一种浅水河道声学测流仪

　　0 引言

　　目前对大型河道或海峡流速流量的测量,常使用流速计或海流计(用于海洋)。一般一台流速计或海流计只能测量一点或一个剖面的流速。比如说具有较长历史的安德拉海流计仅能测量一个点的流速,而从20世纪80年代发展起来的声学多普勒流速剖面仪(acoustic dopplercurrent profiler,ADCP)一般也仅能测量大约数百米以内的流速剖面。

　　如要长时间连续地测量通过一个河道或海峡的流速和流量,常规方法是通过走航测流或布放很多流速计来实现。而这些常规方法受到这些地区繁忙的航运和活跃的渔业活动的限制。因此,目前的测流装置均不能很好满足对河道流速流量的长时间连续的观测要求。

　　Zheng等[1],Kaneko[2]等和Yamaoka等[3]发展了沿海声层析技术,实现了对沿海潮流的大面积同步观测。这一技术也有运用于海峡等的观测[4-6]。但是,一般大型河流比海峡更浅,而且船舶航行更为繁忙,因而运用沿海声层析技术原理对大型河流等的测流观测有待解决环境噪声等问题。

　　另外,利用超声波双向传播时间差原理进行流速测量已成功地运用到管道、明渠等的测流[7-8],但运用到大型河道或海峡等的测流,还需解决仪器时钟的异地精确同步等问题。

　　本文针对以上这些问题,借鉴了沿海声层析技术原理,设计制作了可用于河道流速测量的新型声学流速仪。经野外试验证明,声学测流仪工作正常,可用于实际观测。

　　1 测量原理和精度要求

　　图1(a)所示,在一个河道里,设置A和B两个声发射和接收站位,由A和B分别同时向对方发射声信号并接受对方发射过来的信号。这样如图1(b)所示,忽略声信号水平方向的弯曲,声脉冲信号在A,B间的双方向传播时间为:

　　式中:C0,u0是A和B间的平均声速和流速场,R为站位间的距离。从上两式可得到C0,u0:

　　式中:t=(t1+t2),Δt= (t2-t1)。从式(3)和(4)可知,双方向的传播时间和与差可得到声传播路径上的平均声速(平均温度)和平均流速。通过双方向的传播时间的观测可把流速和温度对传播时间的影响进行分离。特别是流速观测时,因Δt很小,故要求传播时间观测有极高的精度。u0用Δt和R进行微分和变换后可得:

　　如能实现高精度的传播时间观测,式(5)中的第二和第三项可以忽略不计。假设两个站位间的R=1km,一般GPS位置误差δR=10m,可得:δu0=0.01u0的近似关系。如果要观测u0=1m.s^-1的平均流速,δu0=1cm.s^-1。即在实现高精度的传播时间观测条件下,平均流速的观测误差极小。

　　基于以上原理,如使用GPS实现A,B间时钟同步,就可实现平均流速的高精度观测。