水平固定式多普勒流速剖面仪校准

1范围与目的

水平固定式多普勒流速剖面仪（以下简称H-ADCP）以固定安装方式布设于河岸、渠壁或水下构筑物，换能器声束沿水平方向发射，测量断面上某一水平层内的流速分布。仪器输出的是局部流速，需通过比测率定建立的换算关系推算断面平均流速与流量。

校准的目的是确认仪器的计量性能与配置参数是否满足使用要求，确定并修正系统偏差，建立可追溯的量值关系。校准对象包括仪器本体的计量性能、安装与配置参数、以及指标流速与断面平均流速的换算关系三个层面。

本文所述内容为通用技术框架，具体项目的校准项目、限差与周期应以现行有效标准、检定规程和仪器技术说明书为准。

2校准依据

常用依据包括：

T/CHES61—2021《声学多普勒流量测验规范》（含固定式ADCP安装与设置、比测率定、关系线定线与检验等要求）

JJG（交通）138—2017《声学多普勒流速剖面仪》（规定首次检定、后续检定和使用中检查的计量性能要求与检定方法）

GB50179《河流流量测验规范》、GB/T24558《声学多普勒流速剖面仪》

地方标准中关于固定式ADCP流量在线监测的技术规定，如DB32/T5337—2026，涵盖比测与关系率定、运行管理、资料整编等内容

仪器出厂技术说明书、操作手册与部署指南

3校准分类

按实施条件与对象，校准分为四类：

实验室检定。在检定水槽中以拖车带动仪器作匀速直线运动，或以已知标准速度驱动水体，测定流速示值误差与流向示值误差。工作频率较高的仪器可采用水槽拖车法，频率较低的仪器通常采用航行检定法。

现场比测率定。在仪器实际安装断面，与走航式ADCP、转子式流速仪等标准设备同步观测，建立指标流速与断面平均流速的关系。

安装与配置核查。在现场对安装姿态、方位、坐标、声速、盲区、单元划分、采样与平均参数、时钟进行核对与确认。

运行期校测。系统投入运行后按周期开展校测，验证关系线的持续性，并在断面、水情或仪器状态发生变化后及时复测。

4校准前准备

4.1资料准备

收集仪器型号、序列号、出厂校准参数、固件版本、波束夹角、安装高程与起点距、安装俯仰角与方位角、测量断面大断面成果、历史比测数据、历次校准记录与既往误差特征，核对当前配置参数与原始配置是否一致。

4.2设备与工具

标准测速设备应经检定合格且在有效期内，常用走航式ADCP或转子式流速仪。辅助设备包括测深仪、GNSS定位设备、角度测量仪、水平尺、测船或缆道、通讯线缆、供电电源、数据记录与校时工具、换能器表面清洁工具。

4.3现场条件

确认安装支架稳固，仪器安装方位、俯仰角、水平角与初始安装参数一致；检查电缆、接头密封与通讯链路；记录测验时段的水位、水温、含沙量等环境参数；清除换能器表面附着的泥沙与水生物，避免声学信号衰减。

比测宜选择水流平稳、无强紊动、无大量漂浮物的时段，避开泄洪、闸门频繁调度和含沙量剧烈变化的不利工况。

5计量性能校准

5.1流速示值误差

在已知标准速度下，按仪器各层流速示值与标准速度之差计算示值误差，分层给出误差结果，作为判定合格与否的依据。

5.2流向示值误差

按规定的检定方法测定流向示值误差。仪器安装方位角的偏差会直接表现为流向角系统偏差，应在误差计算时一并核查。

5.3盲区

盲区为换能器发射面附近因振铃等原因无法取得有效数据的距离区间。检定中核查盲区距离是否符合规定要求；现场配置时，盲区设置应能消除近场声学干扰，并保证关心的流速区域位于盲区之外。

5.4辅助传感器

温度传感器与声速设置。声速用于传播时间至距离的换算，并参与流速解算。应根据实测水温、盐度修正声速参数，避免声速设置偏差引入距离与流速误差。

姿态传感器。核查横摇、纵摇读数。固定式安装要求换能器保持水平，横摇、纵摇应调整至接近零位，必要时按断面形态作小幅度俯仰调整，并记录实际安装角度。

罗盘（磁强计）。磁罗盘受硬铁与软铁干扰会产生航向偏差。校准应在仪器处于安装支架内的状态下进行，通过旋转仪器采集三轴磁场数据完成校准；安装支架及周边不得使用磁性材料。固定式安装时，可通过调整方位使横向流速分量趋近于零来确认方位角，从而降低对罗盘绝对航向的依赖。设置中应输入当地磁偏角修正值。

时钟。仪器内部实时时钟用于数据时间序列标记，投运前应与标准时间同步；断电后由内部电池维持，更换电路板或长期停用后须重新校时。

6安装与配置参数核查

6.1安装位置

安装位置水深一般不小于1.0～1.5m，仪器在水下的安装位置距水面垂直距离应大于1m，测点流速不宜小于0.1m/s；有效测距宜覆盖河流主槽；波束通道应通畅、无遮挡，不得触及河床或出水面；安装位置应避开水草生长区、漂浮物聚集区和洪水直接冲击位置。河宽越大，安装深度相应加大。

6.2测量单元划分

核查单元长度、单元数、盲区距离与最大量程。测量范围应覆盖最大可测水体且不受河底、水面与构筑物干扰，通常将有效测量区间划分为若干等长单元。单元长度影响空间分辨率与单次流速方差，应结合断面宽度、流速范围与精度要求确定，并保持不变，以保证率定关系的连续适用。

6.3采样与输出参数

核查采样间隔、脉冲发射间隔、每组的脉冲数、平均周期、坐标系统、流速阈值与质量控制参数。所有参数应记录并归档，任何修改后应重新进行比测验证。

6.4记录项

安装与配置的记录项包括：安装坐标与高程基准、坐标精度、安装俯仰角、横摇、方位角、盲区距离、单元长度与单元数、配置文件名称、部署时间与负责人。

7指标流速与断面平均流速关系率定

7.1基本原理

H-ADCP测得声波照射范围内散射体的运动速度，将其作为指标流速；断面平均流速由同步的标准测流方法获得，即用实测流量除以相应水位下的过水断面面积。在不同水位、不同流量级下取得多组配对数据，通过回归分析建立指标流速与断面平均流速的关系，用于推算断面流量。

7.2指标流速段的选取

依据回波信号强度、信噪比、相关性与流速稳定性，选取信号质量好、流速紊动小的单元段作为指标流速段。可对不同单元组合（不同起止距离、不同单元数量）分别建立关系，比较相关系数、系统误差与随机不确定度，择优确定。

7.3比测数据要求

比测应覆盖高、中、低各水位级与流量级，配对样本在各级均匀分布。T/CHES61—2021及相关规范对校测样本数量有明确规定，工程实践中通常要求各水位级同步比测取得30组以上配对数据，校测样本数不少于10次。比测期间应施测水道断面，确认断面无明显冲淤变化；断面发生变化时，比测结果不具可比性，应待断面稳定后重测或重新率定。

7.4数据预处理

统一各设备的时间基准，按标准设备的测流起讫时间取H-ADCP相应时段的平均值进行配对；剔除异常跳点与无效数据；按水位、流量工况分组；对同一垂线或同一时段的重复观测取均值以削弱随机波动影响。

7.5关系线拟合与检验

常用关系线型包括一元线性、一元二次、幂函数及分段函数等。其中一元线性关系的应用最广，其形式为：以指标流速为自变量，断面平均流速为因变量，采用最小二乘法拟合得到截距项与斜率项两个回归系数，构成一条直线方程；投入使用时将实时测得的指标流速代入该方程，即可求得断面平均流速。

拟合后应进行关系线检验，包括符号检验、适线检验、偏离数值检验，并计算系统误差与随机不确定度。检验未通过时应重新选取指标流速段、调整模型形式或补充比测数据后重新率定。

7.6分段率定

当高、低流速段的关系存在明显差异时，可按流速分级分别建立率定方程，再对综合线与分段线的误差与合格率进行比较，选用误差较小、合格率较高的方案投入运行。

7.7参数修正与验证

若比测结果显示固定的系统偏差，应核查并修正安装偏差角、方位角、流速比例系数等参数；涉及仪器硬件的固定偏移，可设置固定补偿值。参数修改后应重启设备并开展第二轮同步比测，验证修正效果。流量成果在多种水位、流量工况下与标准方法比对，各项误差持续满足规范允许误差限值时，判定校准合格。

8校准周期与复核

仪器本体的检定按检定规程规定的周期执行，通常不超过12个月，使用频繁、环境恶劣或经维修的仪器应缩短周期。

指标流速与断面平均流速的关系应定期校测，每年校测次数不少于10次，且校测点据应均匀分布于各流速级。

出现下列情况应立即复核：断面发生明显冲淤或形态变化、仪器重新安装或移位、更换换能器或电路板、固件升级、长期停运后恢复运行、数据出现系统性偏离。

9主要误差来源

声速设置与实际水体声速不一致，导致距离换算与流速解算偏差

安装姿态与方位角偏差，导致流速分量投影错误

旁瓣干扰：波束接近水面、河底或构筑物时，回波受干扰使流速偏向零值，应通过量程与盲区设置避开干扰区

单元划分不合理，指标流速段代表性不足

换能器表面附着物导致信号衰减

断面借用或大断面资料滞后，过水面积计算偏差

高含沙量水体的声衰减导致量程缩短

回水、潮汐顶托影响导致关系散乱，此时应以指标流速法替代单一水位流量关系

10校准记录与成果

校准完成后应形成书面记录或报告，内容包括：仪器标识信息与固件版本、依据文件、环境条件（水温、水位、含沙量、天气）、标准设备名称与检定证书编号及有效期、安装与配置参数、比测时间与工况、配对数据样本、关系线型式与系数、检验结果与误差统计、结论与下次校准时间、操作与审核人员签字。检定合格的仪器出具检定证书，不合格的出具检定结果通知书。

11运行维护要点

持续监测信噪比、相关性与有效脉冲比例等质量指标，发现渐进性下降时检查换能器表面污染情况；按3～6个月间隔检查换能器表面附着与生物污损，必要时清理并使用防污涂层；定期核查供电与通讯，避免数据缺测；保持固件与配置版本受控，任何变更均需记录并重新验证关系线。