ISO 24578:2021
(Main)Hydrometry — Acoustic Doppler profiler — Method and application for measurement of flow in open channels from a moving boat
Hydrometry — Acoustic Doppler profiler — Method and application for measurement of flow in open channels from a moving boat
This document gives guidelines for the use of boat-mounted acoustic Doppler current profilers (ADCPs) for determining flow in open channels. It describes a number of methods of deploying ADCPs to determine flow. Although, in some cases, these measurements are intended to determine the stage-discharge relationship of a gauging station, this document deals only with single determination of discharge. ADCPs can be used to measure a variety of parameters, such as current or stream flow, water velocity fields, and channel bathymetry. As a potential application, an idea of bedload discharge can be obtained applying the bottom track velocity, while suspended sediment flow can be obtained applying the acoustic backscatter and the sonar equation. This document is generic in form and contains no operational details specific to particular ADCP makes and models.
Hydrométrie — Profileurs acoustiques à effet Doppler — Méthode et application pour le mesurage de l'écoulement à surface libre sur un bateau mobile
Le présent document fournit des recommandations relatives à l'utilisation des profileurs acoustiques de courant à effet Doppler (ADCP) depuis des bateaux pour déterminer le débit à surface libre. Il décrit un certain nombre de méthodes de déploiement d'ADCP afin de déterminer le débit. Bien que, dans certains cas, ces mesurages visent à déterminer la relation hauteur-débit d'une station hydrométrique, le présent document ne traite que de la détermination du débit. Les ADCP peuvent être utilisés pour mesurer divers paramètres, tels que le courant ou le débit d'un cours d'eau, les champs de vitesse de l'eau et la bathymétrie des chenaux. Une des applications potentielles consiste à estimer la charge de fond en appliquant la vitesse de suivi du fond, tandis que le débit des sédiments en suspension peut être approché en utilisant la rétrodiffusion acoustique et l'équation du sonar. Le présent document est général et ne contient aucun détail opérationnel spécifique à des marques et modèles particuliers d'ADCP.
General Information
Relations
Standards Content (Sample)
INTERNATIONAL ISO
STANDARD 24578
First edition
2021-03
Hydrometry — Acoustic Doppler
profiler — Method and application for
measurement of flow in open channels
from a moving boat
Hydrométrie — Profileurs acoustiques à effet Doppler — Méthode et
application pour le mesurage de l'écoulement à surface libre sur un
bateau mobile
Reference number
©
ISO 2021
© ISO 2021
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ii © ISO 2021 – All rights reserved
Contents Page
Foreword .v
Introduction .vi
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 1
4 Principles of the boat mounted ADCP method . 3
4.1 General . 3
4.2 Doppler principle applied to moving objects . 4
4.3 Acoustic Doppler current profiler techniques . 5
4.3.1 General. 5
4.3.2 Pulse incoherent. 5
4.3.3 Pulse-to-pulse coherent . 6
4.3.4 Broadband (Spread spectrum) . 6
4.4 Measurement of velocity profile . 6
4.4.1 General. 6
4.4.2 Measurement of relative velocity . 6
4.4.3 Measurement of boat velocity . 6
4.4.4 Near boundary data collection . 8
4.5 Speed of sound in water .10
5 Flow determination .11
5.1 General method .11
5.2 Measurement procedure .13
5.3 Method dealing with moving-bed condition without GNSS system . .15
5.3.1 General.15
5.3.2 Stationary moving-bed method .15
5.3.3 Azimuth method .16
5.3.4 Subsection correction method .16
5.3.5 Loop method .17
5.3.6 Mid-section method .19
6 Site selection .19
6.1 General .19
6.2 Site-selection criteria .20
7 ADCP Deployment procedure .21
7.1 Deployment techniques.21
7.1.1 General.21
7.1.2 Manned boat mounted .21
7.1.3 Tethered boat .21
7.1.4 Deployment on a remote-control craft .22
7.1.5 Data retrieval modes .22
7.2 Operation of boat .22
7.2.1 Boat path .22
7.2.2 Boat speed .23
7.3 Field procedures .23
7.3.1 Pre-field procedures .23
7.3.2 Field setup .23
7.3.3 Reviewing ADCP data during measurement .26
7.3.4 Post measurement requirements .26
7.4 Ancillary equipment .27
7.5 Other consideration .27
7.5.1 Edge distances .27
7.5.2 Depth measurements at sites with high sediment concentrations .27
7.5.3 GNSS compass .28
7.6 Maintenance and ADCP checks .28
7.6.1 General.28
7.6.2 Built-in diagnostic check .28
7.6.3 Periodic major service in the manufacturer .28
7.6.4 Periodic ADCP performance check .28
7.6.5 Physical maintenance .28
7.6.6 Beam-alignment test .28
7.7 Training .29
8 Uncertainty .29
8.1 General .29
8.2 Definition of uncertainty .29
8.3 Uncertainties in ADCP measurements — General considerations .30
8.4 Sources of uncertainty .30
8.5 Minimizing uncertainties .31
Annex A (informative) Velocity distribution theory and the extrapolation of velocity profiles .32
Annex B (informative) Determination of edge discharges .34
Annex C (informative) Example of an equipment check list .36
Annex D (informative) Example of ADCP gauging field sheets .38
Annex E (informative) Beam alignment test .42
Annex F (informative) Uncertainty evaluation methods .44
Bibliography .45
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Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards
bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out
through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical
committee has been established has the right to be represented on that committee. International
organizations, governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work.
ISO collaborates closely with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of
electrotechnical standardization.
The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are
described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular, the different approval criteria needed for the
different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the
editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2 (see www .iso .org/ directives).
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of
patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights. Details of
any patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or
on the ISO list of patent declarations received (see www .iso .org/ patents).
Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not
constitute an endorsement.
For an explanation of the voluntary nature of standards, the meaning of ISO specific terms and
expressions related to conformity assessment, as well as information about ISO's adherence to the
World Trade Organization (WTO) principles in the Technical Barriers to Trade (TBT), see www .iso .org/
iso/ foreword .html.
This document was prepared by Technical Committee ISO/TC 113 Hydrometry, Subcommittee SC 1
Velocity area methods.
This first edition of ISO 24578 cancels and replaces ISO/TR 24578:2021, which has been technically
revised.
The main changes compared to the previous edition are as follows:
— the title has been modified to read "Hydrometry — Acoustic Doppler profiler — Method and
application for measurement of flow in open channels from a moving boat".
Any feedback or questions on this document should be directed to the user’s national standards body. A
complete listing of these bodies can be found at www .iso .org/ members .html.
Introduction
The term acoustic Doppler current profilers (ADCP) has been adopted as a generic term for a technology
that is manufactured by various companies worldwide. They are also called acoustic Doppler velocity
profilers (ADVPs) or acoustic Doppler profilers (ADPs).
To use this document effectively, it is essential that users are familiar with the terminology and
functions of their own ADCP equipment. Users should also be familiar with additional requirements.
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 24578:2021(E)
Hydrometry — Acoustic Doppler profiler — Method and
application for measurement of flow in open channels
from a moving boat
1 Scope
This document gives guidelines for the use of boat-mounted acoustic Doppler current profilers (ADCPs)
for determining flow in open channels. It describes a number of methods of deploying ADCPs to
determine flow. Although, in some cases, these measurements are intended to determine the stage-
discharge relationship of a gauging station, this document deals only with single determination of
discharge.
ADCPs can be used to measure a variety of parameters, such as current or stream flow, water velocity
fields, and channel bathymetry. As a potential application, an idea of bedload discharge can be
obtained applying the bottom track velocity, while suspended sediment flow can be obtained applying
the acoustic backscatter and the sonar equation. This document is generic in form and contains no
operational details specific to particular ADCP makes and models.
2 Normative references
The following documents are referred to in the text in such a way that some or all of their content
constitutes requirements of this document. For dated references, only the edition cited applies. For
undated references, the latest edition of the referenced document (including any amendments) applies.
ISO 772, Hydrometry — Vocabulary and symbols
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 772 and the following apply.
ISO and IEC maintain terminological databases for use in standardization at the following addresses:
— ISO Online browsing platform: available at https:// www .iso .org/ obp
— IEC Electropedia: available at http:// www .electropedia .org/
3.1
transducer depth
ADCP depth
draft
depth of the ADCP transducers below the water surface during deployment (3.6)
Note 1 to entry: The ADCP depth should be measured manually.
3.2
bin
depth cell
truncated cone-shaped volume of water at a known distance and orientation from the transducers
Note 1 to entry: The ADCP determines an estimated velocity for each cell using a centre-weighted averaging
scheme, which takes account of the water not only in the bin itself but also in the two adjacent bins.
3.3
blanking distance
blank
distance travelled by the signal when the vibration of the transducer during transmission prevents the
transducer from receiving echoes or return signals
Note 1 to entry: This is the distance immediately below the ACDP transducers in which no measurement is taken.
Note 2 to entry: The distance should be the minimum possible. However, care should be taken not to make the
distance too short in order to avoid signal contamination by ringing or bias due to flow disturbance.
3.4
bottom tracking
acoustic method used to measure boat speed and direction by computing the Doppler shift of sound
reflected from the stream bed relative to the ADCP
Note 1 to entry: With no moving bed, the discharge can be computed with bottom velocity and water velocity data
because this is done in ADCP coordinates not earth coordinates. With moving bed, the use of a Global Navigation
Satellite System (GNSS) or loop-corrected data using a calibrated compass is required.
3.5
real-time mode
mode in which the ADCP relays information to the operating computer as it gathers it
Note 1 to entry: The ADCP and computer are connected (physically or wireless) throughout the deployment (3.6)
in this mode.
3.6
deployment
ADCP initialized and activated to collect data while the ADCP is propelled across the section to
record data
Note 1 to entry: A deployment typically includes several pairs of transects (3.11) or traverses across a river or
estuary.
3.7
deployment method
technique used to propel the ADCP across a watercourse
Note 1 to entry: One of three different deployment methods is used: a manned boat; a tethered boat; or a remote-
controlled boat.
3.8
ensemble
profile
single measurement of the water column
Note 1 to entry: A column of bins (3.2) is equivalent to a vertical in conventional current meter gauging.
3.9
ping
entirety of the sound generated by an ADCP transducer for a single measurement cycle
Note 1 to entry: Sound pulses transmitted by the ADCP for a single measurement.
3.10
self-contained mode
autonomous mode
data retrieval mode in which the ADCP stores the information it gathers within its own memory and
then downloaded to a computer after deployment (3.6)
Note 1 to entry: This method is generally not used by majority of ADCP practitioners nor recommended by the
majority of hydrometric practitioners.
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3.11
transect
pass
one sweep across the watercourse during an ADCP deployment (3.6)
Note 1 to entry: In the self-contained mode (3.10), a deployment can consist of any number of transects.
4 Principles of the boat mounted ADCP method
4.1 General
The ADCP is a device for measuring current velocity and direction, throughout the water column, in
an efficient and non-intrusive manner. It can produce an instantaneous velocity profile through the
water column while disturbing only the top few decimetres. ADCPs nominally work using the Doppler
principle (see 4.2). An ADCP is usually a cylinder with a transducer head on the end (see Figure 1). The
transducer head is typically a ring of three or more acoustic transducers with their faces angled to
the horizontal and at specified angles to each other. Some ADCPs use phased array transducers, which
contain many elements that can form multiple beams at various angles, depending on transducer
design. A single phased array transducer can form the three or more beams needed for an ADCP.
Key
1 forward
2 port or left
3 starboard or right
4 aft or backward
NOTE ADCP can work in any position or orientation; this figure is an indicative illustration.
Figure 1 — Example sketch illustrating typical ADCP with four transducers
The ADCP, which was originally developed for oceanographic work, has since been developed for use in
estuaries and rivers. An ADCP can be mounted on a boat, flotation collar, or raft, and propelled across
a river (see Figure 2). The ADCP collects velocity data, direction of flow, depth data, and boat speed,
direction, and position. With such information, discharge values are independent of the path; in other
words, the route taken does not need to be straight or perpendicular to the bank.
Key
1 start
2 path of boat
3 path of boat on river bottom
4 flow velocity vectors
5 finish
Figure 2 — Sketch illustrating moving — Boat ADCP deployment principles
4.2 Doppler principle applied to moving objects
The ADCP uses ultrasound to measure water velocity using a principle of physics discovered by
Christian Doppler. The reflection of sound waves from a moving particle causes a change in frequency
to the reflected sound wave. The difference in frequency between the transmitted and reflected sound
wave is known as the Doppler shift (see Figure 3).
It should be noted that only the component of velocity parallel to the direction of the sound wave
produces a Doppler shift. Thus, particles moving at right angles to the direction of the sound waves (i.e.
with no velocity components in the direction of the sound wave) will not produce a Doppler shift.
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Figure 3 — Reflection of sound — Waves by a moving particle results in an apparent change in
the frequency of those sound waves
Doppler’s principle relates the change in frequency to the relative velocities of the source (reflector)
and the observer. In the case of most ADCPs, the transmitted sound is reflected off particulates or air
bubbles in the water column and reflected back to the transducer. It is assumed that the particulates
move at the same velocity as the water and, from this, the frequency shift can be translated to a velocity
magnitude and direction. The particulates in the river are generally suspended sediments (SS). A very
low SS concentration results in no data because there is no return signal, while a very high SS disrupts
the signal, and also results in no data. Therefore, ADCP frequency shall be chosen according to these
criteria. The more suspended sediment that are in water, the lower the ADCP operating frequency
should be. In addition to that, it should also be noted that excessive air bubbles can cause distortion in,
or loss of, the returned signal. Furthermore, air bubbles naturally rise and therefore are likely not to be
travelling in a representative magnitude and direction.
4.3 Acoustic Doppler current profiler techniques
4.3.1 General
There are three general types of ping configuration and processing algorithms used in ADCPs:
— pulse incoherent (including narrowband) — Doppler shift long pulse,
— pulse-to-pulse coherent — Doppler shift short pulse, and
— broad band (spread spectrum) — phase shift on two short pulses.
Reference should be made to the ADCP manual to determine the type being used.
4.3.2 Pulse incoherent
An incoherent ADCP transmits a single, relatively long, pulse of sound and measures the Doppler shift,
which is used to calculate the velocity of the particles along the path of the acoustic beam. The velocity
measurements made using incoherent processing are very robust over a large velocity range, although
they have a relatively high short-term (single ping) uncertainty. To reduce the uncertainty, multiple
pulses are transmitted over a short time period; these are then averaged before reporting a velocity.
“Narrowband” is used in the industry to describe a pulse-to-pulse incoherent ADCP. In a narrowband
ADCP, only one pulse is transmitted into the water per beam per measurement (ping), and the resolution
of the Doppler shift shall take place during the duration of the received pulse. The narrowband acoustic
pulse is a simple monochromatic wave and can be processed quickly.
4.3.3 Pulse-to-pulse coherent
Coherent ADCP systems are the most accurate of the three, although they have significant range
limitations. Coherent systems transmit one, relatively short pulse, record the return signal, and then
transmit a second short pulse when the return from the first pulse is no longer detectable. The ADCP
measures the phase difference between the two returns and uses this to calculate the Doppler shift.
Velocity measurements made using coherent processing are very precise (low short-term uncertainties),
but they have significant limitations. Coherent processing will work only in limited depth ranges and
with a significantly limited maximum velocity. If these limitations are exceeded, velocity data from a
coherent Doppler system are effectively meaningless.
4.3.4 Broadband (Spread spectrum)
Like coherent systems, broadband ADCP systems transmit two pulses and look at the phase change of the
return from successive pulses. However, with broadband systems, both acoustic pulses are within the
profiling range at the same time. The broadband acoustic pulse is complex; it has a code superimposed
on the waveform. The code is imposed on the wave form by reversing the phase and creating a pseudo-
random code within the wave form. This pseudo-random code allows a number of independent samples
to be collected from a single ping. Due to the complexity of the pulse, the processing is slower than in a
narrowband system; however, multiple independent samples are obtained from each ping.
The short-term uncertainty of velocity measurements using broadband processing is between that of
incoherent and coherent systems. Broadband systems are capable of measuring over a wider velocity
range than coherent systems; although, if this range is exceeded, the velocity data will be rendered
meaningless. The accuracy and maximum velocity range of a broadband system is a function of the
precise processing configuration used.
4.4 Measurement of velocity profile
4.4.1 General
ADCPs measure velocity profiles relative to the ADCP. In order to obtain an absolute velocity profile, a
combination of relative velocity and boat velocity are necessary.
4.4.2 Measurement of relative velocity
The velocity is measured as a centre-weighted average that spans the cells above and below as
described in 4.3 and the result is reported at the depth of the cell centre. With these results and using
trigonometric relations, a 3-dimensional water velocity is computed and assigned to a given depth cell
in the water column. Although this is analogous to a velocity profile obtained from a point velocity
meter, the entire measurable region of the water column is sampled by the ADCP. Acoustic pulse
requires to be stabilized, in order to obtain data. The blanking distance exits in order for acoustic pulse
to stabilize (see Figure 4).
4.4.3 Measurement of boat velocity
4.4.3.1 Bottom tracking
The ADCP can use the Doppler principle to track their movements across a channel using a technique
called “bottom tracking”. Bottom-tracking measurements are similar to water-velocity measurements,
but separate pulses are used. Bottom-tracking pings are longer than water pings. These pings are also
used to measure the depth of water. The sound pulses are reflected from the stream bed and used to
calculate the velocity of the ADCP relative to the bed. ADCPs may also have an on-board compass and
can combine this data with bottom-tracking data to determine boat direction and speed assuming the
stream bed is stable.
In order to conduct the water and bottom tracking measurements, first, the ADCP sends a pulse to
measure the boat velocity which is just the opposite of bottom velocity relative to the ADCP. Second,
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the ADCP sends a pulse to measure water velocity relative to the ADCP. Third, the ADCP combines these
two velocity vectors (water and boat) to compute the absolute water velocity. To do this with accuracy,
two conditions shall be met.
a) The stream bed should not move, otherwise the water velocity can be under estimated. In this case,
Global Navigation Satellite System (GNSS) should be implemented or special treatments shall be
taken care as described in 5.3.
b) The boat should not move or rotate between the pulse for bottom velocity and the pulse for
water velocity. Otherwise, there is an angle error between the velocity water vector and the boat
velocity vector.
To ensure that these conditions are met:
1) test for a moving stream bed using a stationary method, loop test, or GNSS;
2) deployment of boat has to be smooth and even, and slow relative to the water velocity.
4.4.3.2 Global Navigation Satellite System (GNSS)
A GNSS may be integrated with an ADCP to provide position and boat velocity data. This is used as
an alternative to bottom tracking when the bed is unstable due to high bedload discharge or when
bottom tracking is unable to accurately determine bed level due, for example, to vegetation growth
or heavy suspended sediments. It is important to implement the most accurate GNSS system available
to users. The accuracy of the GNSS may be affected by trees or buildings on the river bank on narrow
rivers. When GNSS can only sight four or less satellites at one time, the accuracy of the ADCP is reduced
considerably. The GNSS system should warn the user when this occurs.
Key
1 cell/bin 1
2 cell/bin 2
3 cell/bin 3
4 cell/bin n
5 blanking distance
Figure 4 — ADCP depth cells or bins
4.4.4 Near boundary data collection
The angle of the ADCP transducers varies depending on the manufacturer and type. It typically ranges
between 20° and 30° from the vertical. The ADCP cannot measure all the way to the stream bed. When
acoustic transducers produce sound, most of the energy is transmitted in the main beam. However,
there are also side lobes that contain less energy that propagate from the transducer as well. These
side lobes do not pose a problem in most of the water column because they emit low energy. However,
when the side lobe strikes the stream bed, the stream bed is a good reflector of this acoustic energy,
and much of the energy is reflected back to the transducer. Due to the slant of the beams, the acoustic
energy in the main beam reflects off scatterers in the water column near the bed at the same time that
a vertical side lobe reflects from the stream bed. The energy in the main beam reflected from these
scatterers in the water column is relatively low compared to the energy in the side lobe returned from
the stream bed, which may contaminate the velocity measurement near the bed. Therefore, there is an
8 © ISO 2021 – All rights reserved
area near the bottom that cannot be measured due to side-lobe interference. This distance is computed
as shown in Formula (1):
[1 − cos(θ)] × 100 (1)
where θ is beam angle.
Thus, for a 20°system, it is 6 % of the range from the transducer. As the profile approaches the boundary,
interference occurs due to reflection of side-lobe energy taking a direct (shorter) path to the boundary
(see Figure 5).
Key
1 side lobe
2 main beam
3 maximum slant range
4 depth of sensor and draft of boat
5 blanking distance
6 depth of measured discharge
7 side-lobe interference
8 stream bed
Figure 5 — Depth zones within the water column
To ensure that there is no bias in the velocity estimate, the ADCP and its software should ignore that
portion of the water column affected by side-lobe contamination near the bed. This is undertaken
automatically by the ADCPs in current use. The user manual should provide information on this.
To measure the velocity at a precise depth, it is necessary to have a reliable measurement on three
beams at this depth. Any data beyond the range of the shortest beam is suspect because it may be
contaminated by reflections from the boundary of the shortest beam. Only data above the shortest
beam should be used.
As illustrated in Figure 6, the ADCP is unable to make velocity measurements in three areas:
— near the surface (due to the depth at which the ADCP is located in the water and, added to this, the
blanking distance);
— near the bed (due to side lobe interference, channel undulations and acoustic reflections caused at
the bed);
— near the channel edges (due to a lack of sufficient water depth or to acoustic interference from
signals returned from the bank).
Key
1 measured area
2 near the surface as unmeasured area
3 near the bed as unmeasured area
4 edge as unmeasured area
NOTE Velocity is only measured in the central area, elsewhere it is estimated by extrapolation.
Figure 6 — Measured and un-measured area
4.5 Speed of sound in water
The calculated velocity is directly related to the speed of sound in the water. The speed of sound varies
significantly with changes in pressure, water temperature, and salinity, but is most sensitive to changes
in water temperature. Most manufacturers of ADCP systems measure water temperature near the
transducer faces and apply correction factors to allow for temperature related differences in the speed
of sound. Temperature changes that occur with depth do not affect the horizontal velocity but will
affect the measured depth. If ADCPs do not have temperature compensation facilities, user should avoid
to use it, or the user shall measure the water temperature with a thermometer or another sensor at the
time of the ADCP data collection.
NOTE 1 In most well-mixed rivers, the temperature is the same or nearly the same from top to bottom.
NOTE 2 Most post-processing software can reprocess the data with a measured water temperature when the
internal sensor malfunctions.
If the ADCP is to be used in waters of varying salinity, the software used to collect data should have the
facility to correct for salinity.
10 © ISO 2021 – All rights reserved
a) Sound speed as a function of temperature b) Salinity at different temperature level
at different salinity levels
Figure 7 — Effect of temperature and salinity on the speed of sound
Figure 7 indicates the effect of temperature and salinity on the speed of sound. As a general rule:
— a temperature change of 5 °C results in a sound speed change of 1 % to 2 %;
— a salinity change of 12 ppt (parts per thousand) results in a change in sound speed of 1 %; freshwater
is 0 ppt and seawater is in the region of 30 ppt to 35 ppt);
— the full range of typical temperature and salinity levels (−2 °C to 40 °C and 0 to 40 ppt) gives a sound
speed range of 1 400 m/s to 1 570 m/s (total change of 11 %).
5 Flow determination
5.1 General method
In order to determine the discharge, it is necessary to obtain velocity profiles. The velocity profiles can be
determined with flow data obtained by ADCP, and a boat velocity obtained by either bottom tracking or
GNSS (see 4.4.3). Care should be taken when the boat velocity cannot be appropriately obtained (see 5.3).
An ADCP determines the velocity in each depth cell (see Figure 8). Knowing the depth cell size and
distance between successive ensembles, the discharge for that cell can be computed. The velocities
in the unmeasured areas of the cross section are extrapolated from those of the depth cells. For
example, these are at the top near the surface, at the bottom near the stream bed, and at the right
and left bank, where the ADCP cannot measure. The discharge for top and bottom unmeasured area
is estimated using an appropriate extrapolation technique (see Annex A) and added to that through
the measured area to produce a total discharge for each ensemble. The discharge for the portion of the
cross section where measurements are made is the sum of the ensemble discharges. The discharge in
the unmeasured portions between the start bank and the first ensemble and between the last ensemble
and the finish bank are determined using an appropriate algorithm (see Annex B). The discharge in the
unsampled portion is then added to the total ensemble discharge to estimate the total discharge in the
cross section.
This can be represented mathematically, as shown in Formulae (2) and (3):
N
M j
Qq=+q (2)
∑∑
teij,
j=1i=1
where
Q is the total discharge in the cross section;
t
q are the incremental discharges through each measured depth cell in the cross section;
i,j
q are the extrapolated discharges through the unmeasured areas in the cross section;
e
i is the cell index in the vertical;
M is the number of ensemble in the transect;
j is the ensemble index in the horizontal;
N is the number of cells in the jth ensemble.
j
qq=+qq++q (3)
elbrbtop b
where
q is the discharge at the left bank edge by velocity extrapolation;
lb
q is the discharge at the right bank edge by velocity extrapolation;
rb
q is the discharge in top portion determined by the ADCP by velocity profile extrapolation;
top
q is the discharge in bottom portion determined by the ADCP by velocity profile extrapolation.
b
Key
1 ensemble
2 cell size
a
Flow.
Figure 8 — Measured area of the channel cross section, divided into individual ensembles
and bins
12 © ISO 2021 – All rights reserved
To produce a discharge estimate, the ADCP shall cross a river with its transducers submerged to a known
constant depth. This is best achieved by mounting the ADCP on a boat or a flotation platform. Different
manufacturers supply different platforms, or one can be constructed locally. It is important to ensure
that the flotation platform is suitable for the expected water velocity range for which measurement is
about to be undertaken. Platforms may capsize if the water velocity is too high.
The edge discharge is estimated with the averaging ensemble from the first ensembles or the end
ensembles. Indeed, these ensembles shall be representative of the velocity near the bank. The ADCP
needs to be stationary as long as necessary to make a good measurement: in practice 5 or 10 ensembles
at the start or end point.
There can be other parts of a transect which shall be extrapolated, such as a bad cell. For example, a
bad cell is a bin which the signal cannot be analysed due to bad signal correlation or when the error
velocity is too high due to inhomogeneous flow. The error velocity is the difference in velocity between
the vertical velocity obtained by two pairs of beams in the perpendicular plane. If bad cells exist for the
entire vertical, then this is a bad ensemble. A bad ensemble will also occur if the ADCP cannot measure
the boat velocity.
Different manufactures have different approaches to estimating data for bad cells or ensembles.
It is necessary to relocate the boat or flotation platform and perform a new measurement to reduce
uncertainty.
For all of these reasons, it is necessary that manufacturer provide enough details to know how the
ADCP software works.
5.2 Measurement procedure
The procedures to adopt when undertaking a discharge measurement should include, but are not
necessarily limited to, the following.
a) Under steady flow conditions, make an even number of transects (at least two reciprocal pairs)
having a total exposure time of 720 s or greater, regardless of the size of rivers. The mean of transect
discharges is taken as the measured discharge, denoted by Q . This measured discharge Q
mean mean
is accepted only if its associated relative expanded uncertainty, denoted by REU, is equal to or
smaller than the maximum permissible relative uncertainty (MPRU = 4,09 %). This uncertainty-
based quality control criterion is written as shown in Formula (4):
U
REUM=≤ PRU=40,%9 (4)
Q
m
where U is the expanded uncertainty with a coverage factor of 2. It is estimated with the transect
discharges; Q , (a sample). See Formula (5):
i
s
U =19, 6 n = 2, 4, 6, or… even number (5)
cn
where
n
s= QQ− ;
()
∑ i m
n−1
i=1
c is the bias-correction factor for s;
2 nn−1
c = ΓΓ ;
n−12 2
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 24578
Première édition
2021-03
Hydrométrie — Profileurs acoustiques
à effet Doppler — Méthode et
application pour le mesurage de
l'écoulement à surface libre sur un
bateau mobile
Hydrometry — Acoustic Doppler profiler — Method and application
for measurement of flow in open channels from a moving boat
Numéro de référence
©
ISO 2021
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Publié en Suisse
ii © ISO 2021 – Tous droits réservés
Sommaire Page
Avant-propos .v
Introduction .vi
1 Domaine d'application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 1
4 Principes de la méthode d'utilisation d'ADCP depuis un bateau . 3
4.1 Généralités . 3
4.2 Principe de l'effet Doppler appliqué aux objets en mouvement . 5
4.3 Techniques des profileurs acoustiques de courant à effet Doppler . 6
4.3.1 Généralités . 6
4.3.2 Pulse incoherent. 6
4.3.3 Pulse-to-pulse coherent . 7
4.3.4 Broadband (spread spectrum) . 7
4.4 Mesurage du profil de vitesse . 7
4.4.1 Généralités . 7
4.4.2 Mesurage de la vitesse relative . 7
4.4.3 Mesurage de la vitesse du bateau . 8
4.4.4 Collecte de données proche de la limite . 9
4.5 Vitesse du son dans l'eau .11
5 Détermination du débit .12
5.1 Méthode générale .12
5.2 Mode opératoire de mesurage .15
5.3 Méthode de traitement en cas de fond mobile sans système GNSS.17
5.3.1 Généralités .17
5.3.2 Méthode stationnaire pour le fond mobile.17
5.3.3 Méthode azimutale .17
5.3.4 Méthode de correction de sous-section .18
5.3.5 Méthode de la boucle .19
5.3.6 Méthode de la section médiane.20
6 Sélection de sites .21
6.1 Généralités .21
6.2 Critères de sélection des sites .22
7 Mode opératoire de déploiement de l'ADCP .22
7.1 Techniques de déploiement .22
7.1.1 Généralités .22
7.1.2 Utilisation depuis un bateau à équipage .22
7.1.3 Utilisation depuis un support flottant attaché .23
7.1.4 Déploiement à partir d'un navire commandé à distance .24
7.1.5 Modes de récupération de données .24
7.2 Fonctionnement du bateau.24
7.2.1 Trajectoire du bateau .24
7.2.2 Vitesse du bateau . .24
7.3 Modes opératoires de terrain .25
7.3.1 Modes opératoires préalables aux opérations sur le terrain .25
7.3.2 Configuration sur le terrain .25
7.3.3 Examen des données de l'ADCP pendant le mesurage .28
7.3.4 Exigences post-mesurage .28
7.4 Équipement auxiliaire .29
7.5 Autres considérations .29
7.5.1 Distances par rapport aux rives .29
7.5.2 Mesurages de profondeur sur les sites présentant de fortes
concentrations de sédiments .30
7.5.3 Compas GNSS .30
7.6 Maintenance et contrôles de l'ADCP .30
7.6.1 Généralités .30
7.6.2 Contrôle de diagnostic intégré .30
7.6.3 Entretien majeur périodique chez le fabricant .30
7.6.4 Contrôle périodique de la performance de l'ADCP .31
7.6.5 Maintenance physique .31
7.6.6 Essai d'alignement des faisceaux .31
7.7 Formation .31
8 Incertitude .32
8.1 Généralités .32
8.2 Définition de l'incertitude .32
8.3 Incertitudes des mesurages par ADCP — Considérations d'ordre général .32
8.4 Sources d'incertitude .33
8.5 Réduction des incertitudes .34
Annexe A (informative) Théorie de la distribution des vitesses et extrapolation des profils
de vitesse .35
Annexe B (informative) Détermination des débits de bord .37
Annexe C (informative) Exemple de liste de contrôle d'équipement.39
Annexe D (informative) Exemple de fiches de terrain pour jaugeage par ADCP .41
Annexe E (informative) Essai d'alignement des faisceaux .45
Annexe F (informative) Méthodes d'évaluation de l'incertitude .47
Bibliographie .48
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Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes
nationaux de normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est
en général confiée aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude
a le droit de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales,
gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux.
L'ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (IEC) en ce qui
concerne la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier, de prendre note des différents
critères d'approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a été
rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2 (voir www
.iso .org/ directives).
L'attention est attirée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable
de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence. Les détails concernant
les références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de
l'élaboration du document sont indiqués dans l'Introduction et/ou dans la liste des déclarations de
brevets reçues par l'ISO (voir www .iso .org/ brevets).
Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données
pour information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un
engagement.
Pour une explication de la nature volontaire des normes, la signification des termes et expressions
spécifiques de l'ISO liés à l'évaluation de la conformité, ou pour toute information au sujet de l'adhésion
de l'ISO aux principes de l’Organisation mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles
techniques au commerce (OTC), voir www .iso .org/ avant -propos.
Le présent document a été élaboré par le comité technique ISO/TC 113, Hydrométrie, sous-comité SC 1,
Méthodes d’exploitation du champ des vitesses.
Cette premiere édition de l'ISO 24578 annule et remplace l'ISO/TR 24578:2021, qui a fait l’objet d’une
révision technique.
Les principales modifications par rapport à l’édition précédente sont les suivantes:
— le titre a été modifié pour lire " Hydrométrie — Profileurs acoustiques à effet Doppler — Méthode
et application pour le mesurage de l'écoulement à surface libre sur un bateau mobile".
Il convient que l’utilisateur adresse tout retour d’information ou toute question concernant le présent
document à l’organisme national de normalisation de son pays. Une liste exhaustive desdits organismes
se trouve à l’adresse www .iso .org/ fr/ members .html.
Introduction
Le terme « profileurs acoustiques de courant à effet Doppler » (ADCP) a été adopté comme terme
générique pour désigner une technologie fabriquée par différentes entreprises dans le monde entier.
On les appelle aussi profileurs acoustiques de vitesse à effet Doppler (ADVP) ou profileurs acoustiques
à effet Doppler (ADP).
Pour utiliser efficacement ce document, il est essentiel que les utilisateurs soient familiarisés avec la
terminologie et les fonctions de leur propre équipement ADCP. Il convient également que les utilisateurs
soient familiarisés avec les exigences supplémentaires.
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NORME INTERNATIONALE ISO 24578:2021(F)
Hydrométrie — Profileurs acoustiques à effet Doppler —
Méthode et application pour le mesurage de l'écoulement à
surface libre sur un bateau mobile
1 Domaine d'application
Le présent document fournit des recommandations relatives à l'utilisation des profileurs acoustiques
de courant à effet Doppler (ADCP) depuis des bateaux pour déterminer le débit à surface libre. Il décrit
un certain nombre de méthodes de déploiement d'ADCP afin de déterminer le débit. Bien que, dans
certains cas, ces mesurages visent à déterminer la relation hauteur-débit d'une station hydrométrique,
le présent document ne traite que de la détermination du débit.
Les ADCP peuvent être utilisés pour mesurer divers paramètres, tels que le courant ou le débit
d'un cours d'eau, les champs de vitesse de l'eau et la bathymétrie des chenaux. Une des applications
potentielles consiste à estimer la charge de fond en appliquant la vitesse de suivi du fond, tandis que
le débit des sédiments en suspension peut être approché en utilisant la rétrodiffusion acoustique et
l'équation du sonar. Le présent document est général et ne contient aucun détail opérationnel spécifique
à des marques et modèles particuliers d'ADCP.
2 Références normatives
Les documents suivants sont cités dans le texte de sorte qu’ils constituent, pour tout ou partie de leur
contenu, des exigences du présent document. Pour les références datées, seule l’édition citée s’applique.
Pour les références non datées, la dernière édition du document de référence s'applique (y compris les
éventuels amendements).
ISO 772, Hydrométrie — Vocabulaire et symboles
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et les définitions de l'ISO 772 ainsi que les suivants
s’appliquent.
L’ISO et l’IEC tiennent à jour des bases de données terminologiques destinées à être utilisées en
normalisation, consultables aux adresses suivantes:
— ISO Online browsing platform: disponible à l’adresse https:// www .iso .org/ obp
— IEC Electropedia: disponible à l’adresse http:// www .electropedia .org/
3.1
profondeur du transducteur
profondeur de l'ADCP
tirant d'eau
profondeur des transducteurs de l'ADCP sous la surface de l'eau pendant le déploiement (3.6)
Note 1 à l'article: Il convient de mesurer manuellement la profondeur de l'ADCP.
3.2
bin
cellule de profondeur
volume d'eau de forme conique tronquée à une distance et une orientation connues par rapport aux
transducteurs
Note 1 à l'article: L'ADCP détermine une vitesse estimée pour chaque cellule en utilisant un schéma de calcul de
moyenne à pondération centrale tenant compte non seulement de l'eau à l'intérieur du « bin », mais aussi dans les
deux « bins » adjacents.
3.3
distance aveugle
blank
distance parcourue par le signal lorsque la vibration du transducteur durant la transmission empêche
le transducteur de recevoir des échos ou des signaux de retour
Note 1 à l'article: Il s'agit de la distance immédiatement au-dessous des transducteurs de l'ADCP dans laquelle
aucun mesurage n'est réalisé.
Note 2 à l'article: Il convient que la distance soit la plus petite possible. Il convient toutefois de veiller à ne pas
trop réduire la distance afin d'éviter toute contamination du signal par des sonneries ou un biais dû à une
perturbation du débit.
3.4
suivi de fond
méthode acoustique utilisée pour mesurer la vitesse et la direction du bateau en calculant le
décalage Doppler du son réfléchi par le lit du cours d'eau par rapport à l'ADCP
Note 1 à l'article: En l'absence de fond mobile, le débit peut être calculé à partir des données de la vitesse du
fond et de la vitesse de l'eau. En effet, cette opération est réalisée en coordonnées ADCP et non en coordonnées
terrestres. Dans le cas d'un fond mobile, l'utilisation d'un système mondial de navigation par satellite (GNSS) ou
de données corrigées par la méthode de la boucle à l'aide d'un compas calibré est nécessaire.
3.5
mode temps réel
mode dans lequel l'ADCP transmet les informations à l'ordinateur d'exploitation à mesure qu'il les
collecte
Note 1 à l'article: L'ADCP et l'ordinateur sont connectés (physiquement ou par liaison sans fil) tout au long du
déploiement (3.6) dans ce mode.
3.6
déploiement
ADCP initialisé et activé pour la collecte de données pendant qu'il est engagé à travers la section pour
enregistrer les données
Note 1 à l'article: Un déploiement comprend habituellement plusieurs paires de transects (3.11) ou de sections
transversales à travers une rivière ou un estuaire.
3.7
méthode de déploiement
technique utilisée pour déployer l'ADCP à travers un cours d'eau
Note 1 à l'article: Une des trois méthodes de déploiement suivantes est utilisée: un bateau à équipage, un support
flottant attaché ou un bateau commandé à distance.
3.8
ensemble
profil
mesurage simple de la colonne d'eau
Note 1 à l'article: Un ensemble de « bins » (3.2) est équivalent à une verticale de mesure obtenue par jaugeage à
l'aide d'un moulinet conventionnel.
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3.9
ping
totalité du son généré par le transducteur d'un ADCP pour un seul cycle de mesurage
Note 1 à l'article: Impulsions acoustiques transmises par l'ADCP pour un seul mesurage.
3.10
mode indépendant
mode autonome
mode de récupération de données dans lequel les informations recueillies par l'ADCP sont stockées
dans une mémoire embarquée, puis téléchargées vers un ordinateur après le déploiement (3.6)
Note 1 à l'article: En général, cette méthode n'est pas utilisée par la plupart des techniciens d'ADCP, elle n'est pas
non plus recommandée par la majorité des techniciens d'hydrométrie.
3.11
transect
passe
une traversée du cours d'eau pendant un déploiement (3.6) ADCP
Note 1 à l'article: En mode indépendant (3.10), un déploiement peut être constitué d'un nombre quelconque de
transects.
4 Principes de la méthode d'utilisation d'ADCP depuis un bateau
4.1 Généralités
L'ADCP est un dispositif permettant de mesurer la vitesse et la direction du courant, à travers la
colonne d'eau, de manière efficace et non intrusive. Il peut produire un profil de vitesse instantané
à travers la colonne d'eau en perturbant uniquement les quelques décimètres proches de la surface.
Le fonctionnement nominal des ADCP s'appuie sur le principe de l'effet Doppler (voir 4.2). Un ADCP
est généralement un cylindre dont l'extrémité est munie d'une tête équipée de transducteurs (voir
Figure 1). La tête est habituellement un anneau constitué de trois transducteurs acoustiques ou plus,
dont les faces sont inclinées par rapport à l'horizontale selon des angles spécifiés, les uns par rapport
aux autres. Certains ADCP utilisent des transducteurs à réseau phasé contenant de nombreux éléments
qui peuvent former plusieurs faisceaux à différents angles, selon la conception du transducteur. Un seul
transducteur à réseau phasé peut former les trois faisceaux ou plus nécessaires pour un ADCP.
Légende
1 avant
2 bâbord
3 tribord
4 arrière
NOTE Un ADCP peut fonctionner dans toute position ou orientation; la présente figure est présentée à titre
indicatif.
Figure 1 — Exemple de croquis illustrant un ADCP type avec quatre transducteurs
L'ADCP, qui a été développé à l'origine pour des travaux océanographiques, a depuis été adapté en vue
d'une utilisation dans les estuaires et les rivières. Un ADCP peut être monté sur un bateau, un support de
flottaison ou un radeau et engagé à travers une rivière (voir Figure 2). L'ADCP recueille des données de
vitesse, la direction de l'écoulement, des données de profondeur et la position, la direction et la vitesse
du bateau. Avec de telles informations, les mesures de débit sont indépendantes de la trajectoire; en
d'autres termes, il n'est pas nécessaire que l'itinéraire emprunté soit droit ou perpendiculaire à la rive.
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Légende
1 départ
2 trajectoire du bateau
3 trajectoire du bateau par rapport au fond de la rivière
4 vecteurs de vitesse du débit
5 arrivée
Figure 2 — Croquis du principe de déploiement d'un ADCP monté sur un bateau mobile
4.2 Principe de l'effet Doppler appliqué aux objets en mouvement
L'ADCP utilise les ultrasons pour mesurer la vitesse de l'eau à l'aide d'un principe physique découvert
par Christian Doppler. La réflexion des ondes sonores d'une particule en mouvement entraîne un
changement de fréquence de l'onde sonore réfléchie. La différence de fréquence entre l'onde sonore
transmise et l'onde sonore réfléchie est connue sous le nom de décalage Doppler (voir Figure 3).
Il convient de noter que seules les composantes de vitesse parallèles à la direction de l'onde sonore
produisent un décalage Doppler. Ainsi, les particules se déplaçant perpendiculairement à la direction
des ondes sonores (c'est-à-dire sans composante de vitesse dans la direction de l'onde sonore) ne
produiront aucun décalage Doppler.
Figure 3 — Réflexion des ondes sonores émises par une particule en mouvement entraînant un
changement apparent de la fréquence de ces ondes sonores
Le principe de l'effet Doppler relie le changement de fréquence aux vitesses relatives de la source
(réflecteur) et de l'observateur. Dans le cas de la plupart des ADCP, le son transmis est réfléchi par
des particules ou des bulles d'air dans la colonne d'eau et renvoyé vers le transducteur. Il est supposé
que les particules se déplacent à la même vitesse que l'eau, ce qui permet de traduire le décalage de
fréquence en amplitude et en direction de vitesse. Les particules dans la rivière sont généralement des
sédiments en suspension. Une concentration de sédiments en suspension trop faible ne permet d'obtenir
aucune donnée en raison de l'absence de signal de retour, tandis qu'une concentration de sédiments
en suspension trop élevée perturbe le signal, ce qui entraîne également l'obtention de mauvaises
données. Par conséquent, la fréquence de l'ADCP doit être choisie en fonction de ces critères. Plus il y a
de sédiments en suspension dans l'eau, plus il convient que la fréquence de fonctionnement de l'ADCP
soit basse. Il convient en outre de noter qu'une quantité excessive de bulles d'air peut provoquer une
distorsion ou une perte du signal renvoyé. De plus, les bulles d'air s'élèvent naturellement et sont donc
susceptibles de ne pas se déplacer selon une direction et une amplitude représentatives de la vitesse.
4.3 Techniques des profileurs acoustiques de courant à effet Doppler
4.3.1 Généralités
Les ADCP utilisent trois principaux types d'algorithmes de configuration et de traitement du ping:
— pulse incoherent (y compris à bande étroite) — décalage Doppler à impulsion longue;
— pulse-to-pulse coherent — décalage Doppler à impulsion courte; et
— broadband (spread spectrum) — déphasage sur deux impulsions courtes.
Il convient de se référer au manuel de l'ADCP afin de déterminer le type utilisé.
4.3.2 Pulse incoherent
Un ADCP en mode de tir incohérent transmet une seule impulsion sonore relativement longue et
mesure le décalage Doppler, qui est utilisé pour calculer la vitesse des particules le long du trajet du
faisceau acoustique. Les mesurages de vitesse réalisés par traitement incohérent sont très fiables sur
une large plage de vitesses, même si elles présentent une incertitude relativement élevée (ping simple).
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Pour réduire l'incertitude, de multiples impulsions sont transmises sur une courte période de temps;
leur moyenne est ensuite calculée avant de déclarer une vitesse. Le terme « bande étroite » est utilisé
dans l'industrie pour décrire un ADCP en mode de tir incohérent d'impulsion en impulsion. Dans un
ADCP à bande étroite, une seule impulsion est transmise dans l'eau par faisceau et par mesurage (ping),
et la résolution du décalage Doppler doit avoir lieu pendant la durée de l'impulsion reçue. L'impulsion
acoustique à bande étroite est une simple onde monochromatique et peut être traitée rapidement.
4.3.3 Pulse-to-pulse coherent
Les systèmes d'ADCP en mode de tir cohérent sont les plus justes des trois types, même si leur portée
est fortement limitée. Les systèmes en mode de tir cohérent transmettent une impulsion relativement
courte, enregistrent le signal de retour, puis transmettent une seconde impulsion courte lorsque le
retour de la première impulsion n'est plus détectable. L'ADCP mesure la différence de phase entre les
deux retours et l'utilise pour calculer le décalage Doppler. Les mesurages de vitesse effectués en utilisant
un traitement cohérent sont très justes (faibles incertitudes à court terme), mais présentent des limites
importantes. Le traitement cohérent ne fonctionne que dans des plages de profondeur limitées et avec
une vitesse maximale significativement limitée. Si ces limites sont dépassées, les données de vitesse
d'un système Doppler en mode de tir cohérent n'ont plus aucun sens.
4.3.4 Broadband (spread spectrum)
Comme les systèmes en mode de tir cohérent, les systèmes d'ADCP à large bande transmettent deux
impulsions, puis examinent le changement de phase du retour des impulsions successives. Toutefois,
avec les systèmes à large bande, les deux impulsions acoustiques sont comprises en même temps dans
l'étendue de mesure du profil. L'impulsion acoustique à large bande est complexe; elle comporte un code
superposé à la forme d'onde. Le code est imposé sur la forme d'onde en inversant la phase et en créant
un code pseudo-aléatoire à l'intérieur de la forme d'onde. Ce code pseudo-aléatoire permet de prélever
un certain nombre d'échantillons indépendants à partir d'un seul ping. En raison de la complexité
de l'impulsion, le traitement est plus lent que dans un système à bande étroite; cependant, plusieurs
échantillons indépendants sont obtenus à partir de chaque ping.
L'incertitude des mesurages de vitesse utilisant le traitement à large bande est comprise entre celles des
systèmes en mode de tir incohérent et cohérent. Les systèmes à large bande sont capables de mesurer
sur une plage de vitesses plus large que les systèmes en mode de tir cohérent; toutefois, si cette plage est
dépassée, les données de vitesse perdront tout leur sens. L'exactitude et la plage de vitesses maximale
d'un système à large bande dépendent de la configuration précise du traitement utilisé.
4.4 Mesurage du profil de vitesse
4.4.1 Généralités
Les ADCP mesurent des profils de vitesse dans leur propre repère. Pour obtenir un profil de vitesse
absolu, une combinaison de la vitesse relative et de la vitesse du bateau est nécessaire.
4.4.2 Mesurage de la vitesse relative
La vitesse est mesurée en tant que moyenne à pondération centrale qui s'étend sur les cellules
au-dessus et au-dessous comme décrit en 4.3 et le résultat est rapporté à la profondeur du centre de
la cellule. À l'aide de ces résultats et en utilisant des relations trigonométriques, une vitesse de l'eau
tridimensionnelle est calculée et assignée à une cellule de profondeur donnée dans la colonne d'eau.
Bien que cela soit analogue à un profil de vitesse obtenu à partir d'un vélocimètre ponctuel, l'ensemble
de la région mesurable de la colonne d'eau est échantillonné par l'ADCP. L'impulsion acoustique doit
être stabilisée, afin d'obtenir des données. La zone aveugle est exclue, car il est nécessaire de stabiliser
l'impulsion acoustique (voir Figure 4).
4.4.3 Mesurage de la vitesse du bateau
4.4.3.1 Suivi de fond
L'ADCP peut utiliser le principe de l'effet Doppler pour suivre ses mouvements à travers un chenal à
l'aide d'une technique appelée « suivi de fond ». Les mesurages de suivi de fond sont similaires aux
mesurages de la vitesse de l'eau, mais des impulsions séparées sont utilisées. Les pings du suivi de
fond sont plus longs que les pings de suivi de l'eau. Ces pings sont également utilisés pour mesurer la
profondeur de l'eau. Les impulsions sonores sont réfléchies par le lit du cours d'eau et utilisées pour
calculer la vitesse de l'ADCP par rapport au lit. Les ADCP peuvent également être équipés d'un compas
embarqué et peuvent combiner ces données avec celles du suivi de fond afin de déterminer la direction
et la vitesse du bateau en supposant que le lit du cours d'eau est stable.
Pour réaliser les mesurages de suivi de l'eau et du fond, l'ADCP envoie d'abord une impulsion pour
mesurer la vitesse du bateau, qui est exactement l'opposé de la vitesse du fond par rapport à l'ADCP.
L'ADCP envoie ensuite une impulsion pour mesurer la vitesse de l'eau par rapport à l'ADCP. Enfin, l'ADCP
combine ces deux vecteurs de vitesse (eau et bateau) pour calculer la vitesse absolue de l'eau. Pour y
parvenir avec justesse, deux conditions doivent être remplies.
a) Il convient que le lit du cours d'eau ne bouge pas, dans le cas contraire, la vitesse de l'eau peut
être sous-estimée. Il convient dans ce cas de prévoir la mise en œuvre d'un système mondial de
navigation par satellite (GNSS) ou des traitements spéciaux doivent être effectués tels que décrits
au paragraphe 5.3.
b) Il convient que le bateau ne se déplace pas ou ne tourne pas entre l'impulsion pour la vitesse du
fond et l'impulsion pour la vitesse de l'eau. Dans le cas contraire, il y aura une erreur d'angle entre
le vecteur de vitesse de l'eau et celui de la vitesse du bateau.
Afin de s'assurer que ces deux conditions sont remplies:
1) réaliser un essai de fond mobile à l'aide de la méthode stationnaire, d'un essai type boucle ou d'un
système de navigation type GNSS;
2) le déploiement du bateau doit être progressif, régulier et lent par rapport à la vitesse de l'eau.
4.4.3.2 Système mondial de navigation par satellite (GNSS)
Un GNSS peut être intégré à un ADCP pour fournir des données sur la position et la vitesse du bateau.
Ce dispositif est utilisé comme solution alternative au suivi de fond lorsque le lit est instable en raison
d'une charge de fond importante ou lorsqu'il n'est pas possible de déterminer avec justesse le niveau du
lit avec le suivi de fond en raison, par exemple, de la croissance de la végétation ou de sédiments lourds
en suspension. Il est important de mettre en œuvre un système GNSS le plus juste possible. L'exactitude
du GNSS peut être affectée par des arbres ou des bâtiments sur les rives des rivières étroites. Lorsque
le GNSS ne peut détecter que quatre satellites ou moins simultanément, l'exactitude de l'ADCP est
considérablement réduite. Il convient que le système GNSS avertisse l'utilisateur lorsque cela se produit.
8 © ISO 2021 – Tous droits réservés
Légende
1 cellule/« bin » 1
2 cellule/« bin » 2
3 cellule/« bin » 3
4 cellule/« bin » n
5 distance aveugle
Figure 4 — Cellules ou « bins » de l'ADCP
4.4.4 Collecte de données proche de la limite
L'angle des transducteurs de l'ADCP varie en fonction du fabricant et du type de capteur. Il est
généralement compris entre 20° et 30° par rapport à la verticale de mesure. L'ADCP ne peut pas mesurer
directement jusqu'au lit du cours d'eau. Lorsque les transducteurs acoustiques produisent du son, la
majeure partie de l'énergie est transmise dans le faisceau principal. Toutefois, des lobes secondaires
contenant moins d'énergie sont également présents. Elle se propage aussi à partir du transducteur.
Ces lobes secondaires ne posent pas de problème pour la plus grande partie de la colonne d'eau, car
ils émettent peu d'énergie. Cependant, lorsque le lobe secondaire frappe le lit du cours d'eau, celui-ci
étant un bon réflecteur pour l'énergie acoustique, une grande partie de cette énergie est réfléchie vers
le transducteur. En raison de l'inclinaison des faisceaux, l'énergie acoustique du faisceau principal est
réfléchie par les diffuseurs se trouvant dans la colonne d'eau près du lit en même temps qu'un lobe
secondaire vertical est réfléchi par le lit du cours d'eau. L'énergie du faisceau principal réfléchie par
ces diffuseurs situés dans la colonne d'eau est relativement faible comparée à l'énergie dans le lobe
secondaire renvoyée par le lit du cours d'eau, ce qui peut dégrader la mesure de la vitesse proche du lit.
Il existe par conséquent une zone près du fond qui ne peut pas être mesurée en raison de l'interférence
due aux lobes secondaires. Cette distance est calculée comme indiqué dans la Formule (1):
[1 − cos(θ)] × 100 (1)
où θ est l'angle du faisceau.
Ainsi, pour un système incliné à 20 °, elle sera de 6 % de la portée du transducteur. À mesure que le profil
approche de la limite, les interférences se produisent, car la réflexion de l'énergie des lobes secondaires
prend un trajet direct (plus court) vers la limite (voir Figure 5).
Légende
1 lobe secondaire
2 faisceau principal
3 plage d'inclinaison maximale
4 profondeur du capteur et tirant d'eau du bateau
5 distance aveugle
6 profondeur du débit mesuré
7 zone d'interférence des lobes secondaires
8 lit du cours d'eau
Figure 5 — Zones de profondeur à l'intérieur de la colonne d'eau
Pour s'assurer qu'il n'existe aucun biais dans l'estimation de la vitesse, il convient que l'ADCP et son
logiciel ignorent la partie de la colonne d'eau affectée par la contamination des lobes secondaires près
du lit. Cette opération est effectuée automatiquement par les ADCP courants. Il convient que le manuel
de l'utilisateur fournisse des informations à ce sujet.
Pour mesurer la vitesse à une profondeur donnée, il est nécessaire de disposer d'un mesurage fiable
sur trois faisceaux à cette profondeur. Toute donnée au-delà de la portée du faisceau le plus court est
suspecte, car elle peut être dégradée par des réflexions provenant de la limite du faisceau le plus court.
Il convient d'utiliser uniquement les données situées au-dessus du faisceau le plus court.
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Comme l'illustre la Figure 6, l'ADCP n'est pas capable d'effectuer des mesurages de vitesse dans
trois zones:
— près de la surface (en raison de la profondeur à laquelle l'ADCP se trouve dans l'eau et, en outre, de
la distance aveugle);
— près du lit (en raison de l'interférence des lobes secondaires, des ondulations du chenal et des
réflexions acoustiques causées au niveau du lit);
— près des rives du chenal (en raison de la profondeur d'eau insuffisante ou d'interférences acoustiques
dues aux signaux renvoyés par la rive).
Légende
1 zone mesurée
2 près de la surface comme zone non mesurée
3 près du lit comme zone non mesurée
4 rive comme zone non mesurée
NOTE La vitesse est uniquement mesurée dans la zone centrale, elle est estimée par extrapolation partout
ailleurs.
Figure 6 — Zone mesurée et non mesurée
4.5 Vitesse du son dans l'eau
La vitesse calculée est directement liée à la vitesse du son dans l'eau. La vitesse du son varie de manière
significative avec les changements de la pression, de la température de l'eau et de la salinité, mais
est surtout sensible aux variations de la température de l'eau. La plupart des fabricants de systèmes
d'ADCP mesurent la température de l'eau à proximité des faces du transducteur et appliquent des
facteurs de correction pour tenir compte des différences de vitesse du son liées à la température. Les
changements de température qui se produisent avec la profondeur n'affectent pas la vitesse horizontale,
mais affectent la profondeur mesurée. Si les ADCP ne disposent pas de systèmes de compensation de la
température, il convient que l'utilisateur évite de les utiliser, ou il doit mesurer la température de l'eau
avec un thermomètre ou un autre capteur au moment de la collecte des données de l'ADCP.
NOTE 1 Dans la plupart des rivières bien mélangées, la température est la même ou presque la même, du haut
jusqu'au fond.
NOTE 2 La plupart des logiciels de post-traitement peuvent traiter à nouveau les données avec une température
d'eau mesurée en cas de dysfonctionnement du capteur interne.
Si l'ADCP doit être utilisé dans des eaux de salinité variable, il convient que le logiciel utilisé pour
collecter les données permette de corriger la salinité.
a) Vitesse du son en fonction de la b) Salinité à différents niveaux de
température à différents niveaux de salinité température
Figure 7 — Effet de la température et de la salinité sur la vitesse du son
La Figure 7 indique l'effet de la température et de la salinité sur la vitesse du son. En règle générale:
— une variation de température de 5 °C entraîne un changement de la vitesse du son de 1 % à 2 %;
— une variation de salinité de 12 parties par millier (ppth) entraîne un changement de la vitesse du
son de 1 %; la valeur de l'eau douce est de 0 ppth et celle de l'eau de mer est d'environ 30 ppth
à 35 ppth);
— la plage complète des températures et des niveaux de salinité types (de −2 °C à 40 °C et de 0 ppth
à 40 ppth) donne une plage de vitesses du son comprise entre 1 400 m/s et 1 570 m/s (variation
totale de 11 %).
5 Détermination du débit
5.1 Méthode générale
Afin de déterminer le débit, il est nécessaire d'obtenir des profils de vitesse. Les profils de vitesse
peuvent être établis à l'aide des données de débit obtenues par l'ADCP, et la vitesse du bateau peut être
obtenue soit par suivi de fond, soit par GNSS (voir 4.4.3). Il convient de faire preuve de prudence lorsque
la vitesse du bateau ne peut être obtenue de manière appropriée (voir 5.3).
Un ADCP détermine la vitesse de chaque cellule (voir Figure 8). En connaissant la taille de la cellule
et la distance entre les ensembles successifs, il est possible de calculer le débit dans cette cellule. Les
vitesses dans les zones non mesurées de la section transversale sont extrapolées à partir de celles des
cellules mesurées. Elles se trouvent par exemple au-dessus près
...
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