海洋技术▏声学多普勒流速剖面仪计量测试系统设计 - 手持式声学多普勒流速仪

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ADCP是一种利用声学多普勒频移原理进行矢量流速测量的仪器。目前被广泛用于水运工程建设，水文环境监测，海洋、河口的流场结构调查，港口航道流速和流量测验等。目前国内外的ADCP主要在室内流速检定水槽和室外江河湖海进行流速计量或校验，两种计量测试环境各有利弊。室内流速检定水槽由于受限于建设尺寸，难以计量低频ADCP，难以开展分层流速计量，边界回响噪声影响测试结果,且水槽中的水过于纯净，需要人为添加一定浓度的散射粒子，如石灰、气泡等，添加粒子的方式及保证粒子的均匀分布是较难的课题；室外江河湖海则较为宽广，水体中含有天然均匀的散射粒子，但由于受风浪、紊流、潮汐、声速剖面等自然因素的影响，给测量结果引入诸多不确定度分量。本文依托船闸航道（长180m×宽25m×深10m），宽阔、水深，水面平静无风浪，水体有悬浮物质、可控分层流场等有利ADCP校准的试验环境和新型无人船轻便、高稳定性、超强搭载兼容性的优点，建立测量仪器与计量标准的溯源链，保障ADCP流速量值的准确可靠。

一、计量测试系统设计

⒈系统硬件设计

传统ADCP检测方法采用拖车作为载体，整体装置较为复杂且拖车速度受限。以无人船作为搭载试验仪器的载体，其速度能够达到最高3m/s，并且无人船体积较小、更加灵活自由，可按规定航线航行，较为理想。本文采用定制的自动无人船，船身采用高分子聚酯碳纤维材料减少磁性金属对检测设备的影响，并搭载绝对直线技术。校准系统通过转接法兰盘将被测ADCP换能器安装到无人船底部，且将ADCP通讯电缆接入船体电子水密舱。通过法兰盘转接的方式可以适配不同型号的ADCP。将GPS-RTK安装在无人船顶部，并尽量保证二者的轴线在同一直线上，如图1所示。以确保被测ADCP与GPS-RTK所测量的速度为船身相同位置速度值。

图1 测量船示意图

⒉试验方法

通过转接法兰盘将被测ADCP换能器安装到无人船底部，并将GPS-RTK安装在无人船顶部，且保证二者在轴线重合，采样频率均为1Hz。采用全站型电子速测仪（简称全站仪）放样两条180m等长且平行的虚拟直线，一条直线与水池长边平行且通过水池短边中点，以此作为设定航迹线。另一条直线位于近岸，作为标准线便于计量。将船闸分为15m+80m+15m的三段，前15m作为无人船加速段，中间80m作为匀速测量段，后15m作为减速段。确定航迹线起始点与终止点坐标信息，并将其输入到无人船平台系统控制软件进行航线指令编辑。

在测量段始末点分别设置安装高速光感应摄像与运动分析系统，作用是采集无人船进入测量段和离开测量段瞬间的运动影像，并逐帧分析无人船特征点进/出测量段的时刻。使用全站仪对测量段水平距离进行准确测量，试验方法示意图如图2所示。

图2 试验方法示意图

无人船根据事先编辑任务指令进入航线并在水上自主航行，同时被测ADCP采集流速数据。根据测量段水平距离和无人船在测量段的运行时间，计算平均速度作为流速参考标准值，与被测ADCP流速测量值比对，计算流速示值误差。

同时收集无人船匀速运动时GPS-RTK测量数据。GPS-RTK所测原始数据为坐标数据，可以利用公式(1)使其转换为船的实时速度值VG，与被测ADCP测得船速进行对比，经计算可以核查无人船的瞬时速度稳定性。

0 i6 d7 _! N5 f( l& S# ~

VG＝|(Δx2＋Δy2)-2|/t             ⑴

式中，Δx为GPS-RTK在x轴方向相邻两点坐标差，m；Δy为在y轴方向相邻两点坐标差，m；t为两点间测量时间间隔，s。

+ b3 p& ~; ^" F$ P2 N; Y b1 `( ]

二、试验结果

全站仪所测流速测量段长度L＝79.771m。无人船在测量段内运行时间t＝78s。无人船进入测量段时刻（触发预警线）为15:10:12，无人船离开测量段时刻（触发预警线）为15:11:30。计算平均流速参考标准值V0＝1.02m/s。

同一时间内被测ADCP所测数据如图3所示。

图3 被测ADCP所测数据

试验过程中，GPS-RTK测得结果与被测ADCP测得流速数据的对比如图4所示。

（a)

' y8 a, {) [. v y4 A7 w

(b)

, I% ?9 A7 }. s" o

(c)

7 d3 l9 l; W7 h2 I

图4 流速数据的对比

9 ]1 ]% o7 V* v! I+ s9 o" J( |

在匀速测量段内记录120组流速数据，测速结果及被测ADCP示值误差如表1所示，表中仅列出间隔10秒的数据。

* B+ Z% R U2 a3 `, z% c! B

根据HY/T 102-2007《声学多普勒流速剖面仪检测方法》中所描述的数据处理方法，首先利用准则剔除数据中的粗大误差，剩余101组数据，大于100组，符合要求。计算GPS-RTK测量序列的平均值被测ADCP的测量序列的平均值0.982m/s。

$ I) j0 D# @( Q" s4 L

剔除粗大误差后的101组数据对比示意图如图5所示：

图5 101组数据对比图

8 ?& ?3 S, j) \% f5 l* L2 M$ M" n

三、测量结果不确定度分析

4 g, Q; z& ~; A1 H5 w) I8 I* \

⒈数学模型及灵敏度系数（略）

% f4 P3 H6 D% a, Z+ g/ ?- Z

⒉不确定度分量计算（略）

⒊合成不确定度

% |8 R5 t4 @+ U) a% U: a4 w

在本次试验过程中，流速测量误差数学模型中的L、t、V及ΔV0各个分量互不相关。根据相关公式可以计算此计量测试系统的合成标准不确定度u(ΔV)＝0.0355m/s，取包含因子k＝2，则测试结果测量不确定度为：

/ E6 b' k9 k5 L( X ]

u＝K×U(ΔV)＝0.072m/s，k＝2

" g+ P0 p( N1 [8 W

四、结束语

声学多普勒流速剖面仪具有直接测出断面流速剖面、不扰动流场、测验历时短、测速范围大等特点，因此被广泛应用于各处港口航道的流速、流量检测，海域水体结构分析，以及海域大范围搜救工作等。本文以无人船为载体设计的ADCP计量测试系统具有体积小、操控灵便的优点；以天津港船闸作为校准场所，综合了室内及室外校准场所的优点，并尽可能规避其干扰。在无人船设定航速1m/s时，被检ADCP流速示值误差-0.029 m/s，评定本测试系统的扩展不确定度U＝0.071m/s，k＝2。

1

2 {2 ?" [6 ]. U

END

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1

【作者简介】文/谢慧 柳义成 张明敏，分别来自天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室和交通运输部天津水运工程科学研究院。第一作者谢慧，女，1995年出生，硕士在读，主要从事海洋声学仪器及软件开发研究；通讯作者柳义成，男，1990年出生，工程师，硕士，主要从事海洋测绘及计量检测研究。本文为基金项目，国家质量基础的共性技术研究与应用重点专项（2018YFF0212202）、中央级公益性科学研究所基本科研业务费专项（TKS160102，TKS170201）。文章来自《仪表技术与传感器》（2020年第10期），参考文献略，编发时有所删节，用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有，作者已授权转载。

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