声学多普勒流速仪校准
一、概述
声学多普勒流速仪（Acoustic Doppler Current Profiler，简称ADCP）是利用声学多普勒效应测量水体流速剖面的仪器。其通过向水中发射特定频率的声波脉冲，接收水中散射体（悬浮颗粒物或气泡）反射回来的回波信号，根据发射频率与接收频率之间的频移量计算散射体的运动速度，进而获得水体的流速分布。为保证测量数据的准确性和可靠性，声学多普勒流速仪需按周期进行校准。本文规定了声学多普勒流速仪的校准条件、校准项目、校准方法及数据处理要求。
二、校准环境条件
水温：校准水域水温应在5℃～35℃范围内，校准过程中温度变化不超过±1℃。
水质：校准水域水体应含有适量散射颗粒（天然泥沙或人工投放的散射介质），以保证回波信号强度满足仪器正常工作要求。水体中无明显气泡聚集。
水深：校准水域水深应不小于仪器盲区距离的3倍，且不小于2m。
水流条件：采用标准流速装置校准时，流速应稳定可控；采用现场比对法时，应选择流态平稳、无显著紊动和漩涡的水域。
电磁环境：校准区域应远离强电磁干扰源，避免对仪器电子系统造成影响。
三、校准用标准设备
| 序号 | 设备名称 | 技术指标要求 |
|---|---|---|
| 1 | 标准流速发生装置或标准流速仪 | 流速测量不确定度不大于被校仪器最大允许误差的1/3 |
| 2 | 标准温度计 | 分辨率0.01℃，准确度±0.05℃ |
| 3 | 标准盐度计 | 分辨率0.01‰，准确度±0.02‰ |
| 4 | 标准深度计/压力传感器 | 深度测量不确定度不大于被校仪器最大允许误差的1/3 |
| 5 | 标准罗经或角度基准台 | 方位角测量不确定度不大于±0.5° |
| 6 | 声速剖面仪 | 声速测量不确定度不大于±0.1m/s |
| 7 | 标准测距设备 | 测距不确定度不大于±1mm |
四、校准项目及方法
4.1 外观及通电检查
检查仪器外壳、换能器表面有无裂纹、划痕、腐蚀或其他物理损伤。检查电缆、接头是否完好，密封性能是否可靠。接通电源后，观察仪器自检过程是否正常完成，通信接口是否通畅，配置软件能否正确识别仪器参数。检查各通道增益设置、发射功率、脉冲长度等参数是否在正常范围内可调。
4.2 系统自检与底跟踪检查
在静止状态下启动仪器底跟踪功能，记录底跟踪测得的流速值。仪器静止放置时，底跟踪流速读数应接近零值，其绝对值不应超过仪器技术说明书规定的静态噪声阈值。检查各波束的底跟踪信号强度，信号质量指标应在正常范围内。
4.3 声速校准
声速是影响流速测量精度的关键参数。使用声速剖面仪在现场测量实际声速值，与仪器内置声速计算公式（通常基于温度、盐度、深度推算）的结果进行比对。若仪器支持手动输入声速值，分别输入标准声速值和自动计算声速值，比较两种模式下流速测量结果的一致性。声速偏差引起的流速测量误差应按式（1）进行修正：
v c = v m × c set c actual
式中：
v c ——修正后的流速值，单位m/s；
v m ——仪器测量流速值，单位m/s；
c actual ——实际声速值，单位m/s；
c set ——仪器设定声速值，单位m/s。
4.4 流速测量校准
4.4.1 标准水槽拖车法
将声学多普勒流速仪安装在标准水槽拖车平台上，调整仪器安装角度，使其各波束方向符合设计要求。拖车以设定的恒定速度运行，依次选取不少于5个速度点，覆盖仪器量程的低、中、高区段。在每个速度点稳定运行后，记录仪器输出的流速测量值。每个速度点重复测量不少于3次，取算术平均值作为该点的测量结果。同时记录拖车的标准速度值作为参考值。
4.4.2 标准流速仪比对法
在无标准水槽的条件下，可采用经检定合格的标准流速仪（如旋桨式流速仪或电磁流速仪）进行现场比对。将声学多普勒流速仪与标准流速仪布设于同一测量断面，确保两者的采样空间尽可能重合。同步采集不少于10组有效流速数据。以标准流速仪的测量结果为参考值，计算声学多普勒流速仪各次测量的示值误差。
4.4.3 走航式ADCP校准
对于船载走航式ADCP，可利用已知位置的GPS基准点进行校准。选择一段水流条件稳定的河段，沿固定航线往返航行不少于3个来回。利用RTK-GPS提供的船速作为参考速度，与ADCP底跟踪测得的船速进行比对，评估仪器的流速测量偏差。
4.5 深度（剖面）校准
使用标准深度计对校准水域的实际水深进行测量。将声学多普勒流速仪测得的水深值与标准深度值进行比对。对于坐底式或悬吊式ADCP，还需检查其流速剖面分层厚度和层数设置是否与标称值一致，各层深度位置的测量误差是否满足技术要求。
4.6 罗经校准
对于配备内置罗经的ADCP，将其置于标准角度基准台上，依次旋转至不同方位角（至少包含0°、90°、180°、270°四个方向），记录仪器输出的方位角读数与基准台标准角度值进行比对。对于无内置罗经的ADCP，检查其外接罗经数据接口通信是否正常，数据解析是否正确。
4.7 波束夹角检查
查阅仪器技术说明书，确认各波束之间的标称夹角。对于可拆卸换能器阵列的仪器，使用角度量具检查实际波束夹角与标称值的一致性。波束夹角偏差会影响三维流速矢量的解算精度，其偏差应控制在仪器允许范围内。
五、数据处理
5.1 流速示值误差计算
单个测量点的流速示值误差按式（2）计算：
E i = v ˉ i − v si
式中：
E i ——第 i个测量点的流速示值误差，单位m/s；
v ˉ i ——声学多普勒流速仪在第 i个测量点的流速测量平均值，单位m/s；
v si ——第 i个测量点的标准流速值，单位m/s。
5.2 流速测量相对误差计算
e i = v si v ˉ i − v si × 100%
式中：
e i ——第 i个测量点的流速相对误差，%。
5.3 流速测量重复性计算
在同一流速点重复测量 n次，按式（4）计算实验标准差：
s = n − 1 ∑ j=1 n (v j − v ˉ) 2
式中：
s——实验标准差，单位m/s；
v j ——第 j次测量的流速值，单位m/s；
v ˉ—— n次测量的流速平均值，单位m/s；
n——测量次数。
5.4 校准结果判定
将各项目的实测误差与仪器技术说明书规定的最大允许误差进行比较。全部校准项目均不超过最大允许误差的，判定该校准合格；任一项目超差的，判定为不合格，并注明不合格项目。对于部分项目超差但经修正后可满足使用要求的，可在校准报告中给出修正系数或修正曲线。
六、校准周期
声学多普勒流速仪的推荐校准周期为12个月。对于长期连续工作的坐底式ADCP，可根据实际运行情况适当延长至24个月。仪器更换换能器、电子舱或经过大修后，应重新进行校准。在两次校准之间，建议定期进行现场自检查验，监测仪器性能变化趋势。
七、校准记录
校准完成后应填写校准记录，内容包括：仪器名称、型号规格、出厂编号、制造厂商、换能器频率、波束数量及夹角、校准日期、校准环境条件（水温、盐度、水深等）、使用的标准设备及其证书编号、各校准项目的原始数据、数据处理结果、校准结论及校准人员签字。校准记录保存期限不少于两个校准周期。
