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ATV水下超声层析剖面式流量计

测量原理声波在水中具有优越的传播特性，使其成为水面环境下远距离能量与信息传输最有效的辐射方式。然而，水体分层、锋面、内波、反射、散射、吸收，以及表面和底部边界等因素，都会影响声波的传播，导致声波在传输过程中携带丰富的路径信息。通过分析声信号的频率、相位、时间、多路径结构等特征，例如构树，便可推断出大量关于水体的信息。

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产品描述

1、计划的背景

1.1 水文国家考试科

水文学：指自然界中水体的各种变化与运动现象。它是一门研究自然界中水体时空分布及其动态变化规律的学科。据《人民日报》2020年1月23日报道，中国水文监测站点已从新中国成立初期的353个发展到12.1万个，监测站网的整体密度已达到中等发达国家水平，在防洪抗旱、减灾救灾、水资源管理及生态保护等方面发挥了重要作用。

随着技术的进步，物联网技术已悄然融入我们的生活，并被广泛应用于各个领域。例如水文与水利、工业监测、智慧城市、智慧水务等，这些领域正通过物联网连接至云端服务器，借助大数据分析与处理，有效提升生产效率、灵活性及响应能力。

2016年3月16日，环境保护部宣布了“十三五”规划，旨在建立全国地表水环境质量监测网络。该规划包括2767个国家级控制断面（点），其中717个为趋势研究断面，暂不纳入考核；其余2050个断面则为全国地表水考核断面（以下简称“国家考核断面”）。

国家考核断面属于国家地表水环境监测网络的评价、考核与排名监测板块，其核心是提升水环境质量，满足当前流域水污染防治目标考核及城市水环境质量排名等环境管理需求。国家考核断面的特点：断面较宽，全年均在低流量条件下运行。

在流域各级河长制进入实质性运行阶段的背景下，各流域管理机构已积极发挥统筹协调作用，推动流域联席会议、漂浮物监测、跨界河湖治理以及生态流量调度等水治理机制的落实。各单位要高度重视实现水利部提出的生态流量与水量保障目标，尤其要抓好枯水期的调度工作。各流域河长办公室将充分发挥流域统筹协调职能，持续提升流域内河湖监管与协同治理能力，进一步深化和完善“流域+区域”协同治水机制，统筹推进上下游、左右岸及干支流的联动管理，携手流域内各城市共同破解河湖管理与保护工作中的难点和堵点问题，合力促进流域水质清澈、水体畅通。

1.2 截面流量的常用测量方法

1：索道流量测量

2：声学多普勒流速仪 ADV

3：声波多普勒剖面 分析仪 ADCP，HADCP

4：传统超声波时差法

5：水工建筑物（涵洞和闸门）的流量计算

6：利用水位梯度法计算流量

7：利用雷达地表波速测量计算流量

8: 新的视觉识别 流量计

9：新 声学层析成像 section 阿尔 流量计 全地形车

对于截面宽大、流速较低的测量断面，流量测量一直存在显著难题。为满足上述测量需求，还需特别注意设备安装简便、实时监测，同时确保不干扰河道的正常使用。ATV声学层析法的断面流量仪正是基于这一定义而设计的专业产品。

2、方案介绍

2.1 声学层析技术

声学技术曾广泛应用于海洋环境观测，随着其应用领域的拓展，如今也已成为测量其他水体的重要手段之一。其中，声学层析技术，尤其是15-88K频率声学层析技术的应用，已从河口和海岸区域，逐步扩展到地表水、地下水及其他水体的测量中。

奥泰自动化 ATV 声学层析剖面流量计采用水下声学互易传输（又称双向声波传输）技术进行声学层析（温度流速）反演计算，并利用傅里叶模型实现二维声速、温度场及流场的重建。

声波在水中具有优越的传播特性，是水面环境中远距离传输能量与信息的有效辐射方式。由于水体分层、表面波峰、内波、反射、散射、吸收以及水面与水底之间的界面效应，声波在水中传播时会携带大量路径信息。通过分析声信号的频率、相位、时间及多路径结构，人们可以推断出丰富的水体信息。

断层成像技术是一种反演观测方法，它能够利用声波辐射从不同角度穿透被测介质，并通过测量介质吸收及传播时间特性的差异，反演出被测介质的特性。其中，声学断层成像技术正是基于测量到的传播时间变化，来反演温度和流场参数的一种手段。在反演过程中，将综合考虑温度、盐度和深度等参数的变化。

测量断面流量仅需临界流速数据，因此无需获取各剖面的精确流场分布，也无需通过多维监测的声学数据进行反演。只需依托两点处声波直达波与多路径波混响随时间的变化特征，即可反演出二维断面平均流速。借助高频（1秒交叉互易性）互易传输声波层析成像原理，系统能够以较低投入实现快速测量，且测量周期短至5秒。

超声信号从主机发出后，在65度角范围内，从从机接收到的声波直达波与多路径波的混响，从而获得完整信号；随后，双方互换信息，从机发出的声波再由主机通过同一通道接收。这种声学信号能够基本反映整个过水断面的速度场特性，体现该断面的平均声学特征。最后，通过断层成像技术对往返传播的声学信息进行反演，获取随时间变化的数据，进而计算出断面的平均流速值。（如图所示：）