多普勒法测流简介

       利用超声波测量流速、流量的技术，在海洋观测、河流流量测验等各种计量测试中已被广泛应用。利用超声波测量流速、流量的方法是多种多样的，有相位差法、时间差法、射束位移法以及对流速变化较其他方法更为灵敏的多普勒法。

1、多普勒法测量原理

       多普勒法测量原理，是依据声波中的多普勒效应，其检测量为漂移频率。换能器发射某一固定频率的声波ft，由于颗粒物的漫反射，换能器接收到被水体中颗粒物散射回来的声波fr，假定颗粒物的运动速度V与水体流速相同，当颗粒物的运动方向接近换能器时，换能器接收到的回波频率比发射波频率高；当颗粒物的运动方向背离换能器时，换能器接收到的回波频率比发射波频率低。如果静止介质中的声速取为C，那么声学多普勒频移，即发射声波频率与回波频率之差fr可表示为：

       式中：θ1θ2分别为超声波发射方向、反射方向与水流流动方向的夹角；V为流速。

当C>>V时，有：

       在θ1=θ2=θ时，则：

       即超声波收发频率之差为：

       由此可知，多普勒频移与流速成正比。

2、声学多普勒流速剖面仪

2.1、ADCP（走航式）流量测量原理

       ADCP（AcousticDopplerCurrentProfiler）是一种利用声学多普勒原理测量水流速剖面的仪器。ADCP仪器内有罗盘、倾斜计、温度传感器、DGPS接口、换能器（3个或4个）等部件。换能器与ADCP轴线呈一定夹角。每个换能器既是发射器又是接收器，换能器发射的声波能量集中于较窄的范围内，称为声束（类似于手电筒或探照灯发射的光束）。换能器发射某一固定频率的声波，然后接收被水体中颗粒物散射回来的声波。假定颗粒物的运动速度与水体流速相同，那么声学多普勒频移，即发射声波频率与回波频率之差由下式确定，即：

       ADCP每个换能器轴线即为一个声束坐标。每个换能器测量的流速是水流沿其声束坐标方向的速度。任意3个换能器轴线即组成一组相互独立的空间声束坐标系。另外，ADCP自身定义有直角坐标系（局部坐标系）X-Y-Z，Z方向与ADCP轴线方向一致。ADCP首先测出沿每一声束坐标的流速分量，然后利用声束坐标与X-Y-Z坐标之间的转换关系（取决于声束角），将声束坐标系下的流速转换为X-Y-Z坐标系下的三维流速，再利用罗盘和倾斜计提供的方向和倾斜数据，将X-Y-Z坐标系下的流速转换为地球坐标系下的流速。

       ADCP测量流量时，将测流断面分成若干个子断面，在每个子断面内测量垂线上一点或多点流速并测量水深，从而得到子断面内的平均流速和流量，再将各个子断面的流量叠加，*得到整个断面的流量。在进行断面流量测量过程中，ADCP实际测量的区域为断面的
中部区域，这个区域称为ADCP实测区。而在4个边缘区域内，ADCP不能提供测量数据或有效测量数据。*个区域靠近水面（表层），其厚度大约为ADCP换能器入水深度、ADCP盲区以及单元尺寸一半之和。第二个区域靠近河底（底层），称为“旁瓣”区（河底对声束的干扰区），其厚度取决于ADCP声束角（即换能器与ADCP轴线的夹角）。第三个区域和第四个区域为靠近两侧河岸的区域，因其水深较浅，测量船不能靠近，或者ADCP不能保证在垂线上至少有1个或2个有效测量单元。这4个区域通称为非实测区，其流速和流量需通过实测区数据外延来估算。

2.2、性能比较

       根据声信号发射和处理方法，ADCP分为宽带型和窄带型。宽带ADCP与窄带ADCP的区别在于它们采用不同的声信号发射、接收和处理方法。窄带ADCP的声信号发射、接收和处理方法是：对于每一个流速测量，ADCP发射一个单独的、相对讲较长的脉冲声波，然后接受这个脉冲的反射波，并记录发射波与反射波之间的频率改变来计算水体的速度。宽带ADCP的声信号发射、接收和处理方法是：对于每一个流速测量，ADCP发射2组或更多组编码脉冲波，ADCP测量脉冲波组之间的相关系数及相位差，用来计算多普勒频移。

       （1）宽带ADCP流速测量短期精度比窄带ADCP高4倍左右。

       （2）宽带ADCP流速测量的时间分辨率（或走航测量时的水平空间分辨率）比窄带ADCP高16倍左右。

       （3）宽带ADCP盲区较小，垂向空间分辨率较高。

       （4）宽带ADCP对水深和含沙量变化的适应性较好。

3、ADCP在测流中的应用

       近几年来，ADCP在水文领域已逐步得到推广应用，取得了很大进展。

       2001年9月，上海市水文总站在黄浦江松浦大桥水文站测流断面，用1台RDI公司生产的“瑞江”牌600kHz走航式ADCP与传统转子式流速仪进行了25小时连续测量比测，结果表明，两者测量结果吻合很好。

       2002年9月18-20日，水利部长江水利委员会与RDI公司联合进行了将ADCP与DGPS、测深仪及电罗经集成的试验。试验选择了位于三峡大坝下游约5km处的黄陵庙水文站测流断面，流量约为11000m3/s，河宽约为400m，河床*深处为53m，含沙量约为0.5kg/m3。试验采用了4台RDI公司的ADCP仪器。试验结果表明，采用DGPS、测深仪及电罗经数据得到的流量与底跟踪得到的流量吻合很好，满足测流精度，试验取得了成功。这是国内*将DGPS、测深仪及电罗经同时与ADCP集成，从而解决了ADCP在洪水期使用时遇到的高含沙量水流、河底存在推移质运动以及磁罗盘受铁壳船干扰等问题。

       在1997年三峡工程大江截流和2002年11月6日三峡工程明渠截流中，也使用了ADCP进行流量测量，并取得了圆满成功。

       由于ADCP测量方法的优越性明显高于传统的测量方法，ADCP将在各领域越来越多地得以应用。