走航式声学多普勒流速剖面仪校准
1. 概述
走航式声学多普勒流速剖面仪（Vessel-mounted ADCP）利用声学多普勒效应，通过船底或船舷换能器向水体发射声波并接收悬浮颗粒、气泡等散射体的回波频移，解算各水层三维流速。仪器在走航状态下同时依赖底跟踪（船对地速度）和水跟踪（水流相对船速度）完成流量与流场观测。
由于换能器老化、波束角漂移、声速参数失配、安装姿态变化、罗经/倾斜传感器偏差以及船体振动等因素，测量值会逐渐偏离真值。因此需要通过实验室检定与现场校准相结合的方式，建立可追溯的修正关系，保证水文测验、河道流量监测、海洋调查等数据的可靠性。
2. 适用范围
本通用内容适用于：
船载走航式 ADCP（300 kHz、600 kHz、1200 kHz 等常见频段）
新购投产前首次校准
周期性复校（通常 12 个月，或按 JJG（交通）138—2017 / 水利行业规程执行）
维修、换能器更换、撞击跌落、数据异常后的临时校准
现场安装完毕后的比测率定与使用期核查
3. 校准依据（常用）
| 类型 | 文件 |
|---|---|
| 国家计量规程 | JJG（交通）138—2017《声学多普勒流速剖面仪》 |
| 国家标准 | GB/T 24558《声学多普勒流速剖面仪》 |
| 水利行业 | SL 337《声学多普勒流量测验规范》、SL/T 426 系列 |
| 海洋/水运 | HY/T 102《声学多普勒流速剖面仪检测方法》 |
| 其他 | 仪器出厂说明书、前次校准证书、波束角与声速模型参数 |
4. 校准前准备
4.1 资料核对
型号、序列号、固件版本、波束数、标称波束角、盲区、单元厚度、历史修正系数。
4.2 标准器与工具
标准流速发生装置：循环水槽或直线拖车系统
标准流速仪：转子式、电磁式或已检定 ADCP
声速剖面仪、标准温度计（精度不低于 0.01 ℃）、盐度计
RTK-GNSS 或差分 GPS（平面误差不大于 0.2 m）
标准计时器、测距设备、倾斜基准台、全站仪
原厂配置软件、数据线、清洁工具
4.3 环境要求
实验室：水温 10–30 ℃，流态平稳，无强电磁干扰
现场：顺直河段或开阔水域，避开闸坝、弯道、桥墩回水区
散射体充足，水深一般不小于盲区 3 倍
走航底跟踪校准时，底质反射良好，水深在仪器有效底跟踪范围内
5. 校准项目与方法
5.1 外观与功能检查
换能器面无划痕、无气泡附着；电缆与接头无腐蚀；开机自检通过；各波束增益、脉冲长度、通信正常。
5.2 传感器子系统校准
| 子项 | 方法 |
|---|---|
| 温度传感器 | 与标准温度计比对，修正声速计算 |
| 倾斜传感器 | 精密倾斜台改变横摇/纵摇，记录偏差（通常要求不大于 ±0.2°） |
| 罗经（航向） | 消声水池或实地朝向正北、正东、正南、正西，计算硬铁、软铁校正量 |
| 时钟 | 与 GPS 时标比对，误差一般不超过 1 ms |
5.3 声速参数校准
现场实测声速，与仪器根据温度、盐度、深度推算的声速值比对。若偏差较大，采用手动声速输入或按以下关系修正流速：修正后流速等于仪器原始流速乘以仪器设定声速除以实测声速。
5.4 流速校准（实验室拖车法）
将 ADCP 固定在水槽拖车支架上，入水 0.5–1.0 m，姿态倾斜小于 1°。
在量程内均匀选取 6–8 个速度点（如 0.2 m/s 到上限）。
每个点稳定后采集不少于 3 次，取平均。
用拖车标准速度与测量值做最小二乘拟合，得到尺度因子和偏移量。
5.5 走航式专用校准（底跟踪 + 水跟踪）
走航式仪器不能只靠水槽定标，必须在实船状态校准两个关键量：尺度因子（scale factor）和换能器—罗经偏角（misapgnment angle）。
| 方法 | 操作要点 | 主要修正对象 |
|---|---|---|
| 底跟踪校准 | 浅水区匀速直线航行，用 RTK-GPS 船速作真值，比对 ADCP 底跟踪速度 | 安装偏角、底跟踪尺度 |
| 水跟踪校准（往返/回转法） | 深水区做往返航线或 L 型机动：先以恒定航向航行，再 180° 反向返回；利用 GPS 解算船速，比较正反航向的水流剖面差值 | 水跟踪尺度因子、罗经偏移 |
| Backtrack-L 机动 | 北、南、东、西四条腿，每条腿稳定 10–30 min，U 型转弯连接，整体分析流速对称性 | 综合偏差与漂移 |
典型判据：
流速误差：不大于测量值的 1% 加 0.005 m/s（频率 300 kHz 及以上）或 ±0.01 m/s（频率低于 300 kHz）
流向误差：不大于 ±2°
底跟踪速度相对误差：小于 1%
倾斜传感器误差：小于 ±0.2°
5.6 剖面深度与层厚核查
用标准深度计比对水深；检查单元厚度、盲区、最大剖面深度是否符合标称值。
5.7 现场比测（可选）
与已检定旋桨流速仪或电磁流速仪在同一垂线多点同步观测，统计系统偏差与标准差。
6. 数据处理与结果判定
计算各速度点示值误差：示值误差等于 ADCP 测量值减去标准参考值。
判断误差是否落在仪器技术指标或规程允许限内。
若超差，更新仪器内部系数（尺度因子、偏角、声速表）或在后处理软件中加载修正方程。
对异常波束单独标注，不强行整体修正。
7. 校准报告内容（通用模板要素）
仪器型号、序列号、频率、波束配置、软件版本
校准地点、时间、环境条件、标准器证书编号
外观与通电检查结果
各换能器波束角、罗经偏差曲线及校正参数
流速标定方程、相关系数、残差分析
底跟踪与水跟踪尺度因子、misapgnment angle
现场比测数据统计表
结论：合格 / 限定使用 / 不合格，建议下次校准日期
8. 周期管理与日常维护
| 项目 | 建议 |
|---|---|
| 全面实验室校准 | 每 12–24 个月 1 次 |
| 现场作业前自查 | 每次出航前做底跟踪静态零点测试、换能器清洗 |
| 期间核查 | 重要任务前用声速计核查温度链，检查 GPS/罗经偏移 |
| 维护 | 使用后用清水冲洗换能器，长期存放晾干并放干燥剂 |
| 禁止事项 | 换能器暴露空气时禁止发射，防止烧晶片 |
9. 常见误差来源与规避建议
声速设错：现场实测声速，不要默认 1500 m/s。
安装偏角漂移：每次拆装或撞船后重做水跟踪校准。
船体气泡：换能器不能内凹，避开侧推器与舵流。
底质太软/太陡：底跟踪失效时改用水跟踪 + GPS 融合。
散射体不足：清水河道可适量投加均匀悬浮介质。
小结：走航式 ADCP 的校准不是单次"标定流速"就结束，而是实验室定标尺 + 实船定偏角 + 每次任务前自查的闭环。只有把尺度因子、声速、姿态、航向四个量都控制住，走航流量和剖面流速才具备计量溯源性。
