造，这种设备大量应用于水流剖面和精确导航。

本公司的前身是RDI公司，这个公司由 Fran Rowe 和 Kent Deines在1982年创建。

这个公司的成立是第一个声学多普勒流速剖面仪工业发展的结果。

这个变革性的装置能够对水下的128个独立的监测点阵列进行剖面水流测量。

多年之后，RDI公司通过对新产品的发展、高级数据的质量和最高水平的服务质量和服务支持提供坚定的承诺，使它在工业中经历了稳步的发展并保持主导地位。

在2005年8月，RDI公司被Teledyne 科技公司收购，而现在它作为Teledyne科技有限公司的间接子公司来运作。

在这些成就的基础上，这个公司的名字变为Teledyne RDI公司。

这个公司现在雇佣了200多个受过多种训练的科学家、工程师、销售人员和支持人员；拥有30,000平方英尺的符合ISO-9001:2000标准的设施，其中包括先进的工程技术，实验室，制造业和质量检测区。

ADCP的历史ADCPs的前身是多普勒计程仪，即测量船在水上或海底的速度。

基于水平 ADCP施测垂线流速分布的河流流量测量方法摘要：对河流的流量进行准确的测量是我国水文监测工作的一项关键内容，如何在测量过程中提升工作效率、减少测量耗费的时间等一直以来都是水文监测工作者重点研究的课题。

而水平ADCP测量河流流量的方法在近些年来受到了河流流量测量领域相关工作人员的大量好评，这一技术也使得我国河流流量技术有了较大的突破，逐渐向智能信息化迈进。

所以本文分析了水平ADCP测量法的一些特点以及如何运用水平ADCP法对垂线流速分布的河流流量进行测量，希望给相关工作人员一些启发。

关键词：水平ADCP；垂线流速分布；河流流量测量引言：目前我国使用的一些传统的河流流量测验方式主要有人工进行船测、桥测、涉水测量和缆道测量等，这些都是利用面积来进行测量。

而水平ADCP法测流则是利用一些先进技术，比如数据自动处理技术、电磁学、遥感传输技术和声学等来加快测量进度，并使整个测量过程更加简便的同时具备信息化的特点。

一、水平ADCP技术基本概述ADCP是专业仪器声学多普勒流速剖面仪的英文简称，这一仪器是河流流量测量领域常见的一种设备，它主要是利用声学多普勒的原理，通过高分辨率对水流垂直或水平方向的瞬时流速以及河流深度、宽度进行测量从而得出河流流量相关的测量结果，因此这一设备也是当前在世界上应用非常广泛的一个设备。

而本文所提及的水平ADCP就是将普通的ADCP设备进行横向而且保证水平的安装，水平放置的ADCP设备可以测量到河流的横向流速，并在此基础上利用水平ADCP实际测量得到的河流流速和流速仪或者走航式ADCP等一起实际测量得到的平均流速来进行计算，根据这几者之间的关系来最终计算出河流流量。

二、水平ADCP技术的优缺点ADCP技术是一种现代化的测流手段，其能在多普勒频移的支撑下，实现水体速度的有效测定[1]。

尽管水平ADCP已经成为了当前河流流量测量领域知名的测量仪器，但是水平ADCP也有一定的使用限制，比如水平ADCP所测量得到的横向流速实际上受到水位变幅、代表线位置和横向实测区间大小等一系列因素的影响，此外水平ADCP的测量探头也会因为水流而产生一定的上下浮动，造成探测的数据不准，另一方面水中的一些漂浮物体也有可能撞击测量探头，造成设备损伤。