水文现代化：声学流速仪及其新技术

声学流速仪利用声波在水中的传播来测量水中各点或某一剖面的水流速度。开始时使用较多的是超声波，所以也被称为超声波流速仪。现在使用的频率范围较广，多称为“声学流速仪”。声学流速仪经常和流量测量系统一起应用。

2.3.2.1　声学流速仪的工作原理

声学流速仪常用声学多普勒原理和时差法原理制造。其他工业流量计中可能应用的方法，如频差法、相位差法、波束偏移法等，没有在水文测验中应用。

1.声学时差法测速的工作原理

声学时差法流速仪测量断面上一个水层的平均流速。这种仪器都用于流量测量系统，直接用于流量计，一般都称为声学时差法流量计。其原理结构性能等将一起在流量计部分中进行介绍。

2.多普勒测速的工作原理

（1）多普勒频移。1842年，Christian Doppler发现：当频率为f0的振源与观察者之间相对运动时，观察者接收到的来自该振源的辐射波频率将是f′。这种由于振源和观察者之间的相对运动而产生的接收信号相对于振源频率的频移现象被称为多普勒效应。测出此频移就能测出物体的运动速度。在测量时，由测量仪器发出辐射波，再接收被测物体的反射波，测出频移，算出速度。反射式多普勒测速原理如图2.35（a）所示。图中，I1代表振源，A为被测体，I2为接收器。I1、I2是固定的，A以速度v运动。I1发射的频率为f0的辐射波经A反射后被I2接收。由于A相对于I1、I2运动，因此由I1发射的频率为f0的辐射波经两次多普勒频移后被I2所接收。I2接收到的反射波的频率为f′，则多普勒频移fD的计算公式为：

式中：C为辐射波的传播速度；θ1、θ2分别为v和I1A、I2A连接线的夹角。

图2.35　反射式多普勒测速原理图

仪器固定后，C、θ1、θ2、f0均为常数，于是可得：

由此可知，流速v与fD呈线性关系。这是反射式多普勒测速的基本公式。在实际使用时，往往将水中的悬浮物或小气泡作为反射体，测得其运动速度，也就认为测得了流速。

图2.36　测量点流速的声学多普勒流速仪

1—声学换能器；2—控制及数据处理部分；3—测杆

大部分产品的发射接收器I1、I2是同一个声学换能器，发射一定的声脉冲后就停止工作，等待接收这些发射的声脉冲的回波。所以θ1＝θ2，计算公式也更为简单。换能器发出的测量声束有很好的方向性，声束散射角很小，接收到的回波也是沿此声束方向轴线的，也就是只测得了实际流速v在声束方向上的流速分量v1，反射式多普勒测速原理如图2.35（b）所示。流速分量v2与声束垂直，不会产生多普勒频移。要测得v2，就要另外增设与原有声束换能器交叉一定角度的换能器，测得两个流速分量后合成，得到实际流速v，包括了v的流向。

测量点流速的多普勒流速仪往往只要测量某一方向的流速，可以只需一个或一对发送接收换能器，使用时对准流向进行测速，测量点流速的声学多普勒流速仪如图2.36所示。多数该类仪器都配有3～4个发送接收换能器，可以测得带方向的流速。声学多普勒点流速仪（ADV）的外形如图2.37所示。

图2.37　声学多普勒点流速仪（ADV）

声波脉冲发射出去以后，在传播的途中会不断遇到水流中的泥沙、气泡等漂浮物，反射回来传播的途中各点已产生多普勒频移的反射波。要测量某一测点的流速，必须检测出这一点处的反射波。从发射声波脉冲开始，经不同时间检测接收到的反射波就是相应不同距离处测点的反射。它们的多普勒频移代表声束上各测点的流速。如只测量一点流速，可以固定接收某一时间t后的反射波，代表tC/2距离处的测点流速，C是声波传播速度。

测量点流速的仪器只接收距离换能器固定距离处的反射波，测得这一点的水流速，距离通常是5～20cm。

（2）ADCP工作原理。ADCP是声学多普勒剖面流速仪英文名称（Acoustic Doppler Current Profile）的缩写，也成为某制造商的产品名称，有的制造商的商品称为ADP。本文中的“ADCP”是广义的产品名称。

ADCP同时接收各点的反射波，测量多点水流速度。现以水平ADCP来介绍其工作原理。

水平式ADCP测速示意图如图2.38所示，水平ADCP测速时，首先假定反射声波信号产生多普勒频移的水中悬浮物或气泡是和水流等速运动的。同时假定在距仪器一定距离内两波束相应测点处的流速大小方向是相同的，并且和断面上相应测点处的流速大小方向也是相同的，如断面上i点的流速为vi，两波束上A、B点的流速为vA、vB，且A、B、i三点在垂直于断面的同一直线上，即假定vA＝vB＝vi。这两个假定会影响ADCP测速的正确性和可靠性。

图2.38　水平式ADCP测速示意图

1—换能器；2—换能器；3—水流

工作时，探头安装在水边测流断面处。MN是河岸线。测速时，换能器1发出超声波束Ⅰ，经t时间后接收到A点的回波。根据回波的多普勒频移测得A点平行于超声波束Ⅰ的流速分量vAP。同理，换能器2同时发出的超声波束Ⅱ也经过t时间后接到B点的回波，根据回波的多普勒频移测得B点平行于超声波束Ⅱ的流速分量vBP。波束Ⅰ、Ⅱ与断面的夹角是已知且相等的，并已假定vA＝vB＝vi，就可由vAP、vBP计算出假定相等的vA、vB、vi的流速流向。仪器内改变接收时间t的设置，就可得到断面上各点的流速流向。实际的仪器是接收t时间后某一微小时段内的反射波，数据处理后得到的流速是这一“单元”内的流速，最多可以有128个单元的流速。

应用在其他方式的ADCP测速原理和水平ADCP测速原理基本一致。但用于水平ADCP时，只需测量水平流速。图中的MN为河岸线，测得的vi是平行于地面（图面）的流速，只需要两个换能器1、2。而走航式ADCP安装在测船上测速，在船的行进中，ADCP在水平和倾斜方向上在不断变化，船也在以不同的船速方向行进。因此，用于走航式ADCP的仪器有四个或三个换能器，安装在船上，向水下发射声波。如果测船是固定的，仪器能测到水下流速相对于仪器坐标的流速流向。如果是四个换能器，组成两组，测得相互垂直的两个流速分量。如果只用三个换能器，也可以相互组合经过换算后测得流速流向。ADCP和船上又装有罗盘、倾斜仪，同时测量ADCP的方位角、倾斜角。测船行进中，有一定的速度方向，又在晃动变化，这些数据也在不断变化。罗盘和倾斜仪也在不断测量方位角和倾斜角。由此角度可修正计算出相对于地球坐标的流速流向。但由于测船在运动，ADCP得到的是相对于地球坐标的流速矢量和船速矢量的合成，还需要知道船速矢量，再进行计算修正，才能得到真正的流速流向。ADCP装有河底跟踪设施，向河底发射底跟踪声脉冲，利用固定不动的河底的多普勒频移测得测船的运动速度、方向。结合时间的变化还可确定船位，由此和测深数据结合，测得断面形状。测得船速后再经过计算修正，得到真正的水流速度、方向。

走航式ADCP的测速过程比较复杂，但整个测速过程是自动化的，配接的计算机会直接得到测速和流量测量结果。

（3）测速盲区。由于声学换能器、电子技术、水声干扰学等原因，测量时会存在测不到信号的盲区。靠近换能器较近距离处必然有测水位的盲区。声学多普勒测速仪器依靠接收的反射波测量多普勒频移，在靠近河底处也有一层测不到的盲区。比测水位、测深多一个河底“盲区”。在过浅的浅水区和岸边，由于存在水面河底盲区，也可能是测船不能进入，也会存在测速盲区。河底盲区的深度大小与仪器性能和使用频率有关，一般在0.2～0.5m。

水面、河底、岸边及浅滩测速盲区的存在，使走航式ADCP的测速数据不完整，只能依靠经验系数或比测数据进行推算。用于流量测验时，这三部分流量数据也只能进行估算。

2.3.2.2　声学流速仪的类型

声学流速仪可以分为声学多普勒流速仪和声学时差法流速仪两大类，声学多普勒流速仪又分为声学多普勒点流速仪和声学多普勒剖面流速仪（ADCP或ADP）两类。多数声学流速仪可以同时测得流向。

2.3.2.3　声学流速仪的结构组成

1.测量点流速的声学多普勒点流速仪

（1）结构组成。这种仪器由1～4个声波发收换能器、控制及数据处理部分组成。它的传感探头很小，便于放入浅水中。体积小对水体干扰也很小。可以是一个（或一对）收发换能器，只能测量沿声束轴方向的水流速度，如图2.36（a）所示。也可能装有多个换能器，一个发射，其他接收，可以同时测出流速和流向。传感器固定安装在金属测杆上，放置到需要测速的测点处。控制及数据处理部分可以用电缆与传感器相连，也可能是一体化结构，如图2.36（b）所示。

所用的电源都是蓄电池。信号电缆传输的信号频率较高，长度有限制。控制与数据处理部分较为复杂：一是要发出接收和处理高频信号；二是可能要进行较复杂的流速流向计算。也会有数据存储和输出功能。

（2）技术性能。国产仪器的技术性能如下。测速范围：0.01～5m/s，只测平行于仪器轴线方向的流速；流速测量精度：均方差≤1.5%；最小适用水深：≥2cm；电源：6V或12V；工作温度：0～45℃。此仪器与图2.36（a）类似，控制及数据处理部分用电缆与测速部分连接，可以连接多台测速部分。目前，国内尚没有较定型的产品。

国外同类产品较多，也有只有两个换能器的，一个发送声波，一个接收回波，测得平行于仪器轴线方向的流速。典型的产品具有四个换能器，如图2.37所示，发射声波的换能器在测杆下端，三个接收换能器均布在发射换能器周围。测速时，发射换能器下方一定距离（5～20cm）处测点的反射波被三个换能器接收，测出三个速度分量，由此可计算出流速流向。

国外仪器的技术性能如下。测速范围：±0.3m/s、±1m/s、±3m/s、±7m/s；测速准确度：±0.05%±0.1cm/s；测量点与发射换能器距离：5cm、10cm、15cm；使用最小水深：2cm（用于只测单向流速）、6cm和12cm（用于测量距发射换能器5cm、10cm水深处的流速流向）；声波频率：＞5MHz；工作环境：－5～45℃，水下为0～40℃；数据存储：固态存储6个月以上（10min一次）；数据通信：RS—232、RS—422；电源：8～18VDC，220VAC。

在水文中应用自动流速仪，大部分仪器都是固定安装的，如果不能固定安装（如测量湖泊中流速时），可以漂浮安装。这时要在自动流速仪内安装自动罗盘和倾斜仪，测得方向和水平度一起参与流速流向计算，仪器也复杂得多。

2.测量剖面流速的声学多普勒剖面流速仪

（1）结构组成。测量剖面流速分布的声学剖面流速仪常被称为ADCP，也有称为ADP的。使用时此仪器可以安装在船上，横跨河流测得整个断面的流速分布，称为走航式；也可固定安装在一岸，称为水平式（HADCP）或侧视式（Side Looking）；在条件合适的地点可以安装在河底，称为座底式。也可以安装在基本固定的水面浮体上，向下测量某一垂线的流速分布。ADCP应用示意图如图2.39所示。(www.xing528.com)

图2.39　ADCP应用示意图

1—测船；2—走航式ADCP；3—水平式ADCP；4—安装支座（架）；5—座底式ADCP；6—测得的流速剖面中心线

这类产品都是整体结构，走航式仪器有3～4个声学换能器，可以测得流速流向。水平式仪器只需测得垂直于断面的流速，有两个声学换能器即可。用于固定安装使用时常常装有一水位测量装置，利用超声波水位计原理，也可以应用压阻式压力水位计原理测量水位。测速的同时，也测得水位，可以达到流量自动测量的目的。测流时配用计算机和专用软件。计算机用专用电缆与水下仪器连接。

走航式ADCP都用于流量测量，是一种正在推广的新型先进仪器。但在使用时要有人操作测船，或用缆道牵引、或人在桥上牵引、或人工遥控一载有仪器的小舟（浮体）跨渡河流，才能测得流速流量。但测流速原理和水平ADCP是一样的。水平ADCP和座底式ADCP的工作原理基本一致。

（2）技术性能。走航式ADCP和水平式ADCP是应用最多的仪器，使用的目的都是为了测量流量。其仪器技术性能参见流量测量仪器中的声学多普勒流量计。

3.时差法流速（流量）计

时差法流速（流量）计测量水层平均流速，以获得流量。参见流量测量仪器中的时差法流量计。

2.3.2.4　声学多普勒流速仪的安装、应用

1.安装

测量点流速时用手持或固定安装测量。测速时要保证在垂直和水平方向上的位置正确。只有两个声学换能器的声学多普勒点流速仪只能测得正对换能器的流速分量，在安装时必须对准流速，固定在测点处。能测得流速流向的仪器在安装时不必考虑流速方向，但安装后要确定流向角度的基准方向。安装后的仪器不能在水平、垂直方向上有超过2°的歪斜。

水平式ADCP安装在水流的一侧，可安装在岸壁或岸边的专门支架上。仪器安装要达到水平要求，仪器中轴线要垂直水流，平行于测流断面，以保证测得正确的流速。如果要长期工作，仪器有可能要随水位升降而改变安装高程，就更要注意上述水平和仪器中轴线方向要求。水平式ADCP的接收控制仪器可能是一台计算机，也可能是一台专用仪器，根据它们的要求进行安装。传输电缆的传输距离要符合要求，且要有很好的保护和防雷措施。

座底式ADCP的安装要求类似于水平式ADCP。

走航式ADCP全部安装在测船上。仪器在船侧或船体下垂直进入水流中，跟随测船横跨水流测量流速分布。如果是铁质测船，船体的磁性影响会使ADCP测量仪器方位的磁罗盘产生很大误差。安装时要使ADCP远离铁磁性船体，或者改用外接罗盘的方法，避开船体磁场的影响。也可以安装在水面的锚定的浮体上，向下测量此垂线的流速分布。

声学流速仪常被用于长期自动测量，无论何种安装方式，其传感器肯定处于水中。安装时要保证其位置固定，工作状态不受水流变化的影响。它们都有引出电缆，电缆在水中或空中铺设时要注意防破坏、防雷击。

ADCP的所有安装处都要注意远离铁磁性物质，并注意外磁场干扰是否影响测速准确性。

2.应用

（1）测量点流速的声学多普勒流速仪。手持测量时，将测速传感器的引出电缆与水上仪器相连，将测速传感器放置到需测速的测点。开启水上仪器，自动测速，水上仪器即可显示（或记录）该点流速。每次测速所需时间很短。测每一点的流速时，都会测量多次，取得某一时段的流速平均值，以提高测得流速值的代表性。

长期固定测量时，测得的流速过程将存储在仪器中，工作前要预置测速定时和间隔。同时测量流向的仪器还需要设置方向参数。

存储数据可以通过标准接口读出，或接入遥测设备。因此，可以用来长期自动测量流速，或者接入自动测量系统。

（2）ADCP的应用。

1）走航式ADCP的应用。用人工驾驶机动测船测速的，船上装有配用的计算机，在测量过程中记录显示测得的各项数据，船用ADCP会同时测记水深、断面形状、流速流向、船速各种参数，以测得流量。

用牵引小船（浮体）渡河测量时，小船上不可能有人。在测量过程中，ADCP自动工作。测得的数据可以存储在仪器中，测量结束时再读出；也可以用小船上的通信机，经无线传输到岸上接收。小船（浮体）如果是由大机动船牵引渡河的，可以通过电缆将测得数据传输到大机动船上的计算机进行处理。

走航式ADCP的应用较为复杂，具体应用方法要按仪器软、硬件说明书要求进行。使用人员要经过专门培训。在应用中，如增加了外接罗盘，GPS定位等仪器，应用中要注意这些仪器的接入和数据处理。

2）固定式ADCP的应用。固定式ADCP包括水平式（侧视）ADCP（HADCP）、座底式ADCP，水面式ADCP，都用于水层或垂线的流速测量，最后目的多是为了自动测量流量。

ADCP固定安装好以后，测得流速数据通过电缆传给岸上计算机或专用接收仪器，测得数据存储在其中。存储数据可以遥测到中心，也可定期取出。

测速前要设定测速定时、间隔，测量流速点的单元数等参数。由于常用于流量测量，很可能也能同时测量水位。

2.3.2.5　声学多普勒流速仪的特性和测速准确性

1.特性

声学多普勒流速仪测速快，还可以测得较远处的流速，测速准确度也很好。更重要的是它可以长期自动测量点流速和剖面流速分布，使得它被广泛地用于河流、湖泊、海洋中的流速自动测量。点流速仪体积很小，适用于浅水低流速测量，也适于在水力模型试验中应用。

这类仪器价格很高。点流速仪仍需放到流速测点，取代转子式流速仪的优越性不大。水平式ADCP在天然河流中应用时，剖面距离不能太远，又受流速及含沙量影响，目前成功的应用距离很少超过100m。该类流速仪比较适用于河道顺直、断面正规的中小河流、输水渠道、运河等处，并且含沙量、流速不能太大。

走航式ADCP对测流环境有一定要求。含沙量和流速较大时，不能测得满意的数据，声波要穿越较大含沙量的较深水体时，应该使用较低频率，而较低频率在水中的测量性能又低于较高频率，造成了使用上的限制。走航式ADCP可以依靠声波对河底的跟踪来确定船位、船速，在有河底推移质的地点，河底是活动的，“底跟踪”会失效，要增加GPS定位系统，使用GPS定位系统确定船位和船速。如果需要外接罗盘，更增加了使用走航式ADCP的复杂性。另外，走航式ADCP在运动中测量，不能像固定式那样增加重复测量次数。所以，抗干扰性能较差，也影响测验准确性。

但是，在较大河流、洪水期、河口地区，走航式ADCP的应用优势非常明显。

2.测速准确性

声学多普勒流速仪利用声学多普勒原理测量流速，声学仪器的声波频率很稳定，电子线路对多普勒频移的频率测量也能做到很准确。因此，这两者对流速测量误差的影响很小。所以仪器的流速准确性指标很高，一般都不大于1%，高于转子式流速仪的测速准确度。实际上，这样的技术指标是在比较理想的状态下，以理论估算为主要依据的结果。在实际使用中，以下的误差因素也会产生不同的影响。

（1）水流速度和水中漂浮物的速度是否完全相同。发生多普勒频移的是水中泥沙颗粒和气泡的运动速度，不是水流速度。两者之间被假定是完全相同的，会有一定的误差。

（2）仪器对水流流态的影响。这主要体现在点流速仪上。测速换能器放入水中，会对附近水流流场产生影响。所测流速只离测速换能器5～20cm，测得流速和本来的天然流速之间会有一定的差别。

点流速仪发出的也是机械波，水中漂浮物质量很小，很可能受此声波影响改变了速度，增大了测得速度和水流速度的误差。

（3）位置误差。这主要体现在剖面流速仪上。图2.38中，假定vA＝vB。两声束夹角一般在20°左右，A、B的间距可能是离岸距离的0.3倍左右。在天然河流中，这样的假定是会有较大误差的。

一个测速剖面上可以有很多测速单元，是依靠声波回波时间t，用tC/2计算出距离的。声速C受水温影响很大，虽然换能器在测量水温，用以修正声速，但因为和实际剖面上水温的不同会引起距离测量误差。使得测到的某一单元处的流速与该点测得的流速不一样。

这些影响都可能存在，但在应用中很难加以定量分析。一般认为，测量点流速时，声学流速仪的测量准确性并不高于转子式流速仪。在应用中，也可以和转子式流速仪进行现场测速比对，以发现声学流速仪是否存在问题。

2.3.2.6　声学流速仪的维护

对长期固定安装在水下应用的声学多普勒流速仪，使用中应注意清除水下仪器上的悬挂、沉积、附着物，检查安装位置的正确性和牢固程度，检查连接电缆的正常和防护状况，对带有数据存储记录器的仪器定期读出数据，检查电源和通信接口。

声学多普勒流速仪不能像转子式流速仪那样在一般的室内水槽内进行检定（校准），必须在相当大的水槽内加入固体悬浮物，水槽壁还应符合声学试验要求。使用中，如发现测速准确性问题，仍要用转子式流速仪进行点流速的实地比测，以发现测速误差。

时差法流速流量仪可以在一般流速仪检定水槽中进行流速测量的部分校准工作。