|
四、仪器与准备 （三）仪器与现场注意事项 仪器配置与特性 仪器和测量方法的选取取决于现场环境如水深、流速以及河床底质等因素。目前（2013）市面上的每种仪器都有自己独特的特性和配置功能。下面将简述这些测流仪器的特性和配置功能。由于技术在不断更新，建议使用者在USGS官网查询最新的信息，也可随时查阅仪器厂家的技术手册。 SonTek RiverSurveyor M9和S5型号ADCP（SonTek，2012）为多频ADCP。它有一个低频率的垂直波束，同时还有自动调节配置功能。S5是一个3MHz的5波束ADCP，其第5个波束为用于测深的1MHz垂直波束。M9为9波束系统，有4个1MHz和4个3MHz的波束用于水体测量和底跟踪，还有1个用于测深的500kHz垂直波束。自动调节配置功能可以根据水深和流速调节水体和底跟踪的测量频率（只适用M9），设置不同的层厚，配置非相干或相干脉冲和数据处理方式。非相干脉冲的工作模式可以稳定测量多普勒频移，但有很多随机噪声。随机噪声可在生成数据之前通过快速发射以及平均脉冲的方法来消除，时间一般为1秒钟。相干脉冲的工作模式主要用于浅水和低流速的环境，随机误差更少，适用于小单元层厚测流。若要了解更详细的脉冲配置和数据处理信息，可参见附件A和C。关于1MHz和3MHz水体剖面波束的特性，请参见表1。
表1 SonTek/YSI RiverSurveyor M9/S5 ADCP的特性
aIC指非相干脉冲模式，HD指SonTek的SmartPulse HD相干脉冲模式。 b最大的剖面深度与水温和水中悬浮物有关。 cADCP可测的最大速度，包括船速和流速。 d近似值。假设为最小的单元层厚。真实值与水深、数目、低跟踪的频率和水流环境有关。 e原厂并没有提供标准差值。但是与非相干模式下的同频率、单元数，以及剖面距离相比更小。
TRDI公司生产的ADCP全部为单频宽带技术，有多种水跟踪和底跟踪模式。Rio Grande和StreamPro（Teledyne RD Instruments 2007b, 2008b）为活塞换能器系统，需要在数据采集之前对仪器进行配置。RiverRay（Teledyne RD Instruments 2012）是相控阵换能器系统，它具有自动调节配置功能。Rio Grande和StreamPro（Teledyne RD Instruments 2003, 2007a）的采集软件有配置优化功能，可以根据测量速度、船速、水深和河床底质等参数进行最优配置。Rio Grande的水体模式下可以根据测量现场的流速、水深和河床底质进行优化。 每种模式都有优点和缺点。Water mode 1可以在多种环境下应用，但是在浅水和低流速的情况下会产生随机误差。Water modes 5和11受制于速度和深度，主要用于低流速（小于0.7~1.0m/s，取决于频率）和浅水（小于3.96~7.92m，取决于频率）的环境。Water mode 5和11的优点为随机误差非常小，单元层厚很小。Water mode 12与Water mode 1很相似，但是ping发射更快，且拥有ping集合平均技术，可以减少Water mode 1下产生的随机误差。（注：sample和ensemble这两个词经常在文献和手册中混淆使用。本文中的集合（ensemble）一词泛指多次脉冲 (ping)采样和数据平均的组合集，可以作为速度测量文件传输到数据采集软件中，并由用户查看。注意避免混淆。）。因为随机误差的减少，Water mode 12可以使用更小的测量单元层，也可以在低流速环境下测量，并且精度较高。艏向、纵摇、横摇只在时间平均步长之初测量，在整个时间平均步长内并不进行底跟踪。因此在Water mode 12下，因船舶操作不当或表层干扰引起的仪器移动无法计量，如果时间平均步长太长，将产生很大的误差。推荐的最大的时间平均步长为1秒，而且在流速快、湍流的环境下要求的时间更短。 TRDI Rio Grande仪器的最大剖面深度、最大相对速度、建议的最小单元层厚、以及各种water mode下的误差分析可以参看表2。当最大相对速度大于表2中mode 5和11的值时，也可能采集到有效的数据，但这无法预测。这些值可以为使用者提供参考，判断是否可以使用mode 5和11。应尽可能使用高分辨率脉冲相干water mode 5 或 11。需要注意的是，并不是每台Rio Grande ADCP都有mode 12，它需要单独采购，在出厂时进行配置。使用者需要通过连接终端（比如BBTalk；Teledyne RDI, 2006）发射“WM”命令来确定water mode是否可用。关于water mode的更多讨论以及各种环境下的应用请参见附录C。Rio Grande也有2个bottom模式。Bottom mode 5是通用和默认模式，适用于大多数环境，但不适用于小于换能器下方0.8m的深度。Bottom mode 7采用多重延迟技术可以在换能器下方0.3m的浅水环境下工作，在剖面的最大深度处也可以工作。Bottom mode 7 多重延迟技术更慢，在固定的时间里采集的数据更少，因此模式7只用于在模式5不能正常工作的环境。Bottom mode 7是可选的功能，并不是每台Rio Grande都配置。
表2 TRDI Rio Grande 1200k和600k ADCP的water- profiling mode的特性
a最大的剖面深度与水温和水中悬浮物有关。 bADCP可测的最大速度，包括船速和流速。 c假定发射ping率为2Hz。 d这些water mode下的值都为近似。 e可将模糊速度降低到0.3cm/s (WZ03) 来测得更深，但这种变化会降低最大速度。应谨慎使用 WZ03。 fMode 5和11下的最大速度绝大程度取决于深度和水流紊动。 g假设100个深度单元，模糊速度为1.75m/s (WV175)。
TRDI StreamPro ADCP有两种water mode。在标准配置里，可在流速小于2.01m/s的浅水（小于2.01m）环境下测量（仪器最大可测到4.88m/s）。在默认配置下，StreamPro ADCP最大剖面深度为2.01米，其分层限制在20层，层厚为10厘米。最大单元层厚可升级到20厘米，最大层数到30，最大水深可扩展达6米。StreamPro ADCP并没有使用Rio Grande ADCP中一样的water mode 12，而是使用了类似的WM12sp。它是由water mode 1多次改良后形成，发射频率很快。在标准应用中，使用3.3米/秒的模糊速度（WV340）不太可能出现模糊误差。StreamPro ADCP还有第二种模式water mode 13（WM13）。与WM12sp相比，在流速小于0.25米/秒的水深（小于1米）环境下，其随机误差更小。WM13为长滞后的相干脉冲模式。只有当现场条件满足最大深度小于1米 、最大速度小于 0.25米/秒时，才可以选择WM13 操作模式。 StreamPro ADCP与Rio Grande ADCP的底跟踪技术算法不一样。StreamPro的每个数据集合包含两个底跟踪ping，分别处于集合的开始和结束时间，不能改变其位置。现场经验表明，船速大于1.37米/秒可能会导致底跟踪数据有模糊误差。
表3 TRDI StreamPro ADCP的water profiling mode的特性
a最大水深若达到19.7ft（6米），需要额外购买模式。 b仪器可以测量到16英尺/秒（4.8米/秒），但是载体设计用于流速小于6.6ft/s（2米/秒）的平静水面。当然也支持适用于快流速的船只。 c单元层为0.07英尺（2厘米）的标准差。对于单元层为0.66英尺（20厘米）的情况，标准差大约为0.1英尺/秒（3厘米）。 d标准差与信号相关性、速度和深度有关。
TRDI RiverRay的换能器为600KHz相控阵技术，波束角为30度，具有自动配置功能。相控阵的换能器是一个平面，波束角由固定电路的相位延时来控制（TRDI，2012）。与同尺寸的多波束活塞换能器相比，平面的相控阵换能器产生更少的紊流。另外，声速的变化会引起波束角的变化，而不影响水平流速的测量。自适应配置算法根据深度和速度改变深度单元大小、ping 配置和表层深度单元（表 4）。与常规深度单元相比，表层深度单元用于测量更靠近换能器面的位置。对于慢流速浅水区域（深度ⅹ速度<0.455m2/s），常规的深度单元层可配置为脉冲相干处理模式，会有小于1秒的标准差。如果无法使用脉冲相干ping 配置，则可使用多 ping 模式 1 型 ping 配置。
表4 TRDI RiverRay ADCP自动配置功能的特性
a近似值，可能和水流环境有关。
2 J" g! M, f5 f
| 
