脈衝式和連續式聲學都卜勒原理比較 (第一章)

低成本連續波 VS 多單元脈衝都卜勒系統

簡介

聲學都卜勒的水流測量系統，可應用在取、輸水中的量測工具，不僅可以測量水流速度，還能夠測量水位並計算流量（排放量）。此外，測量資料的輸出格式可輕鬆且即時上傳到商業資料記錄器、SCADA 系統、PLC，以及遠端監測設備。

我們常聽到與都卜勒相關的名稱如：

* ADFM – 聲學都卜勒流量計

* ADVM – 聲學都卜勒流速計

* AVM – 流速面積型流量計

* ADCP – 都卜勒超音波流量

上述名稱有時可以互換使用。但並非所有都卜勒系統都採用相同的工作原理。

用於流量測量的都卜勒系統大致可以分為兩類：連續波(CW）和脈衝波。SonTek 聲學都卜勒系統（例如 SonTek-IQ）就是脈衝都卜勒。連續波式或脈衝式是否符合特定場所，將取決於環境因素和數據精度的要求。

價格通常被視為連續波式與脈衝式都卜勒流量計的主要區別，有時這是選擇儀器時最重要的考量之一。然而，對大多數操作人員和管理人員而言，瞭解技術差異及其在野外環境中的定位有助於做出明智的選擇，與此同時，也關係到設備操作、資料品質保障和未來決策。本技術說明旨在從實務上的角度闡釋部分重要技術的差異。

注：本文的最後列出了技術差異一覽表

聲學都卜勒和流量測量的基礎知識

聲學都卜勒流速測量系統採用都卜勒頻移的物理原理來測量水流速度。都卜勒原理指出，如果聲源相對於接收器運動，則接收器處的聲音頻率會與發射頻率相偏移。

請注意，都卜勒系統實際上並未直接測量水流速度，而是測量懸浮在水柱中的散射顆粒的速度，並假設顆粒的運動速度與水流速度相同。如果沒有反射信號的散射顆粒，則都卜勒系統將無法測量速度。

反射信號的振幅將隨著水中散射顆粒的密度、顆粒材料及其在發射頻率下的聲波反射率以及與換能器的距離而變化。傳輸的聲波信號從換能器呈幾何圖形傳播，而且聲音會被水吸收。傳輸損耗與系統範圍的平方成正比，而反射信號強度降低到系統雜訊等級的距離則決定最大測量範圍。

我們要注意的是，此類都卜勒系統無法直接測量流量（排放量）。流量是基於測得速度、測得水位和流道截面積而計算出的參數。由於系統僅測量聲波所在的管道的部分水流速，因此使用教科書理論模型或特定於地點的校正（指標流速率定）將儀器測得的速度與平均流速相關聯。然後將平均流速 (V) 乘以流道截面積 (A) 求出流量值 (Q=VA)，其中流道截面積是由使用者提供的流道幾何形狀、儀器位置以及所測水位的資訊來確定。因此，流量的準確度很大一部分取決於估算流量時，流道流速分佈的資訊。

下圖為是筆直且無雜物的的混凝土運河（典型現場照片）中不規則速度分佈的範例，這是 SonTek-IQ 在開發過程中使用 FlowTracker 掌上型 ADV 系統在密集間隔的離散單點中測得的流速：

從範例得知，流道中的速度分佈通常不是均勻的，且邊界層（如流道的底部或側面）附近的速度通常顯著地低。

由此可得出以下要點：

• 由於速度資料中的任何誤差都會導致計算結果的流量出現誤差，因此儀器的速度測量精度具有關鍵角色。
• 使用者給出的流道幾何形狀和儀器位置的誤差將導致計算結果的流量出現誤差。
• 將儀器測得的速度與平均流速相關聯的方法將影響所計算出的流量的精度。

工作原理

都卜勒原理與其他原理比較時，都卜勒概念容易被默認為成連續波，此誤解會導致使用者混淆概念。都卜勒的脈衝和連續方式是兩種完全不同的概念，了解引用哪種都卜勒方法舉足輕重。

連續波系統通常是單波束，代表採用單波束來接收聲波信號。如果都卜勒系統沒有被特別定位為「脈衝」、「剖析」或「距離選通」儀器，通常是連續波系統。連續波系統最常使用獨立的發射和接收換能器，從而發射相對於水深的長聲脈衝。基本上，系統將連續信號發射到水中，同時接收信號反射。因此，接收的信號是沿聲束範圍裡，所有散射介質的反射信號振幅與相位組合，任何空間資訊都是未知的，因為不可能將特定回聲信號與沿波束的對應位置關聯。

尤其是在淺水區，有些連續波系統更容易測量到從水面或河床反射的信號，因為連續波系統不追溯反射來自哪個位置。這些錯誤的邊界反射會帶來明顯的雜訊和偏差。脈衝式都卜勒系統（如 SonTek-IQ）在水中傳輸短的聲波脈衝，然後分段偵查反射信號，依據脈衝傳輸後的時間轉換成脈衝在水中的傳播距離，從而確定作為信號源顆粒的位置。

透過測量發射脈衝後的特定時間內反射的聲波信號，系統能夠測量水速的剖面，其中的水柱分成多個深度單元（也稱為距離單元或層）。在每個單元中，水速是根據測量的聲學資料計算的。這樣做提供了從底部到水面的許多離散的、緊密間隔的測量資料。一些脈衝都卜勒系統回報來自單個測量單元的流速，而不是輸出測量的剖面流速。也就是說，它們在得到速度剖面後計算平均速度。

由於每個脈衝都卜勒換能器既是發射器又是接收器（稱為「單站」），因此系統在發射信號後必須等待一小段時間，以便有時間從系統中清除發射脈衝。這種暫停會在系統旁邊產生一個無法收集資料的區域，稱為「盲區」。

SonTek-IQ 系統具有四個用於測量水流速度的換能器：兩束與測量上游和下游的系統軸線對齊，兩束對系統側面進行測量的偏斜波束，因此，SonTek-IQ 可以描繪整個流道上特定階層速度的變化。另外，除壓力感測器外，還具有一束用於精確測量水深的聲束。

潛在誤差

連續式都卜勒系統是以連續且同步收發的方式運行，其中一個影響稱為範圍偏移。由於傳輸的信號與系統的距離越遠強度就越弱，因此距離感測器較近粒子的聲學反射對接收信號的影響將大於距離較遠的信號。如果流道中的速度分佈均勻，則感測器與散射粒子的距離就無關緊要。但如前所述，流道中的速度通常不均勻。受發射端附近的散射顆粒影響，對離系統更近的聲波反射產生範圍偏差。

由於聲傳輸損耗（衰減、吸收），測距偏差問題與流道深度成正比。流速最大區域通常出現在水面下，連續波系統可測最大深度有限。例如，在水面附近或許有對實際總流量有著重大影響的高流速區域，但是來自近水面速度的信號強度可能比來自靠近底部的較慢速度的信號要弱。通常底部沉積物濃度較高或顆粒較大，因此具有較強的反射性。更複雜的是，這種偏差會隨著時間和條件而變化。散射顆粒通常在整個水柱中分佈不均勻，且不同材料的顆粒具有不同的反射特性。例如，礦物沉積物有不同於絮凝劑的散射和反射性，在高動態的環境下，水柱中是否有沉積物雲團及其位置都能夠引起不同層度不斷變化的偏差。因此，即使在不同流量下校正連續波系統，可能也無法解釋和滿足存在的眾多未知變數。

脈衝都卜勒系統不受測距偏差的影響。由於系統專為測量精確定時、以空間為參考的速度資料而設計，因此諸如 SonTek-IQ 類的脈衝都卜勒系統能夠提供更高的速度精度、更高的速度範圍和深度範圍，從而可以計算出準確的排放量（流量）資料。因此，脈衝都卜勒系統被認為在更大範圍的條件下，尤其在因水力學、水質、顆粒大小和成分而變化的環境中，有著更高的參考性。

連續波 (CW) 都卜勒系統一般會使用單聲束來接收被水中懸浮顆粒所反射的信號。通常會將系統置於流道或是水流的中間，代表要測量的水流速度設在儀器前方的管道中心。有些型號帶有測量深度的壓力感測器。

脈衝都卜勒系統使用兩個或多個聲束來接收被水中懸浮顆粒所反射的信號。聲束被分為可測量整個水柱中各層水流速度的層。在SonTek-IQ內，共有四束聲束：一束在管道中心朝向上游，一束在管道中心朝向下游，一束偏斜聲束朝向管道右側，一束偏斜聲束朝向管道左側。SonTek-IQ 還具有用於測量水深的第五束聲束以及壓力感測器。

SonTek-IQ Plus 版本提供了流量監測解決方案，適用於深度最大為 5 m 的較大運河和自然環境。具有在水平和垂直方向跨管道採集小至 2 cm 的單元中的速度分析資料的功能。