水平声学多普勒流速剖面仪校准

1 适用范围

本内容适用于以固定安装方式布设于河岸、渠壁、桥墩或水下构筑物上的水平声学多普勒流速剖面仪（以下简称 H-ADCP）的校准与校准前核查。H-ADCP 换能器声束沿水平方向（或与水平面成小角度）发射，测量断面上某一水平层内的流速分布，输出局部流速（指标流速），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。

本内容为通用技术性描述，不针对特定型号、特定断面与特定计量技术机构。具体项目的限值、检定方法与合格判据，应执行现行有效的检定规程、校准规范与仪器技术文件。

2 规范性引用文件

常用依据包括：

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；

GB/T 24558《声学多普勒流速剖面仪》、GB 50179《河流流量测验规范》；

T/CHES 61—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；

SL/T 152—2021《声学多普勒流速仪检定规程》、DB32/T 5337《固定式声学多普勒流速剖面仪（ADCP）流量在线监测技术规范》；

ISO 24578、ISO/TS 24154 等国际标准中有关声学多普勒剖面仪测流方法与应用的条款；

仪器出厂技术说明书、操作手册与部署指南。

3 术语与定义

4 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。

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。

5 校准前准备

5.1 资料准备

收集并核对：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；历史比测数据与历次校准记录、既往误差特征。核对当前配置参数与原始配置是否一致。

5.2 标准器与工具

标准测速设备：经检定合格且在有效期内的走航式 ADCP、转子式流速仪或声学多普勒点式流速仪；

几何量具：钢卷尺、水准仪、全站仪或 RTK、角度测量仪；

环境参数测量设备：温度计（分辨率不低于 0.1 ℃）、盐度计、测深仪；

辅助设备：测船、通讯线缆、供电电源、数据同步采集装置、换能器表面清洁工具。

5.3 现场条件

选取顺直、水流平稳、断面形态规则的河段作为比测断面，避开进出水口、桥梁及障碍物干扰；确认安装支架稳固，仪器安装方位、纵摇与横摇角度与初始安装参数一致；记录测验时段水位、水温、含沙量等环境参数；清除换能器表面泥沙与水生物附着物，避免声学信号衰减。

6 校准项目与方法

6.1 外观与功能检查

检查换能器表面有无划痕、凹坑、气泡附着或生物污染；检查电缆及水密接头、密封圈、插头针脚；读取倾斜传感器、罗经、温度传感器的自检状态；确认固件版本并备份原始配置文件。

6.2 罗经（方位）校准

罗经偏差直接影响流速矢量分解与流向结果。核查与校准要求：

通过传感器测试命令读取艏向、纵摇、横摇、姿态温度、环境温度与压力值，转动与倾斜仪器，确认输出量值合理、艏向随顺时针转动而增大；

在 0 度、90 度、180 度等方位校验艏向准确度，偏差超过 2 度时应重新校准罗经；

仪器更换存储模块、电池，或仪器内外铁磁性物体位置变动、仪器迁移至新位置后，应重新校准；

校准采用旋转法：仪器置于无磁台面，按与实际投放一致的姿态放置，以约每秒 5 度的角速度缓慢旋转一周，并在不同倾斜方向上重复旋转，用于分离并修正硬铁误差与软铁误差（单周误差与双周误差）；

校准完成后可用内置的罗经校准验证程序读取总体误差；校准失败时恢复出厂校准矩阵后重新执行。

除罗经自身校准外，还需区分两类方位改正：安装物理偏差（换能器艏向与断面法线或设定基准之间的夹角）与磁偏角及电偏差。前者通过物理安装偏差改正参数修正，后者通过艏向偏差参数修正，磁偏角应取用测站位置与观测年份的实际值。

6.3 声速参数

声速用于换算流速量值、单元长度与距离。设置方式有两种：直接输入声速值，典型范围为每秒 1400 至 1600 米，默认值为每秒 1500 米；或启用自动计算模式，由换能器深度、盐度与温度计算声速。校准时应实测水温与盐度，计算声速并与仪器当前值比较，不一致时更新相应参数。声速偏差以比例形式传递到流速测量结果。

6.4 压力传感器与换能器深度

在投放前于现场对压力传感器清零。换能器深度参与声速计算与单元定位，应与实测安装高程、实测水位核对。

6.5 盲区、单元长度与单元数

盲区不由用户改变，其大小与换能器结构、工作频率、发射脉冲宽度及水中声速相关；近场受扰动的流速单元通过屏蔽距离从计算中剔除，屏蔽距离应大于换能器深度与盲区之和；

单元长度设置不小于设备标称最小单元宽度，有效单元数一般不少于 3 个，单元尺寸一般为 0.5 至 1.0 米，最大单元数由设备能力决定，常见为 128 至 200 个；

测速区间应根据历年最高最低水位与历史流量资料确定，宜覆盖主泓水道流量集中区域；安装位置宜位于相对水深 0.45 至 0.65 处。

6.6 安装姿态核查

H-ADCP 的纵摇、横摇角度不宜大于 1 度，安装角度年变幅应控制在一定范围内；安装前应核对换能器起点距与高程、系统时间与比测设备时间一致性、系统水位与水尺水位一致性、流速单元与测速历时及采样频率等参数是否与初始值一致。水位变幅较大时可设置自动升降支架。

6.7 流速示值误差

水槽拖车法：工作频率较高的仪器在检定水槽中以拖车带动匀速直线运动，水槽水体静止、水温恒定、无气泡与悬浮物干扰。仪器换能器轴线与运动方向夹角不宜大于 2 度。在仪器量程内均匀选取低、中、高若干校准点，点位不少于 6 个，每点往返重复测量，记录拖车标准速度与仪器流速测量值。

航行检定法：工作频率较低的仪器通常采用航行检定。将仪器安装于船舷支架，调整换能器阵指北方向对准船头方向或偏北 45 度，安装误差绝对值应小于规定值，换能器阵表面水平误差绝对值应小于 2 度。试验船往返航行，同步连续记录导航定位仪的速度与位置、仪器流速测量值，瞬时数据平滑窗口宽度应与标称技术指标对应，并使用导航定位仪时钟。

误差计算：对某一层位，将该校准点全部流速测量值取算术平均，得到该层流速平均值。绝对示值误差为该层流速平均值减去标准速度值。相对示值误差为绝对示值误差除以标准速度值，再化为百分数。取各校准点误差的最大绝对值作为流速示值误差的校准结果，与规程限值比较判定。

6.8 流向示值误差

在 0 度至 180 度范围内均匀选择 5 至 6 个角度值，通过角度测量仪使仪器艏尾线与拖车运行方向呈选定角度，该角度即为流向标准值；选择往返相同的拖车速度进行往返跑车，记录仪器测量的流向。

误差计算：对某一层位，将该校准点全部流向测量值取算术平均，得到该层流向平均值。流向示值误差为该层流向平均值减去流向标准值。结果应符合规程对流向示值误差的规定。工作频率大于 300 千赫的仪器可采用水槽拖车或航行流向检定，工作频率不大于 300 千赫的仪器采用航行流向检定。

6.9 零点漂移与静态核查

将仪器置于静止水体（流速不大于每秒 0.01 米）中，连续采集不少于 10 分钟数据，记录零点输出值。零点漂移量应不超过仪器允许误差限的三分之一，超限时应通过配套软件进行零点修正。同时检测回波强度与信噪比，确认信号质量符合设备技术要求。

6.10 指标流速与断面平均流速关系率定

H-ADCP 输出局部流速，需建立与断面平均流速的换算关系：

比测：新设站或换能器安装位置、安装角度、设备型号发生变化时应开展比测；比测断面应与固定式 ADCP 测流断面相近且不产生相互干扰；比测可采用流速仪常测法或走航式 ADCP 施测。

样本要求：比测样本应覆盖高、中、低水各级水位与涨落水面，样本数量满足定线要求。

拟合：以最小二乘法拟合关系方程，可采用断面平均流速等于常数项加指标流速一次项系数的线性形式，或幂函数形式，并计算相关系数与剩余标准差。

关系线检验：对定线结果进行符号检验、适线检验与偏离检验，显著性水平取 0.05；检验不通过时，分析是否存在水位级分区、断面冲淤、回水顶托、冰期或水草影响等因素，必要时分级别或分时段定线。

误差评定：计算关系线的系统误差与随机不确定度，结果应满足相应测验规范对流量测验精度的要求。

成果：编写固定式 ADCP 流量测验比测分析报告，内容包括断面与仪器概况、比测方法与设备、样本统计、定线结果与检验、误差评定与适用条件。

7 校准周期

一般建议每年至少校准一次；用于法定计量、重点防汛断面或高精度科研项目时，周期缩短至每 6 个月一次；在经历洪水冲刷、强震动、长时间干涸后重启、换能器更换或维修、安装位置与角度变动后，应进行临时校准验证。运行期还应根据断面冲淤、水情变化与数据突变情况及时复测。

8 校准记录与结果

校准记录应包含：仪器信息与配置参数（型号、序列号、固件版本、声速、单元设置、盲区与屏蔽距离、艏向偏差、坐标系、时钟）；环境条件（水温、盐度、含沙量、水位、天气）；标准器信息（名称、型号、编号、检定证书号与有效期）；各校准点的标准值与测量值、误差计算结果；关系率定的样本表、拟合方程与检验统计量；校准结论与不确定度。

校准结果以校准证书或校准报告形式给出，包含各项目的测量值、误差与判定结论，以及关系率定的适用条件与有效期。检定不合格时出具检定结果通知书。

9 影响校准结果的因素与控制

10 数据质量的日常判别

日常使用中可通过两种方式初步判断设备状态：一是零点漂移测试，静水中设备读数应接近零；二是历史数据趋势分析，若流量数据出现无合理水文依据的突变，应及时停用并安排送检。校准工作可由具备 CMA/CNAS 资质的第三方计量机构执行，或在具备标准装置的单位内部完成（需备案）。