ADCP基本概念分析解读

ADCPAcoustic－声学Doppler－多普勒Current－流速Profiler－剖面仪第1页/共40页ADCP利用声波测量流速声波是压力波，可在气体、液体、及固体中传播。声波波峰对应于高压区，波谷对应于低压区。人们通过压力波对耳膜产生的振动感觉声波。内耳将压力波的机械能转化为大脑可识别的电信号。人类能听到的声波频率范围为40-24,000HzADCP频率范围为300,000-3,000,0000Hz第2页/共40页声波与水面波浪的类比波峰波谷波浪：水位最高处水位最低处声波：压力最高处压力最低处+-波峰波谷第3页/共40页声波／波浪参数波长(l)–相邻波峰之间的距离（单位：m）+-波长=1m波长第4页/共40页声波／波浪参数频率(f)–单位时间内通过某一观察点的波峰数目(单位:Hertz[Hz])+-波传播方向１秒频率＝4Hz观察点第5页/共40页声波／波浪参数声速(C)–声波传播的速度(单位:m/s)C=fxl水中的声速与水温、盐度有关。约为：1500m/sADCP频率(kHz)波长(mm)声速(m/s)300515006002.5150012001.251500第6页/共40页声学多普勒原理由于观察者与声源之间的相对运动使观察者接收到的声波频率发生改变的一种现象经典实例第7页/共40页ADCP利用水中颗粒测流速ADCP向水中发射固定频率的声波短脉冲。这些脉冲碰到水中的散射体（浮游生物，泥沙等）发生背散射。ADCP接受回波信号并处理得到流速。第8页/共40页8波/单位时间声学多普勒频移取决于沿声束方向运动60观察者速度 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 观速度12波/单位时间10波/单位时间0波/单位时间4波/单位时间4波/单位时间第9页/共40页声束(beam)：类似于探照灯发射的光束，压电陶瓷片振动发出的声波也具有一定的方向性且能量集中于较小的范围内。声束角（beamangle）：声束轴线（即换能器轴线）与ADCP轴线的夹角。通常为20度、25度、或30度。声束宽度(beamwidth)：以角度表示。即声束扩散角。声束宽度一般定义为在换能器回波能量曲线上-3分贝对应的离声束中轴线的角度。第10页/共40页声束坐标及沿声束方向流速Fd＝2FV/CFd＝声学多普勒频移F＝发射波频率V＝沿声束方向流速C＝声波在水中的传播速度第11页/共40页3124坐标系统声束坐标[EX00nnn]仪器坐标（X-Y-Z）[EX01nnn]X=声束3&4.Y=声束1&2.Z=垂直于Ｘ－Ｙ船坐标[EX10nnn].考虑了纵摇和横摇将流速转换到水平面和垂向。地球坐标(ENU)[EX11nnn]考虑了纵摇、横摇、和方向将流速转换到水平面和垂向。ＹＸＸＹ第12页/共40页不同坐标下的流速及其转换ADCP首先测量的是沿声束方向的流速分量。根据声束角，将声束坐标下的流速分量转换成ADCP坐标(X-Y-Z)下的流速分量利用罗盘提供的方向、倾斜计提供的纵摇和横摇数据，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，北向和垂向分量。第13页/共40页不同坐标下的流速及其转换VＵVＥVＮVX,VY,VzV1,V2,V3,V4V4V1V3V2VE,VN,VU第14页/共40页１－２声束对３－４声束对水平流速非水平流速流速矢量实测流速分量未测流速分量声束对第15页/共40页流速空间分布均匀流速空间分布及空间平均流速空间分布不均匀第16页/共40页水流在垂向上被分割成若干层，叫做深度单元（depthcell）。一台ADCP相当于许多台单点流速仪深度单元和流速剖面第17页/共40页深度单元ADCP机械式流速仪第18页/共40页cell1cell2cell3cell4开始离ADCP距离ADCP如何测量垂线上各点流速（流速剖面）结束发射脉冲时间回波回波回波回波单元１单元２单元３单元４盲区窗口１窗口２窗口３窗口４第19页/共40页倾斜角度ADCP利用倾斜计数据进行倾斜校正未倾斜时对应单元倾斜后对应单元第20页/共40页换能器发射能量分布：主瓣与旁瓣大直径换能器小直径换能器第21页/共40页最大剖面范围（深度）（maximumprofilingrange）：指ADCP能够提供有效数据的距离范围（即离ADCP的距离）。最大剖面范围取决于：系统频率、ADCP工作模式（即声信号发射和处理 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ）、深度单元尺寸和数目、水体含沙量、温度、盐度等。第22页/共40页最小剖面深度（minimumprofilingrange）：最小剖面深度取决于系统的盲区和最小单元长度。通常假定在垂线上至少保证两个有效单元，则最小剖面深度的计算公式为：最小剖面深度＝盲区＋２×最小单元长度＋旁瓣区厚度或最小单元长度（两者中较大者）第23页/共40页盲区(blankingdistance)靠近ADCP换能器一定的范围。在该范围内，ADCP不能提供有效测量数据。ADCP的换能器既是发射器也是接收器。两者交替进行工作。当压电陶瓷片受交流电激励产生振动发射声波后，压电陶瓷片会产生余震。要等到余震衰减掉后压电陶瓷片才能够正常接收回波信号。余震衰减需要一点时间。这个时间乘以声速即为ADCP的盲区。第24页/共40页旁瓣（SideLobe）对于声束角＝20度的ADCP，旁瓣区大约为水深的6%25度:10%30度:15%第25页/共40页呯（Ping）第26页/共40页呯集合（Ensemble）第27页/共40页水跟踪和底跟踪水跟踪由水中颗粒的回波测量水流相对于ADCP的运动，该功能叫做水跟踪。底跟踪由河底或海底的回波测量河底或海底相对于ADCP的运动，该功能叫做底跟踪。如果河底或海底无推移质，底跟踪测得的速度即为测船的速度。第28页/共40页短脉冲未能覆盖河底长脉冲覆盖河底底跟踪脉冲短脉冲长脉冲第29页/共40页ADCP分类窄带(Narrowband),即脉冲不相干(pulseincoherent）脉冲相干(pulsetopulsecoherent)宽带(Broadband)第30页/共40页ADCP主要差别窄带脉冲相干宽带频带宽0.5-1%0.5-1%25%(6%)脉冲波型一个长脉冲一对短脉冲两个以上编码脉冲波系列编码不不是。每个编码脉冲波系列由若干个编码单元组成脉冲延迟较长、可变化的较短、不变多普勒频移（流速）测量频率改变相位改变相位改变第31页/共40页宽带ADCP发射两组或两组以上编码脉冲波序列。序列之间间隔为“延迟”。脉冲序列中编码单元的个数取决于延迟长度（时间）。脉冲序列数目取决于单元尺寸。分析回波信号，计算自相关函数。用相关系数最大处对应的相位改变计算流速。至少要求有两个脉冲序列来计算相关函数。第32页/共40页编码脉冲波波形：相位改变180度编码单元宽带ADCP编码脉冲波序列未编码脉冲波波形第33页/共40页ContentsofadelaylineregisterwithmatchingcodeelementspacingContentsofadelaylineregisterwithadelaydifferenceofonecodeelement.自相关函数编码脉冲波之间的相关性自相关函数第34页/共40页040400ABAB相位改变和时间膨胀第35页/共40页-V+V0180360-V+V0180360-V+V0180360假定:180mm/s=180度相位变化10度=10mm/s-10度=-10mm/s170度=170mm/s-170度=-170mm/s190度=-170mm/s实际上，190度相位改变,流速应为190mm/s。但是系统不能辨认190度相位改变，误认为－170度相位改变误释流速误差举例第36页/共40页ADCP流速测量精度另外介绍第37页/共40页AnyQuestions?第38页/共40页Questions?第39页/共40页谢谢大家观赏！第40页/共40页