(1)ADCP基本概念分析解讀.ppt

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ADCP基本概念A(yù)DCP培訓(xùn)之一 ADCPAcoustic－聲學(xué)Doppler－多普勒Current－流速Profiler－剖面儀 ADCP利用聲波測量流速聲波是壓力波，可在氣體、液體、及固體中傳播。聲波波峰對應(yīng)于高壓區(qū)，波谷對應(yīng)于低壓區(qū)。人們通過壓力波對耳膜產(chǎn)生的振動感覺聲波。內(nèi)耳將壓力波的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為大腦可識別的電信號。人類能聽到的聲波頻率范圍為40-24,000HzADCP頻率范圍為300,000-3,000,0000Hz 聲波與水面波浪的類比波峰波谷波浪：水位最高處水位最低處聲波：壓力最高處壓力最低處+-波峰波谷 聲波／波浪參數(shù)波長(l)–相鄰波峰之間的距離（單位：m）+-波長=1m波長 聲波／波浪參數(shù)頻率(f)–單位時間內(nèi)通過某一視察點(diǎn)的波峰數(shù)目(單位:Hertz[Hz])+-波傳播方向１秒頻率＝4Hz視察點(diǎn) 聲波／波浪參數(shù)聲速(C)–聲波傳播的速度(單位:m/s)C=fxl水中的聲速與水溫、鹽度有關(guān)。約為：1500m/sADCP頻率(kHz)波長(mm)聲速(m/s)300515006002.5150012001.251500 聲學(xué)多普勒原理由于視察者與聲源之間的相對運(yùn)動使視察者接收到的聲波頻率發(fā)生變更的一種現(xiàn)象經(jīng)典實(shí)例 ADCP利用水中顆粒測流速ADCP向水中放射固定頻率的聲波短脈沖。這些脈沖遇到水中的散射體（浮游生物，泥沙等）發(fā)生背散射。ADCP接受回波信號并處理得到流速。 8波/單位時間聲學(xué)多普勒頻移取決于沿聲束方向運(yùn)動60?視察者速度表觀速度12波/單位時間10波/單位時間0波/單位時間4波/單位時間4波/單位時間 聲束(beam)：類似于探照燈放射的光束，壓電陶瓷片振動發(fā)出的聲波也具有確定的方向性且能量集中于較小的范圍內(nèi)。聲束角（beamangle）：聲束軸線（即換能器軸線）與ADCP軸線的夾角。通常為20度、25度、或30度。聲束寬度(beamwidth)：以角度表示。即聲束擴(kuò)散角。聲束寬度一般定義為在換能器回波能量曲線上-3分貝對應(yīng)的離聲束中軸線的角度。 聲束坐標(biāo)及沿聲束方向流速Fd＝2FV/CFd＝聲學(xué)多普勒頻移F＝放射波頻率V＝沿聲束方向流速C＝聲波在水中的傳播速度 3124坐標(biāo)系統(tǒng)聲束坐標(biāo)[EX00nnn]儀器坐標(biāo)（X-Y-Z）[EX01nnn]X=聲束3&4.Y=聲束1&2.Z=垂直于Ｘ－Ｙ船坐標(biāo)[EX10nnn].考慮了縱搖和橫搖將流速轉(zhuǎn)換到水平面和垂向。地球坐標(biāo)(ENU)[EX11nnn]考慮了縱搖、橫搖、和方向?qū)⒘魉俎D(zhuǎn)換到水平面和垂向。ＹＸＸＹ 不同坐標(biāo)下的流速及其轉(zhuǎn)換ADCP首先測量的是沿聲束方向的流速重量。依據(jù)聲束角，將聲束坐標(biāo)下的流速重量轉(zhuǎn)換成ADCP坐標(biāo)(X-Y-Z)下的流速重量利用羅盤供應(yīng)的方向、傾斜計供應(yīng)的縱搖和橫搖數(shù)據(jù)，將ADCP坐標(biāo)(X-Y-Z)下的流速重量轉(zhuǎn)換成地球坐標(biāo)下的流速重量—東向，北向和垂向重量。 不同坐標(biāo)下的流速及其轉(zhuǎn)換VＵVＥVＮVX,VY,VzV1,V2,V3,V4V4V1V3V2VE,VN,VU １－２聲束對３－４聲束對水平流速非水平流速流速矢量實(shí)測流速重量未測流速重量聲束對 流速空間分布勻整流速空間分布及空間平均流速空間分布不勻整 水流在垂向上被分割成若干層，叫做深度單元（depthcell）。一臺ADCP相當(dāng)于很多臺單點(diǎn)流速儀深度單元和流速剖面 深度單元ADCP機(jī)械式流速儀 cell1cell2cell3cell4起先離ADCP距離ADCP如何測量垂線上各點(diǎn)流速（流速剖面）結(jié)束放射脈沖時間回波回波回波回波單元１單元２單元３單元４盲區(qū)窗口１窗口２窗口３窗口４ 傾斜角度ADCP利用傾斜計數(shù)據(jù)進(jìn)行傾斜校正未傾斜時對應(yīng)單元傾斜后對應(yīng)單元 換能器放射能量分布：主瓣與旁瓣大直徑換能器小直徑換能器 最大剖面范圍（深度）（maximumprofilingrange）：指ADCP能夠供應(yīng)有效數(shù)據(jù)的距離范圍（即離ADCP的距離）。最大剖面范圍取決于：系統(tǒng)頻率、ADCP工作模式（即聲信號放射和處理方法）、深度單元尺寸和數(shù)目、水體含沙量、溫度、鹽度等。 最小剖面深度（minimumprofilingrange）：最小剖面深度取決于系統(tǒng)的盲區(qū)和最小單元長度。通常假定在垂線上至少保證兩個有效單元，則最小剖面深度的計算公式為：最小剖面深度＝盲區(qū)＋２×最小單元長度＋旁瓣區(qū)厚度或最小單元長度（兩者中較大者） 盲區(qū)(blankingdistance)靠近ADCP換能器確定的范圍。在該范圍內(nèi)，ADCP不能供應(yīng)有效測量數(shù)據(jù)。ADCP的換能器既是放射器也是接收器。兩者交替進(jìn)行工作。當(dāng)壓電陶瓷片受溝通電激勵產(chǎn)生振動放射聲波后，壓電陶瓷片會產(chǎn)生余震。要等到余震衰減掉后壓電陶瓷片才能夠正常接收回波信號。余震衰減須要一點(diǎn)時間。這個時間乘以聲速即為ADCP的盲區(qū)。 旁瓣（SideLobe）對于聲束角＝20度的ADCP，旁瓣區(qū)大約為水深的6%25度:10%30度:15% 呯（Ping） 呯集合（Ensemble） 水跟蹤和底跟蹤水跟蹤由水中顆粒的回波測量水流相對于ADCP的運(yùn)動，該功能叫做水跟蹤。底跟蹤由河底或海底的回波測量河底或海底相對于ADCP的運(yùn)動，該功能叫做底跟蹤。假如河底或海底無推移質(zhì)，底跟蹤測得的速度即為測船的速度。 短脈沖未能覆蓋河底長脈沖覆蓋河底底跟蹤脈沖短脈沖長脈沖 ADCP分類窄帶(Narrowband),即脈沖不相干(pulseincoherent）脈沖相干(pulsetopulsecoherent)寬帶(Broadband) ADCP主要差別窄帶脈沖相干寬帶頻帶寬0.5-1%0.5-1%25%(6%)脈沖波型一個長脈沖一對短脈沖兩個以上編碼脈沖波系列編碼不不是。每個編碼脈沖波系列由若干個編碼單元組成脈沖延遲較長、可變化的較短、不變多普勒頻移（流速）測量頻率改變相位改變相位改變 寬帶ADCP放射兩組或兩組以上編碼脈沖波序列。序列之間間隔為“延遲”。脈沖序列中編碼單元的個數(shù)取決于延遲長度（時間）。脈沖序列數(shù)目取決于單元尺寸。分析回波信號，計算自相關(guān)函數(shù)。用相關(guān)系數(shù)最大處對應(yīng)的相位變更計算流速。至少要求有兩個脈沖序列來計算相關(guān)函數(shù)。 編碼脈沖波波形：相位變更180度編碼單元寬帶ADCP編碼脈沖波序列未編碼脈沖波波形 ContentsofadelaylineregisterwithmatchingcodeelementspacingContentsofadelaylineregisterwithadelaydifferenceofonecodeelement.自相關(guān)函數(shù)編碼脈沖波之間的相關(guān)性自相關(guān)函數(shù) 040400ABAB相位變更和時間膨脹 -V+V0180360-V+V0180360-V+V0180360假定:180mm/s=180度相位變更10度=10mm/s-10度=-10mm/s170度=170mm/s-170度=-170mm/s190度=-170mm/s事實(shí)上，190度相位變更,流速應(yīng)為190mm/s。但是系統(tǒng)不能辨別190度相位變更，誤認(rèn)為－170度相位變更誤釋流速誤差舉例 ADCP流速測量精度另外介紹 AnyQuestions? Questions?