瑞智型相控阵ADCP在印度尼西亚卡扬河的应用探讨

罗　兴　　汪洪能　　吴士夫

(长江水利委员会水文局 长江中游水文水资源勘测局，湖北 武汉　430012)



水文测验

瑞智型相控阵ADCP在印度尼西亚卡扬河的应用探讨

罗兴汪洪能吴士夫

(长江水利委员会水文局 长江中游水文水资源勘测局，湖北 武汉430012)

摘要：瑞智型相控阵声学多普勒流速剖面仪(ADCP)为一款用于走航测量流量的新型ADCP，具有体积小、精度高、安装使用便捷，可适用于不同水深和水流条件等优点。通过在印度尼西亚卡扬河的应用实例，介绍和总结了该仪器的使用方法，并对其性能和实用性进行了探讨。分析表明，该款ADCP具有广阔的应用前景。

关键词：流量测验；应用实例；瑞智型相控阵ADCP;相控阵

1　概　述

声学多普勒流速剖面仪(ADCP)具有能直接测出断面的流速剖面、不扰动流场、测验历时短、测速范围大等特点，可广泛应用于各种水流条件下的流量测验和流速流向测验[1-2]。瑞智型(RiverRay)相控阵ADCP是美国劳雷(TRDI)工业公司最新研发的一款用于走航测量流量的ADCP，突破了以往ADCP必须由用户根据现场情况设置作业参数的局限，采用智能化、自动化设计理念，使用户几乎无需做任何设置就可以进行流量测量。

本文就该仪器在印度尼西亚卡扬河流域的应用，介绍和总结了该仪器的使用方法。

2　ADCP测流原理及相控阵技术

2.1声学多普勒效应

当声源与接收物体以相对速度v相对运动时，接收物体所收到的振动频率与振动源所发出的频率有所不同，即为多普勒效应。由多普勒效应所形成的频率变化称为多普勒频移，它与相对速度v成正比，与振动频率成反比[3]。

2.2走航式ADCP测量原理

ADCP利用声学多普勒效应进行测流,通过换能器发射出一定频率的脉冲，该脉冲遇到水体中的悬浮物质后，产生后向散射回波信号，该信号为ADCP所接收。悬浮物质随水流而漂移，使该回波信号的频率与发射的频率之间产生一个频差，即多普勒频移。

从理论上讲，走航式ADCP流量测量原理与传统的人工船测或缆道测量等基本原理一样，即在测流断面上布设多条垂线，在每条垂线处测量水深及多点流速，计算得到垂线的平均流速。

走航式ADCP实测的是断面中部区域内的流速，该区域称为ADCP实测区。另有以下几个小区域为ADCP盲区：①水面区域。厚度为ADCP换能器的入水深度加上ADCP的盲区。②河底区域。河底接口对声波的干扰而造成的盲区，或者称之为旁瓣区。③岸边区域(左右岸两个区域)。由于靠岸边水较浅，测量船只无法靠近而造成不能直接测量，或者因ADCP本身的原因，不能实测，称为非实测区。水面、河底区域、岸边区域的流量可通过实测区资料的外延来估算。

2.3相控阵技术

宽带ADCP是利用一对宽带脉冲信号，通过测量该对脉冲信号的回波脉冲时间间隔变化来测量水流速度[4]。为测得水流流速，ADCP需要同时向水介质发射4个波束的声波脉冲信号，每个声波脉冲的传播方向与垂线的夹角都为θ，如图1所示，ADCP沿这4个方向发射的声波波束结构称为JANUS结构。以前的ADCP产品同时采用4个相同的换能器阵，发射4个JANUS结构的波束。针对每个波束，需要对于每个换能器的发射信号进行独立移相(或时间延迟)处理，其相位控制量为

(1)

式中，φ为相邻阵元接收信号相位差；f为发射频率，Hz；λ为波长，mm;τ为相邻阵元间的信号时延，s;c为波束在介质中的传播速度，m/s;d为换能器之间的间距，m;θ为波束倾角,(°)。

图1　ADCP工作原理示意

所谓相控阵技术是利用波束形成的一种特殊情况，即当d=λ/2，且θ=30°时，由该式描述的相位控制量，只在 0°、90°、180°、270°这4个数据之间变化(因此相控阵上千个阵元中相位独立的换能器为数并不多)。相控阵的优点是体积比常见的ADCP声阵要小得多，其直径只相当于常见的ADCP声学换能器阵中一个换能器的直径。在相同尺寸条件下，相控阵式ADCP的工作频率可以更低，从而能使其测量深度更深。

3　应用实例及成果分析

3.1卡扬河基本情况

卡扬河位于印度尼西亚北加里曼丹省境内，全长约450 km。卡扬一级水电站是卡扬河最下游的一个梯级，坝址位于北加里曼丹省的卡扬河中游河段，Long Bia村上游约7.5 km处。所选水文控制断面位于坝址下游3 km处，上游顺直长度约500 m，水流基本稳定。河道形状为“U”型，洪水期水面宽约180 m，常水位河宽约140 m。左岸树木覆盖茂盛，坡度较大；右岸坡度较缓，树木较左岸稀少。断面主河槽为卵砾质河床。

卡扬河流域无水文测站，为率定卡扬河水位-流量关系，需对卡扬河开展流量测验。由于缆道测流基础设施建设耗时较长，流速仪法施测时，测船需抛锚定位，存在一定的安全隐患。为此，选择瑞智型相控阵ADCP配合水上交通船施测流量。

3.2仪器配置

瑞智型相控阵ADCP硬件主要包括ADCP主机、三体船、通讯设备(有线和无线模式)、测流软件和笔记本电脑，外接设备包括GPS和GPS罗经。其中，通讯设备主要包含3种方式，即“Y”型电缆线直连、蓝牙连接和电台连接，蓝牙连接模式信号可以传输30 m范围内，通过电台模式，信号可以在600 m范围内传输。

结合卡扬河实际情况，此次流量测验主要采用当地水上交通木船作为三体船动力，外接GPS(星站差分GPS)结合内置罗经测量流速，通讯方式选用蓝牙模式。

3.3参数设置

瑞智型相控阵ADCP突破了以往ADCP必须由用户根据现场情况设置作业参数的局限，采用智能化、自动化设计理念，使用户几乎无需做任何设置就可以进行流量测量。 在横渡时，仪器会自动根据水深、流速大小情况切换测验模式，保证测验精度。唯一需要手动输入的两个参数分别为仪器入水深和岸边流量插补信号个数。

3.4流量成果分析

2015年6月1日～8月8日在卡扬河利用瑞智型相控阵ADCP施测流量36次，最大流量4 008 m3/s，最小流量325 m3/s，并对底跟踪(BTM)模式和GPS模式下的流量值分别进行了误差计算，验证了流量测验值的稳定性，详见表1。进行流量测验时，测船进行4个单次测验(2个往返)，往返误差控制在±5%范围内，当某一个单次流量值超出误差范围时，补测该测次。

表1　卡扬河实测流量成果汇总

由表1可以看出，36个测次的GPS和BTM模式下的流量误差全部在±5%范围以内，水位相同或者接近时，流量值基本相同。原因在于：①卡扬河属于槽蓄型河流，经过分析验证，水位-流量关系是比较稳定的单一线，水位和流量是一一对应的单值关系；②相控阵ADCP测验偶然误差小，测验成果可靠。

4　应用注意事项

(1) 测验时，控制好船速，确保测船平均速度小于水流流速，最好能沿着断面线横渡。

(2) 使用木质测船施测时，可以不用外接GPS罗经，但是使用3～5次后，要及时校准内置罗经。

(3) 数据通讯方式有3种，根据不同情况选择通讯方式，一般情况下，蓝牙模式比较适用。

(4) 每次使用前后，都要涂抹硅胶，确保仪器密封不透水。

5　结　语

瑞智型相控阵ADCP具有体积小、精度高、安装使用方便快捷等优点，能适用不同水深和水流条件，具有广阔的应用前景。通过在长江、洞庭湖等大江大湖上的比测，验证了该仪器的适用性。通过在印度尼西亚卡扬河的应用表明，特别是在类似该河流域，即水面宽度不宽、水深较大的情况下，瑞智型相控阵ADCP也具有较好的适用性。

参考文献:

[1]田淳,刘少华.声学多普勒测流原理及其应用[M].郑州：黄河水利出版社，2003.

[2]张道平.多普勒测流技术的现状和发展[C]//99浙、鲁、津声学技术交流会论文集.北京：海洋出版社，1999.

[3]SL337—200 声学多普勒流量测验规范[S].

[4]韦立新，蒋建平，曾贯中.基于ADCP实时指标流速的感潮段断面流量计算[J].人民长江，2016，47(2)：27-29.

(编辑：朱晓红)

收稿日期：2016-05-15

作者简介：罗兴，男，长江水利委员会水文局长江中游水文水资源勘测局，工程师.

文章编号：1006-0081(2016)07-0001-03

中图法分类号：P332.4

文献标志码：A