彭東立，章壽濤，程信羲，嵇正華

（江蘇中海達(dá)海洋信息技術(shù)有限公司，江蘇南京 211800）

0 引 言

聲學(xué)多普勒流速剖面儀（Acoustic Dopplcr Currcnt Profilcr， ADCP）是基于多普勒效應(yīng)原理進(jìn)行河道流量測(cè)量的聲學(xué)測(cè)量?jī)x器，相比較于傳統(tǒng)的涉水測(cè)量、轉(zhuǎn)子流速儀測(cè)量，ADCP系統(tǒng)具有精度高、效率高、不擾動(dòng)流場(chǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在水文行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用[1]。ADCP系統(tǒng)通過(guò)換能器發(fā)射測(cè)量信號(hào)、接收反射的回波信號(hào)，在系統(tǒng)中進(jìn)行一系列的信號(hào)處理計(jì)算，分別得到水體反射體和河床反射體的相對(duì)速度，從而完成河道流量的計(jì)算[2-3]。ADCP系統(tǒng)在精度、可靠性、功耗、成本、體積等方面具有嚴(yán)格要求，嵌入式系統(tǒng)具有的強(qiáng)大計(jì)算能力、硬件和軟件結(jié)合、靈活編程面向特定功能等優(yōu)點(diǎn)，滿足ADCP系統(tǒng)的各類(lèi)要求，已有許多研究基于自身的需求，實(shí)現(xiàn)了不同的ADCP系統(tǒng)，如：基于OMAP平臺(tái)[4]、僅基于FPGA平臺(tái)[5]、基于DSP與FPGA平臺(tái)[6]等。

ADCP系統(tǒng)測(cè)量作業(yè)容易受到水文環(huán)境的影響。由ADCP測(cè)量原理可知，ADCP需要接收水體反射的信號(hào)進(jìn)行測(cè)量作業(yè)。然而在大含沙量環(huán)境中，由于水體中含有大量的懸沙，使得ADCP系統(tǒng)發(fā)射的測(cè)量信號(hào)被吸收，信號(hào)強(qiáng)度快速衰減，ADCP系統(tǒng)無(wú)法接收獲得有效的反射信號(hào)，無(wú)法完成測(cè)量作業(yè)[7]。上述各研究中實(shí)現(xiàn)的ADCP系統(tǒng)均未考慮大含沙環(huán)境下的測(cè)量問(wèn)題。

本文選擇使用TMS320C6748與Spartan-6平臺(tái)的DSP與FPGA方法實(shí)現(xiàn)ADCP系統(tǒng)。該方法具有以下優(yōu)勢(shì)：首先DSP芯片具有主頻高、接口多、功耗低、便于開(kāi)發(fā)等優(yōu)點(diǎn)，便于實(shí)現(xiàn)ADCP系統(tǒng)的控制、信號(hào)處理、外設(shè)擴(kuò)展與通信、算法修改維護(hù)等功能，提高了ADCP設(shè)備的計(jì)算效率和測(cè)量精確度；其次FPGA芯片具有高帶寬、并行結(jié)構(gòu)、可重復(fù)編程等優(yōu)點(diǎn)，便于完成控制信號(hào)的發(fā)射和采集，提高了數(shù)據(jù)的處理效率。最后，基于DSP芯片的接口擴(kuò)展性與FPGA芯片的數(shù)據(jù)處理效率，可以擴(kuò)展外設(shè)，完成大含沙水域測(cè)量作業(yè)。

1 ADCP系統(tǒng)測(cè)流方法

1.1 ADCP測(cè)流量原理

ADCP系統(tǒng)是通過(guò)各個(gè)換能器發(fā)射、接收水體或河床的回波信號(hào)，若ADCP與反射體分別以速度vr和vs相對(duì)運(yùn)動(dòng)，聲源信號(hào)的頻率為fs，回波信號(hào)的頻率為fr，依據(jù)多普勒效應(yīng)可得[8]：

式中：c是聲波在介質(zhì)中傳播的速度；vs表示聲源相對(duì)ADCP的速度，當(dāng)聲源朝向觀測(cè)者運(yùn)動(dòng)時(shí)，vs取-號(hào)，反之取+號(hào)；vr表示觀測(cè)者相對(duì)聲源的速度，當(dāng)觀測(cè)者朝向聲源運(yùn)動(dòng)時(shí)，vr取+號(hào)，反之取-號(hào)。由于每次收發(fā)信號(hào)時(shí)間短且船速遠(yuǎn)小于聲速，因此可將式（1）近似為一般的多普勒徑向測(cè)流公式：

通過(guò)解析不同反射體的回波信號(hào)，基于上述公式（2）進(jìn)行計(jì)算，可得到水體、河床反射體相對(duì)ADCP系統(tǒng)的速度，再經(jīng)過(guò)波束轉(zhuǎn)換和縱傾橫搖的修正后，即可得到水流速度V和船速Vb，上位機(jī)可基于測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行流量計(jì)算。

與傳統(tǒng)人工船測(cè)、涉水測(cè)量、纜道測(cè)量相同，ADCP系統(tǒng)也需要在整個(gè)斷面上測(cè)量得多組垂線處的流速。對(duì)于ADCP系統(tǒng)而言，在較短的一個(gè)時(shí)間間隔（1 s）內(nèi)就可以得到一組流速和船速的數(shù)據(jù)，且不會(huì)對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生干擾，因此可以在測(cè)量船安裝ADCP設(shè)備進(jìn)行走航測(cè)量，得到多個(gè)垂線流速和船速后再計(jì)算流量，測(cè)量過(guò)程如圖1所示，圖中各個(gè)單元格中的數(shù)字表示測(cè)得的流速結(jié)果。

圖1 ADCP測(cè)量示意圖Fig.1 Schematic diagram of ADCP measurement

在經(jīng)過(guò)走航測(cè)量完整斷面后，所有垂線的流速V和船速Vb信息后，再根據(jù)每個(gè)垂線處的水深H和船速Vb，可進(jìn)行流量計(jì)算，過(guò)程具體如下：流量基本計(jì)算公式[9]為

式中：Q為流量，S為斷面面積，u為微元流速矢量，ξ為測(cè)量船航跡的單位法線矢量，ds為微元面積。由積分定理可將ds表示為

式中：dz為微元垂向長(zhǎng)度，z為垂向坐標(biāo)，z=0對(duì)應(yīng)河底，z=H對(duì)應(yīng)水面；dt為時(shí)間微元；Vb為船速矢量，為航跡方向速度，可表示為

因此，式（3）可以重新表示為

式中：T為總航行時(shí)間；k為垂向單位矢量。在實(shí)際測(cè)量和計(jì)算中，時(shí)間微元dt和長(zhǎng)度微元dz由是每個(gè)垂線的測(cè)量時(shí)間和單元格的大小，趨向于無(wú)窮小。因此式（6）可以轉(zhuǎn)換為離散求和形式：

式中：m為單元格總數(shù)；Hi為單元格i的深度寬值；Δt為單元格i的測(cè)量時(shí)間；V為單元格的平均流速；Vb為單元格的當(dāng)前船速；X表示速度北向分量；下角Y表示速度東向分量。

1.2 泥沙含量對(duì)作用距離的影響

由ADCP系統(tǒng)的工作原理可知，ADCP系統(tǒng)是通過(guò)接收水中浮游生物或其他懸浮物質(zhì)的反射回波測(cè)量流速V、通過(guò)接收河床的反射回波得到測(cè)量船的船速Vb，因此測(cè)量水域水體的含沙量對(duì)ADCP的測(cè)量有較大的影響。對(duì)于ADCP系統(tǒng)而言，為了滿足實(shí)際應(yīng)用環(huán)境的需求，系統(tǒng)發(fā)射信號(hào)的強(qiáng)度有限；而且為了保證計(jì)算的精確度，系統(tǒng)對(duì)于接收到的回波信號(hào)強(qiáng)度具有一定的要求。

當(dāng)測(cè)量水域的水體較為清澈，水體含沙量較小、懸浮物質(zhì)較少時(shí)，水體反射的信號(hào)較少，導(dǎo)致ADCP接收到的對(duì)水反射回波信號(hào)強(qiáng)度低，且信號(hào)含有的頻移信息少，無(wú)法通過(guò)信號(hào)處理計(jì)算出對(duì)應(yīng)的水流速度，從而無(wú)法完成流量測(cè)量。當(dāng)測(cè)量水域水體較為渾濁，水體含沙量較大時(shí)，水中泥沙對(duì)于ADCP發(fā)射信號(hào)能量的吸收大大增加，信號(hào)穿透力明顯下降，導(dǎo)致ADCP無(wú)法接收到有效的河床反射回波信號(hào)，無(wú)法解算得到底跟蹤數(shù)據(jù)，從而無(wú)法進(jìn)行測(cè)量。

由于水域環(huán)境復(fù)雜，河床的底質(zhì)不盡相同，且水體的含沙量難以精確測(cè)量，因此尚未有研究得出水體含沙量對(duì)ADCP測(cè)量的確切影響。對(duì)于底跟蹤功能而言，由于對(duì)信號(hào)處理解算方法和精度的影響，水體含沙量的增加會(huì)導(dǎo)致ADCP的底跟蹤作用距離會(huì)驟降，無(wú)法使用底跟蹤功能；對(duì)于對(duì)流測(cè)量功能而言，依據(jù)粗略的估算公式可知[10]，水中含沙量在3 kg·m-3左右時(shí)，ADCP的對(duì)流有效剖面的作用距離降低約50%，由此可粗略推算對(duì)流作用距離的計(jì)算公式為

式中：D為ADCP系統(tǒng)的實(shí)際對(duì)流剖面作用距離；Dmax為理論最大對(duì)流剖面作用距離；CS為水體的含沙量大小。

由上述論述可知，ADCP系統(tǒng)在含沙量較小的水域無(wú)法測(cè)量得到流速，在含沙量較大的水域無(wú)法測(cè)量得到底跟蹤數(shù)據(jù)，因此限制了 ADCP系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境。

2 ADCP測(cè)量系統(tǒng)

2.1 ADCP系統(tǒng)

ADCP測(cè)量系統(tǒng)主要由上位機(jī)、信號(hào)處理、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和收發(fā)換能器等部分構(gòu)成，協(xié)調(diào)完成測(cè)量所需的發(fā)射、接收、計(jì)算、處理及通信等功能。

ADCP系統(tǒng)使用的換能器是收發(fā)一體的水聲換能器，在DSP的控制下，既可以進(jìn)行測(cè)量信號(hào)的發(fā)射，也可以進(jìn)行回波信號(hào)的接收，從而精簡(jiǎn)了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

對(duì)于ADCP系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)、接收機(jī)部分，主要用于完成測(cè)量信號(hào)的發(fā)射與接收功能。發(fā)射機(jī)先通過(guò)接收、解析DSP下發(fā)的配置參數(shù)信號(hào)，隨后進(jìn)行發(fā)射信號(hào)所需的PWM波的調(diào)制，再通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路將調(diào)制好的PWM波加載到換能器，實(shí)現(xiàn)特定的測(cè)量信號(hào)發(fā)射。在測(cè)量信號(hào)發(fā)射后，接收機(jī)進(jìn)行對(duì)回波信號(hào)的采集，通過(guò)接收機(jī)上的ADC采樣模塊，實(shí)現(xiàn)多通道的高速數(shù)據(jù)采集功能，最后將接收到的數(shù)據(jù)傳給DSP，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)下一步的分析計(jì)算。

2.2 DSP與FPGA平臺(tái)系統(tǒng)

本文設(shè)計(jì)的ADCP系統(tǒng)是基于DSP-FPGA平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，其中 DSP使用的是 TMS320C6748芯片，F(xiàn)PGA使用的是Spartan-6 FPGA系列。此DSP芯片是一款低功耗定點(diǎn)/浮點(diǎn)運(yùn)算芯片，最高主頻可達(dá)到456 MHz，利用官方的Dsplib和Mathlib算法庫(kù)可實(shí)現(xiàn)算法優(yōu)化，提高運(yùn)算速度。此外，該芯片采用361Balls的PBGA封裝，該種封裝體積小，占用面積小，腳間距適中，易布線。

ADCP系統(tǒng)DSP-FPGA平臺(tái)構(gòu)架示意圖如圖2所示。DSP-FPGA平臺(tái)功能：DSP在ADCP系統(tǒng)中不僅需要實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)、測(cè)深儀、GPS之間的交互，還需要完成與FPGA之間的交互。上位機(jī)下發(fā)參數(shù)控制DSP，DSP根據(jù)參數(shù)計(jì)算結(jié)果通過(guò)SPI控制FPGA，F(xiàn)PGA調(diào)制發(fā)射信號(hào)，并通過(guò)驅(qū)動(dòng)功放電路將發(fā)射信號(hào)加載到換能器兩端，實(shí)現(xiàn)聲吶信號(hào)發(fā)射。發(fā)射結(jié)束后，F(xiàn)PGA控制ADC芯片進(jìn)行多通道高速數(shù)據(jù)采集。利用高速并行uPP接口與DSP進(jìn)行通信，將采集的聲吶數(shù)據(jù)及各傳感器數(shù)據(jù)批量上傳給DSP。

圖2 ADCP系統(tǒng)架構(gòu)示意圖Fig.2 Block diagram of ADCP system

DSP通過(guò)uPP接收到FPGA批量上傳的數(shù)據(jù)后，結(jié)合外部輔助設(shè)備傳輸給DSP的相關(guān)數(shù)據(jù)一起進(jìn)行數(shù)據(jù)的信號(hào)處理，最終將計(jì)算結(jié)果傳輸給上位機(jī)顯示。

2.3 接口與外設(shè)

TMS320C6748中使用的有串行接口IIC、SPI、UART，并行口uPP，共享內(nèi)存RAM，可定制接口PRU，增強(qiáng)型DMA控制器 EDMA3，以及外部存儲(chǔ)器接口EMIFA和DDR2。

UART2使用基于EDMA3的串口，作為主串口用于上下位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸。UART2和UART3使用基于 PRU的串口收發(fā)控制，分別用來(lái)接收測(cè)深儀和GPS數(shù)據(jù)，能夠大大減少CPU的中斷響應(yīng)，提高CPU的效率。IIC用于實(shí)現(xiàn)EEPROM的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，EEPROM 可實(shí)現(xiàn)掉電數(shù)據(jù)保存的功能。EMIFA接口完成NANDFLASH的初始化，并進(jìn)行NANDFLASH（8 bit）的 Bootload，該初始化驅(qū)動(dòng)程序在 DSP的 Gcl文件中通過(guò)回調(diào)函數(shù)完成。DSP外擴(kuò)DDR2進(jìn)行初始化與調(diào)用，該部分功能在Gcl文件中完成初始化，并且在DSP的CMD文件中分配好相應(yīng)的資源來(lái)訪問(wèn) DDR2高速內(nèi)存。自定義GPIO功能引腳可實(shí)現(xiàn)對(duì) FPGA 的控制，實(shí)現(xiàn)FPGA的工作模式切換。DSP與FPGA之間使用SPI通信，并且通過(guò)SPI接口向FPGA傳輸控制參數(shù)命令。FPGA采集完數(shù)據(jù)后通過(guò)uPP告訴并行接口將數(shù)據(jù)傳輸給DSP。

3 ADCP高含沙量水域應(yīng)用

3.1 高含沙量水域下對(duì)底替代

由1.2節(jié)的論述可知，ADCP測(cè)量環(huán)境受到水域泥沙含量的影響，當(dāng)測(cè)量水域的泥沙含量較大時(shí)，ADCP系統(tǒng)可能無(wú)法獲得底跟蹤數(shù)據(jù)，從而無(wú)法完成測(cè)流量作業(yè)。由流量計(jì)算式（7）可知，在計(jì)算斷面流量時(shí)，除了需要測(cè)量得到所有垂線上各個(gè)單元的流速外，還需要底跟蹤數(shù)據(jù)參與計(jì)算，即各垂線處對(duì)應(yīng)的水深H與走航船速Vb數(shù)據(jù)。為了在高含沙量水域使用 ADCP進(jìn)行測(cè)流量作業(yè)，需要替代ADCP的對(duì)底測(cè)量功能，將流量計(jì)算需要的水深H和船速Vb參數(shù)通過(guò)其他設(shè)備測(cè)量得到，并輸入至ADCP系統(tǒng)中，再代入式（7）完成流量計(jì)算。

高含沙量水域的水深H數(shù)據(jù)可以通過(guò)測(cè)深儀設(shè)備進(jìn)行測(cè)量，由于測(cè)深儀設(shè)備發(fā)射的信號(hào)頻率較低，因此信號(hào)具有更高的穿透性，在高含沙量水體中使用仍可接收到回波信號(hào)，通過(guò)信號(hào)處理、解算得到水深H′；而GPS設(shè)備通過(guò)衛(wèi)星定位，發(fā)射、接收電磁波信號(hào)，得到實(shí)時(shí)、高精度的速度Vg和方向θ數(shù)據(jù)，常用的測(cè)深儀設(shè)備和 GPS設(shè)備如圖3所示。

圖3 測(cè)深儀和GPS設(shè)備Fig.3 Echo sounder and GPS equipment

在測(cè)得上述水深H′、船速Vg和方向θ后，還需要傳輸?shù)紸DCP系統(tǒng)內(nèi)，從而完成流量的計(jì)算。在本文設(shè)計(jì)的ADCP系統(tǒng)中，DSP芯片上具有獨(dú)立的 PRU模塊，可以擴(kuò)展外部接口，滿足了水深和船速數(shù)據(jù)的輸入條件；在程序方面中，還需要修改DSP程序中與船速Vb、水深H部分計(jì)算和存儲(chǔ)相關(guān)部分，使用GPS測(cè)得的速度Vg× c osθ和Vg×sinθ替代底跟蹤船速，使用測(cè)試儀測(cè)得的水深H′替代底跟蹤水深H，然后再進(jìn)行流量計(jì)算。因此在進(jìn)行流量計(jì)算時(shí)，需要將式（7）轉(zhuǎn)化為

此外，還需要修改DSP程序中解析保存水深和船速數(shù)據(jù)的部分，從而用于計(jì)算流量。最后，很重要的一點(diǎn)是需要同步得到3臺(tái)設(shè)備的數(shù)據(jù)，從而保證流量計(jì)算的精度，因此DSP芯片需要對(duì)各數(shù)據(jù)時(shí)間匹配，即選擇時(shí)間最相近的有效數(shù)據(jù)與ADCP測(cè)得的流速數(shù)據(jù)相匹配。

3.2 實(shí)際水域測(cè)試應(yīng)用

為了驗(yàn)證本文所述ADCP系統(tǒng)的可行性與測(cè)量精度，在黃河流域濟(jì)南濼口水文站附近進(jìn)行流量測(cè)量測(cè)試試驗(yàn)。試驗(yàn)驗(yàn)證了在大含沙量水域，本文設(shè)計(jì)的ADCP系統(tǒng)可以使用外接輔助完成流量測(cè)量試驗(yàn)，擴(kuò)展了ADCP系統(tǒng)的使用區(qū)域。

本次測(cè)量的水域?yàn)辄S河濟(jì)南段濼口水文站附近，斷面最大深度約 10 m，測(cè)量時(shí)水體含沙量達(dá)15.5 kg·m-3，測(cè)試使用的是中心頻率為 600 kHz的ADCP設(shè)備，設(shè)備最大對(duì)流剖面作用距離約80 m，依據(jù)式（8）可計(jì)算得出，在當(dāng)前水域環(huán)境中，ADCP設(shè)備可測(cè)量的最大對(duì)流剖面深度D為

ADCP安裝后的入水深度約1 m，其自身盲區(qū)約 1.6 m，由此可粗略計(jì)算得到，在當(dāng)前水域中，ADCP設(shè)備流速剖面測(cè)量的最大作用距離為：Hr=D+1+ 1 .6=1 0.34 m＞ 1 0 m，由此可認(rèn)為設(shè)備在當(dāng)前水域可以測(cè)量的流速范圍覆蓋了河道斷面的最大深度，滿足測(cè)量條件。

然而，由式（10）估算得出的是在當(dāng)前含沙量下ADCP系統(tǒng)的對(duì)流作用距離，對(duì)于 ADCP而言，對(duì)底測(cè)量的作用距離更加難以估算。由于對(duì)底測(cè)量需要在完成的接收信號(hào)中進(jìn)行搜底的計(jì)算，對(duì)回波信號(hào)的信噪比要求更高；此外，在相同深度的測(cè)量上，對(duì)底測(cè)量的結(jié)果所需的精度要求比對(duì)流測(cè)量更高，對(duì)底測(cè)量也需要更高的信號(hào)強(qiáng)度和信噪比。由于大含沙量水體的河底一般為軟質(zhì)泥沙底，且底部回波是一個(gè)散射過(guò)程，從而導(dǎo)致底回波信號(hào)強(qiáng)度雖然大于對(duì)流回波強(qiáng)度，卻仍不滿足底跟蹤的條件。因此在當(dāng)前條件下，ADCP系統(tǒng)出現(xiàn)了在相同情況下可以進(jìn)行對(duì)流測(cè)量，卻無(wú)法進(jìn)行對(duì)底測(cè)量、無(wú)法完成搜底功能的情況。

測(cè)量時(shí)將ADCP設(shè)備通過(guò)側(cè)舷安裝的方式安裝在鋼制測(cè)量船上，并將測(cè)深儀以同樣的方式安裝在ADCP設(shè)備的正前方，并盡量減小間距；同時(shí)，GPS設(shè)備的定位、定向天線安裝在 ADCP系統(tǒng)的正上方，從而保證三個(gè)設(shè)備測(cè)量的垂線是一致的，實(shí)際安裝如圖4所示。

圖4 測(cè)量試驗(yàn)儀器安裝示意圖Fig.4 Schematic diagram of equipment installation for flow measurement

本次試驗(yàn)首先不使用外接測(cè)深儀和 GPS設(shè)備進(jìn)行測(cè)量，斷面測(cè)試效果如圖5所示，隨后接入測(cè)深儀和GPS數(shù)據(jù)，斷面效果如圖6所示。由斷面測(cè)試效果圖對(duì)比可以看到，由于水域大含沙量的影響，在不使用外接設(shè)備輔助時(shí)，ADCP僅能在岸邊水較淺處得到底跟蹤數(shù)據(jù)，無(wú)法進(jìn)行整個(gè)斷面的測(cè)量；使用外接設(shè)備后，系統(tǒng)正常工作，可完成斷面流量測(cè)量作業(yè)。

圖5 僅使用ADCP系統(tǒng)測(cè)量斷面圖Fig.5 Result of flow measurement only by ADCP

圖6 GPS和測(cè)深儀輔助ADCP測(cè)量效果Fig.6 Result of flow measurement by ADCP with Echo sounder and GPS equipment

在測(cè)量時(shí)間段內(nèi)，本次試驗(yàn)使用ADCP系統(tǒng)配合外設(shè)共進(jìn)行了4個(gè)半測(cè)回的測(cè)量，試驗(yàn)測(cè)得的結(jié)果如表1所示。在當(dāng)日17時(shí)，濼口水文站官方測(cè)報(bào)的水文信息如表2所示，表中流量數(shù)據(jù)是水文站使用配備的轉(zhuǎn)子流速儀設(shè)備測(cè)得的濼口站水域的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；含沙量數(shù)據(jù)為水文站9月2日發(fā)布的最新測(cè)量結(jié)果。

表1 2020年9月2日16點(diǎn)測(cè)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Flow measurement result at 16:00 on Sept. 2, 2020

表2 官方測(cè)報(bào)統(tǒng)計(jì)水文數(shù)據(jù)Table 2 Hydrological data by official statistics

由表2可知，ADCP走航測(cè)量的2個(gè)測(cè)回的4組流量測(cè)量相對(duì)誤差分別為：0.19%、-0.56%、-1.54%、2.12%，最大相對(duì)誤差為 2.12%，不僅滿足測(cè)量規(guī)范要求，并且達(dá)到了較高的測(cè)量精度。由表1可知，9月 2日濼口水文站在 17點(diǎn)流量為3 980 m3·s-1，與 ADCP在16點(diǎn)之后測(cè)得平均流量4 020 m3·s-1的流量結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)比，流量相對(duì)誤差為1.01%。

由上述試驗(yàn)結(jié)果分析可知，在本次測(cè)量的黃河濼口站附近水域，水體含沙量高，在僅使用ADCP設(shè)備進(jìn)行測(cè)量時(shí)，無(wú)法得到有效的底跟蹤數(shù)據(jù)，無(wú)法進(jìn)行測(cè)量；在外接測(cè)深儀和GPS設(shè)備后，系統(tǒng)可以正常完成流量測(cè)量試驗(yàn)，且測(cè)試過(guò)程中系統(tǒng)狀態(tài)穩(wěn)定，驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和有效性。由ADCP設(shè)備多次測(cè)量的流量結(jié)果可知，設(shè)備流量測(cè)量自身相對(duì)誤差的絕對(duì)均值為1.10%，且與水文站官方測(cè)報(bào)給出的流量數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差為1.01%，驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的ADCP系統(tǒng)的測(cè)量精度和性能。

4 結(jié) 論

本文基于TMS320C6748與Spartan-6平臺(tái)完成了ADCP系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并通過(guò)DSP芯片擴(kuò)展了外設(shè)連接，將測(cè)深儀和GPS數(shù)據(jù)接入ADCP系統(tǒng)，克服了大含沙量的影響，擴(kuò)展了測(cè)量功能。在含沙量為15.5 kg·m-3的黃河水域進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)，流量測(cè)量自身相對(duì)誤差的絕對(duì)均值為1.10%，與水文站官方測(cè)報(bào)給出的流量數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差為1.01%。由此驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的ADCP系統(tǒng)及其連接外設(shè)輔助測(cè)量的方法，可以克服大含沙量的影響進(jìn)行流量測(cè)量，且系統(tǒng)的穩(wěn)定性好，流量測(cè)量精度滿足測(cè)量規(guī)范的要求。