|
, x& G" Y. r( g7 x
ADCP " b- B; u9 l, B+ X0 _. J
揭开海流神秘面纱 0 R8 _# m* {) N; S. r/ E
ADCP的介绍
6 e! }" j! |. ~9 L+ I$ [. y( \ ADCP是什么？ + L8 C1 [4 A1 f( V8 J" S' ]
@  & j/ ^! j7 r: }; d: w5 A* g
ADCP（Acoustic Doppler Current Profiler）是声学多普勒流速剖面仪的简称。ADCP的结构主要包括发射器、接收器、传感器和信号处理器等部分。发射器发射声波信号，当声波遇到水体中的颗粒或气泡时，会发生散射。接收器接收到散射回波后，利用多普勒效应测量回波频率的变化，从而得到水体中的流速信息。传感器用于测量水体的温度、盐度等参数，以提供更准确的流速数据。信号处理器用于处理接收到的回波信号，并将测量结果输出。
; i: m; U. C7 |* U- X7 h 它可以用于海洋调查、河流水文观测、流体力学研究、海洋工程设计等领域。通过测量水体的流速和流向，ADCP可以提供水体运动的详细信息，帮助科学家和工程师了解水体的动力学特性，为海洋环境保护、水资源管理和海洋工程设计等提供重要数据支持。
5 T/ n; Z0 W- d* Z! j5 | 有ADCP的照片吗？
3 E7 @9 M8 h6 X. N, [$ K4 I7 u1 K* k+ x5 I" Q, P
@   3 `% c- `, q# I, R5 Q! q
ADCP的历史 9 d' d! O& O. h" w
ADCP的发展历史是什么啊？ : D2 Q# ~ d) S1 H
3 I( g( g+ @& {8 [: T! O" k @
6 w+ a9 A/ P% H 为了在恶劣的海洋环境下准确、方便地观测海流，人类自17世纪前后开始使用漂流瓶、海冰等漂浮物观测表层海流，1905年世界首台机械式海流计厄克曼海流计诞生，20世纪70年代末至80年代初首台声学多普勒流速剖面仪(ADCP)问世，20世纪70年代以来海洋遥感卫星、海洋观测雷达等遥感、探测技术应用于海流观测。经过不断的探索和发展，海流观测仪器和观测方法不断丰富和发展，为人类认知海洋、探索海洋、研究海洋和应用海洋奠定了坚实基础。
3 j! Y1 f; I% x! h& M, a ADCP的发展历史可以追溯到20世纪80年代初期。最早的声学多普勒流速仪采用了单频或者双频的技术，只能测量垂直方向上的流速。而随着技术的不断发展，ADCP在1995年左右开始采用多频技术，能够同时测量多个方向上的流速。 $ q% n. e) _5 y9 n E7 f% h3 R
在2000年以后，ADCP不断出现更新换代，新一代的ADCP相比于早期的ADCP有更高的采样率、更高的分辨率和更精确的测量结果。此外，新型的ADCP还能够进行实时数据传输和自主控制，极大地提高了ADCP的应用范围和使用效率。 3 t0 _& F V8 a; z9 |) m9 O6 F1 t
ADCP的原理 + a2 F3 E J" u/ N1 l
ADCP如何工作？
# w3 L @3 ~+ @$ |3 c @ 5 |7 L1 Z# S* i9 Q
ADCP利用声波原理测量水流速度。它通过向下发射一束声波，当声波遇到运动着的水体时，它的频率就会发生变化。这个效应被称为多普勒效应，也就是声波频率的变化与水流速度成正比。 2 f2 z- `8 P; S) i8 R
ADCP中有四个声发射器，它们向下发射声波，并接收反射回来的信号。每个发射器发射的声波都有不同的频率，以便在返回的信号中区分它们。ADCP接收器会记录每个发射器发射的声波反射回来的时间、频率和幅度等信息。 , `' D( c9 L6 z8 n9 B- Z& Y, Q
根据反射回来的信号，ADCP可以计算出水体的流速、流向和深度等信息。这是通过对不同发射器发射的声波接收到的信号进行比较来实现的。例如，如果一个声波向下发射后，反射回来的信号被第一个接收器接收到的时间比被第二个接收器接收到的时间早了一些，那么可以确定这个水体的流速方向是从第一个接收器指向第二个接收器的方向。
* J+ W. O) X( k% b ADCP可以测量整个水体的流速分布情况，因为它是通过声波在整个水体内传播而实现的。ADCP可以在船只上安装，也可以固定在水下，在不同的应用场合中发挥作用。 
/ O! Y& }9 A8 q+ W. x d) O G- v #水平型的ADCP 
* G- \0 p/ A1 J6 i0 x #垂向型的ADCP + {5 d! o! O; @3 J3 U, r6 _
ADCP的应用 / ~% _! B3 m; T/ H0 V2 y
ADCP有哪些应用模式？
3 [* P5 l2 D7 l, U @
/ ~% b3 s/ M: N8 S: D% } 底跟踪 ' ] u# |1 j" C# l/ a' P
由于ADCP测量的是水体相对于ADCP的流速，船载式的ADCP测量得到的流速实际上是船速与实际流速之和。而船速的测量可通过底跟踪功能实现。底跟踪功能，指当ADCP采取船底式安装方法时，利用水底的回波测量水底相对于ADCP的运动速度。底跟踪分为两个步骤：首先通过回波确定水底的位置；再将该位置作为测量标准，调整参数，进而计算出自身的运动速度。由底跟踪的原理可知，该功能要求声束能到达水底并再次返回ADCP，因此仅在一定水深范围内有效。在底跟踪功能无效的深水域，船速需通过GPS、陀螺仪等部件得到的速度、方向数据来计算得出。
# s+ \3 X# u* y 测流（测量流量） 9 O! g m% B" c
ADCP亦可用于河流流量的测量。进行流量测量需要一台具备底跟踪功能的ADCP，和一个能搭载ADCP（类似于船舷式）进行水域跨越的载体。将其从一岸渡至彼岸，便可通过深度与速度数据估算出载体运动轨迹到水底的剖面面积；将向量轨迹和流速进行点积，计算得到流量。比起传统的测深杆-单点流速仪计算测流方法，是法有数大优势：点积、积分计算不要求运动载体之行驶路线为直线，曲线折线皆可；ADCP的分层测量原理极大提高了数据准确度；省时省力等等。该方法广泛用于水道测量学、水文地理学的水位-流量关系研究和流量监测。
* _- D- N4 f4 j) X 测波 ( M4 B& h; J1 R" c! X H- |9 ~* f
测波即测量波浪。一些ADCP经过配置可测量波高和波向。波高测量的原理，是通过发射垂直声束，利用短脉冲回波和峰值估计算法测算ADCP至水面的距离。波向的测定，则通过对流速分量和波高进行互相关计算得出。测波功能一般由水底设备搭载，但近年也出现了具备测波功能的潜标。
) @% q" S$ W8 |- K 湍流测量 5 U+ i R( y$ C W7 d" @ @( d3 y
具有“脉冲相干”测流功能的ADCP能以高精度测量急剧的小规模水体运动，即湍流的流速。经过配置，这类ADCP便可用以测算湍流的参数，如垂直剪切应力（雷诺应力）、湍动能剪切生成率、垂直涡黏性系数参数以及湍动能耗散率等。其中，对流速分量使用柯尔莫哥洛夫结构函数是计算湍动能耗散率的一种经典方法。ADCP的湍流测量功能既可在固定的观测平台上使用，也可应用在运动载具上，如潜标和水下滑翔机等。
6 ]) \8 {2 l! H! |) V( U9 m ADCP的优缺点 8 t* G; e/ a8 }- e0 w. e; C8 W* Y
ADCP的优缺点有哪些？ + s9 H$ x3 [) {# K3 I
@
4 @% U) A- J \# {/ f& V4 i 优点：
. M1 n" N! P/ a1 \/ e2 p% M- d% Z 1、ADCP的遥感属性，即这样一个小型的设备能够测量超过1000米范围的剖面流速，为科学研究、工程和监测工作带来了极大的便利。 - D# k! w( V2 B+ K$ B+ I7 X+ [& `% B
2、ADCP没有活动部件，因此可抗生物附着。这些特点使得ADCP能提供长期的洋流观测。 + N/ Q) o2 C0 [- ^! c/ w) F$ C9 R
2 \/ T* s, u* R7 N: X
缺点（局限）：
8 _: [( F' `* ^" C# R" N 1 、ADCP的劣势是在测量区域的边缘存在盲区，又称旁瓣干扰。旁瓣干扰区域通常占据剖面面积的6-12%。作为水声学设备共有的潜在问题，ADCP造成的超声波噪音污染可能会干扰鲸目动物的导航和回声定位能力。具体的干扰效果由声波频率和设备的功率决定，但目前大多数ADCP的工作频率处在较为安全的区间。
9 f- L" ]/ ^! o1 P/ ^* z4 T 2、ADCP是声学测验设备，较多的泥沙颗粒将会削弱仪器声波的发射和接收，所以测量成果受河流含沙量的影响较大。
5 L f u. W* f% _' z+ @6 e! e" {9 N 3、采用ADCP测验速度快、效率高，一般情况下要以来回2次测量的平均值作为最后的测量成果，但由于2次测量的线路不一定相同，并且不一定在要求的测验断面上，这就给要求严格的测验资料统计带来了麻烦。  ) o/ D( P8 y" ~3 y0 E. s
#ADCP工作示意图 5 @. c- _, y8 B: c& f5 t
ADCP的发展方向 1 Q, K: z$ g/ ~/ }3 y; @ _
ADCP未来发展的方向是？ ) @6 e* k% \- e1 ^; D
@
, l, z8 n: s4 W" K 1. 技术改进： 0 {) o0 Q7 ^. O7 G2 Y
未来的声学多普勒流速剖面仪可能会经历技术方面的改进，包括更高的测量精度、更大的测量深度范围、更高的时间分辨率等。通过引入先进的声学技术、信号处理算法以及传感器技术，提高仪器性能，使其在各种水文环境条件下都能更准确地进行流速测量。 5 }5 v- Y, m7 x* B' E: T6 \
2. 多参数测量：
1 ?0 }5 t. E8 D+ J6 _& A& X9 ^' l. ? 为了更全面地了解水体的动力学特性，未来的声学多普勒流速剖面仪可能会发展成能够同时测量多个参数的多功能设备，如水温、盐度、悬浮物浓度等。这有助于研究者获取更为综合的水体信息，对水体环境的动态变化进行全面监测。 1 w2 R6 |" p7 d9 E2 ?+ [
3. 自动化与智能化：
4 _5 A$ M1 Y& Y# P1 ?& E 未来的声学多普勒流速剖面仪可能趋向于更加自动化和智能化。通过引入先进的传感器技术和数据处理算法，仪器可以更自主地执行测量任务，实时处理和传输数据。这有助于提高测量效率，并减少对人工干预的需求。 6 C' R8 [. c% i5 u- G" z k- w6 C$ T
4. 移动式与便携式设计： ) B/ v. S# t% h7 c
为适应不同水域环境的需求，未来的声学多普勒流速剖面仪可能会朝向更轻便、便携的设计方向发展。这将使研究者更容易在不同地点进行流速剖面测量，实现更广泛的应用。
, r5 m- {& G# N% ?% F: S 5. 网络化与协同工作： ( {' ]/ L$ z& R5 i1 h* m8 `
未来的声学多普勒流速剖面仪可能更加注重与其他水文监测设备的协同工作，实现数据的集成与共享。通过与其他水文观测系统的连接，形成一个网络化的监测体系，提高数据的整合性和时空分辨率。 % ^# h; ~$ T8 O% U/ q% v+ l3 [
6. 态监测应用： ) Z& K9 o# H$ m5 `7 R
除了传统的水流速测量，未来的声学多普勒流速剖面仪可能更加关注对水体生态系统的监测。通过结合水流速和其他环境参数，可以更全面地了解水体的生态变化，为生态环境保护提供更多信息。 . y' d* V! g* v' J( G$ s
结尾
+ e. Y( V% s* i, Z- V3 S6 x/ v% J7 N) _ end : o1 [* x: n1 a1 D, q) q
2023仪器操作1班1组 9 B. B" K. E; W* } s' `
排版：王尹 谢燊
' U0 A T$ l+ {# f; F/ b 资料检索：谢燊 谭文轩 徐洋 徐舜阳 赵硕 赵峰 + q. b9 Z8 G, z' ?7 S+ _ J
图文来源于网络
2 [2 J( {6 O+ j6 M, w4 Z# I 指导教师：刘子洲，孙永明
0 t! c3 k% G1 Z2 d% E( r3 H" @1 M6 {& V* ~* j
" H2 \, L- C8 m S# j; B$ d! s& V! p; X. w
$ Z/ H! l! R+ h6 V) f- u6 ~+ X+ x, O | 
