PandaADCP-300K VS TRDI WHS ADCP-300K比测实验

1. 试验背景

目前国内的高精度 ADCP 设备主要依赖进口，尤其以美国 TRDI 公司系列的 ADCP 进口数量最多，占据了大部分的中国市场。为了摆脱这一被动局面，实现高 精度 ADCP 的国产化替代，开展本次比对试验。

经过调研，我司自主研发生产的 ADCP，型号为 PandaADCP，其综合性能号称可以媲美 TRDI Workhorse 系列 ADCP，故采用 PandaADCP-300K 和 Workhorse Sentinel ADCP-300K 进行比对测试。测试分为走航测量比测和静 态坐底测量比测两部分，通过实际测量结果比对，证明 PandaADCP 系列的高精度 ADCP 可以替代进口的高精度 ADCP。

2. 试验简介

国产 PandaADCP-300K 设备及进口 Workhorse Sentinel ADCP-300K 设备进行比测， 共分为两类比测：坐底式静态测试，另一类是走航式动态测试，在同一参数配置 下，同一应用环境下，对测流结果进行多维比测，综合误差小于 2%即为性能基本 一致。

2.1  试验目的

验证国产 PandaADCP-300K 设备无论是静态模式下测底，还是走航模式下测流性 能与进口 Workhorse Sentinel ADCP-300K 基本一致，两者测量的水流速度值的 相对偏差小于2%。

2.2  试验时间

2023 年 3 月 21 日~2023 年 3 月 23 日，为期 3 天。

2.3  实验地点：

淳安县千岛湖镇东南湖区：

图 2.3 、千岛湖东南湖码头位置图

2.4  试验设备：

• PandaADCP-300K 一套；
• Workhorse Sentinel ADCP-300K 一套； lGPS 一套；
• 移动电池两套。

2.5 试验方式​​

• 坐底式测试；
• 走航式测试。

3. 试验内容

PandaADCP-300K 及 Workhorse Sentinel ADCP-300K 比测试验共有两种测试方式， 坐底式及走航式，坐底式试验将两台设备装到支撑架上，交替发射比测，而走航 式则是 PandaADCP-300K 安装在船的右舷，Workhorse Sentinel ADCP-300K 安装在船 的左舷，依然是交替发射进行比测。

3.1 坐底式比测实验

3.1.1  试验过程

静态测试区域水深 70m 左右，布放区域由PandaADCP进行扫湖后确认，扫湖结果 如下图所示。

图 3. 1. 1 、设备布放区域图

2023 年 3 月 21 日上午 10：30 分开始整备 PandaADCP-300K 及 Workhorse Sentinel ADCP-300K 设备物料，为保证设备放入水里再开始工作就要将 PandaADCP-300K 设备开 启时间设置为 1.5 小时后也就是 12：00 正式启动，也为安装到支撑架及驶至测 试环境预留了足够的时间。

此次测试采用交替工作方式，保证每台设备每五分钟工作一次，现设置 PandaADCP-300K 设备启动时间为 12：00，那么 Workhorse Sentinel ADCP-300K 启动 时间则是 12：07，两台设备第一次输出结果是按照运算周期（2s）*测流 ping 数（150 次）即为 5 分钟，在第一次输出结果后面的每次输出时间都是按照工作 周期 TB（设置为 15 分钟）来运行，两台设备工作时间不低于 24 小时。

安装前准备物料： 电池、缆线、PandaADCP-300K 设备、Workhorse Sentinel ADCP-300K 设备，固定设备铜螺柱、螺母、橡胶垫、凯夫拉绳、浮球、坐底式支 撑架。

提前将 PandaADCP-300K 及 Workhorse Sentinel ADCP-300K 装配孔打好用于装配 设备，先将橡胶垫及设备孔位对齐，然后用长度适合的螺柱进行固定，再给每个 螺柱装配两个螺母以防松掉从而致使设备脱落，将电池舱用凯夫拉绳牢牢固定在 对应位置，再将 PandaADCP-300K 设备与电池用电缆相接，注意两台前进方向需完全 保持一致，此时设备已完全制备完成，再将支撑架四角绳子捆绑牢固并保证水平， 防止在放入湖底时发生侧翻。

图 3. 1.2 、码头安装设备过程图

在码头整备完成时间为 11：23 分，将整体支撑架放到船上并驶至测试区域；

到达测试区域时间为 11：40 分，开始将设备投入湖中；

图 3. 1.5 、设备布防成功图

设备到达湖底即可将浮球放入湖中，支撑架的绳子与浮球相连，当回收设备 时找浮球位置即可。

图 3. 1.6 、浮球（设备）位置图

2023 年 3 月 21 日下午 13：00 前往测试地点回收设备；

图 3. 1.7 、回收浮球（设备）位置图

图 3. 1.8 、回收设备过程图

备注：参数配置

PandaADCP-300K 启动时间 TG:  2023 年 3 月 21 日 12:00:00

Workhorse Sentinel ADCP-300K 启动时间 TG: 2023 年 3 月 21 日 12:07:00 

定义：

EU：设置设备朝向(1--朝上、0--朝下)；

TB：设置 ping 与 ping 之间的间隔，即工作周期； 

TP：设置 ping 与 ping 之间的间隔，即发射周期； 

WP：设置测流的 ping 数；

WN：设置层数； 

WS：设置层厚；

EX：设置坐标系，0x11 代表大地坐标系； 

TO：设置工作时长；（配合 TG 使用）

TG：设置设备开始工作时间。

3.1.2    试验结果

PandaADCP 和 Workhorse 两款 300K 的 ADCP，均采用 PD0 的输出格式。为了使比 对的结果更加精确，利用Matlab 分别将两台设备存储的结果数据进行解包、比 对分析。

图 3. 1.9 、Workhorse 静态测流结果

图 3. 1.10 、PandaADCP 静态测流结果图

从测流结果的历程图可以看出，两台设备的静态测流范围基本一致，东向速 度 为 -0.1m/s~0.3m/s ， 北 向 速 度 为 -0.2m/s~0.3m/s ， 天 向 速 度 为 -0.08m/s~0.04m/s。

分别将三向速度所有测流 Ping 的结果进行统计分析，结果如下;

图 3. 1. 11 、三向速度多 Ping 测流结果图

从多 Ping测流结果也可以看出，两台设备的静态测流范围基本一致。 最后统计各 Ping测流的三向平均误差绝对值和误差率，如下图所示。

图 3. 1. 12 、三向速度相对偏差图

图 3. 1.13 、三向速度偏差率图

在坐底静态测流模式下，两台设备在大地坐标系下测量的水流速度值的相对 偏差小于 2%，可认定在静态测流模式下，PandaADCP 性能与 Workhorse 性能基本一致，满足国产化替代的要求。

3.2 走航式动态测试

3.2.1  试验过程

2023 年 3 月 24 日上午 9：00 开始固定 PandaADCP-300K 及 Workhorse Sentinel ADCP-300K 设 备 。PandaADCP-300K 设 备 安 装 在 船 的 右 舷 ，Workhorse Sentinel ADCP-300K 设备安装在船的左舷，首先安装进口设备，在码头上将其电缆穿过固 定杆内部以防在航行过程中受到水的阻力对缆线产生拽拉影响，然后将设备与固 定杆安装好，在固定杆与设备之间安装橡胶垫以防设备表面受到损坏，固定设备 时每个螺柱上需装配两个螺母以防设备在航行过程中脱落。

设备与固定杆安装完成后还要和船进行固定，首先将固定杆移至船头,使固 定杆与船上的固定架孔位对齐，并插入 M8 长螺柱将其固定在船上，装螺栓的时候务必注意固定杆中的缆线，将所有孔位都安装上螺栓螺母，以防设备在航行过 程中晃动从而影响测量数据的准确性。

图 3.2.2 、进口设备安装设备过程图

进口设备安装完成时间为上午 10：10 分，此时开始安装 PandaADCP-300K 设备， 和安装进口设备操作一致，同样将缆线从固定杆内穿过以防水的阻力太大拽拉缆 线，不同的操作是固定杆与船上的固定架先装配完成，直接将设备安装到固定架 即可，安装完毕即可将设备放入水中。

图 3.2.3 、国产设备安装过程图

设备制备好还需安装并调试 GPS，定制固定架有 GPS 专用螺杆，将 GPS 旋入 螺杆，串口通信线引入船舱内，连接电脑并配置好 GPS 所需输出模式 GPRMC，输 出频率 1Hz。

图 3.2.5 、GPS 安装图

图 3.2.6 、软件整备图

国产 PandaADCP-300K 设备、进口 Workhorse Sentinel ADCP-300K 及 GPS 所有准 备工作都已完成，时间为 11：00，准备进入走航模式测试。

此次走航比测共测八组，PandaADCP-300K 四组，Workhorse Sentinel ADCP-300K  四组，两台设备的前两组都是由东南湖码头驶至东南湖 70 米深区域（由南至北） 进行往返走航，后两组是由距离码头 500 米左右驶至千岛湖农夫山泉取水附近区  域进行往返走航。

走航比测也是采用交替发射工作方式，保证互不干涉。

进口设备领先工作，在 11:10-11:40 时段，由码头开往 70 米深区域，分辨 率为 1m，在 11:42-12:12 时段，返航，分辨率设置为2m。PandaADCP-300K在 12:20-12:50 时段是由码头开往 70 米深区域，分辨率也是 1m，返航时时间为 12：52-13：22 时 间段 ，此 时分辨率为 2m 。在 13:40-14:10 时 间段 ，Workhorse Sentinel ADCP-300K 分辨率为 4m，回程分辨率设置为 8m，在时间段 14:48-15:18 PandaADCP-300K开始工作，分辨率设置为4m，是由距离码头 500 米左右驶至千岛湖农夫山泉取水 附近区域，返航时分辨率设置为8m。具体参数设置见下表：

定义：

EU：设置设备朝向(1--朝上、0--朝下)；

TB：设置 ping 与 ping 之间的间隔，即工作周期； 

WN：设置层数；

WS：设置层厚；

EX：设置坐标系；

走航测试完成时间为 16：30（到达码头），开始拆设备

图 3.2.10 、拆卸 Workhorse Sentinel ADCP-300K 设备图

图 3.2. 11 、拆卸 PandaADCP-300K 设备图

3.2.2    试验结果

下面以 1m 和 2m 分辨率的测试结果进行详细比对，同样是用Matlab 对两台

设备存储的 PD0 结果进行解包、比对分析。

（1）1m 层厚测流结果比对

图 3.2. 12 、走航测流运行轨迹图-层厚 2m

从 GPS 记录的轨迹来看，1m 分辨率比测过程整体的运行轨迹从东南往西北运动。

图 3.2.13 、Workhorse 走航测流结果图-层厚 1m

图 3.2. 14 、PandaADCP走航测流结果图-层厚 1m

图 3.2.15 、三向速度多 Ping 测流结果图-层厚 1m

图 3.2.17 、三向速度偏率对比图

从测流比对结果可以看出，两台设备的动态测流范围基本一致，东向速度为 -2.5m/s~0.5m/s，北向速度为 2.5m/s~4.0m/s，天向速度为-0.05m/s~0.1m/s。且 PandaADCP 测流结果要比 Workhorse 更加稳定。

在走航测量模式下，1m 层厚的情况下，两台设备在大地坐标系下测量的水流 速度值的相对偏差小于2%。

（2）2m 层厚测流结果比对

从 GPS 记录的轨迹来看，2m 分辨率比测过程整体的运行轨迹从南往北运动。

图 3.2.19 、Workhorse 走航测流结果图-层厚 2m

图 3.2.20 、PandaADCP 走航测流结果图-层厚 2m

图 3.2.21 、三向速度多 Ping 测流结果图-层厚 2m

图 3.2.22 、三向速度相对偏差对比图

图 3.2.23 、三向速度偏率对比图

从测流比对结果可以看出，两台设备的动态测流范围基本一致，东向速度为

0.5m/s~2.0m/s，北向速度为-3.4m/s~-2.8m/s，天向速度为-0.06m/s~0.1m/s。

在走航测量模式下，2m 层厚的情况下，两台设备在大地坐标系下测量的水流 速度值的相对偏差小于2%。

综合走航测流数据分析比对结果，可认定在走航模式下，PandaADCP 性能与 Workhorse 性能基本一致，满足国产化替代的要求。

4. 试验结论

本次比测试验，采用我司研发生产的 PandaADCP-300K 和美国 TRDI 公司的 Workhorse Sentinel ADCP-300K 两型设备，分别 在坐底静态模式和走航模式下对测流性能进行综合比对。

为精确比对两者测量性能，利用Matlab 对两型设备存储的 PD0 结果数据进 行解析比较，比较结果表明无论是在静态模式和走航模式下，两者测量的水流速 度值的相对偏差小于2%，可认定两者测流性能一致，我司的 PandaADCP 可以替代TRDI 的高精度 ADCP 使用，后续采用PandaADCP 测量的流速剖面数据真实可信。