[海流&ADCP&波潮仪] 带你走近声学多普勒流速剖面仪ADCP

一. ADCP介绍

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图1:ADCP外观(Nortek 公司 Signature 250K)

声学多普勒流速剖面仪(英语:Acoustic Doppler Current Profiler,缩写:ADCP)是一种用于测量水速的水声学流速计。其原理类似于声纳:ADCP向水中发射声波,水中的散射体使声波产生散射;ADCP接收散射体返还的回波信号,通过分析其多普勒效应频移以计算流速。

二、工作原理

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图2:直读式V-ADCP

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图3:自容式ADCP

ADCP内的关键部件是压电效应换能器,用以发射和接收声学信号。测量声波的往返时间,将其乘以水中声速即可粗略计算出散射体的距离;测量声波的多普勒效应频移,则能计算出散射体在该声束方向上的速度分量。因此,要测量速度三向量,需要至少三个换能器来产生三个不同方向的声束。而在河流测速中,由于目标数据通常只含两个速度向量(即忽略垂直于河岸的水速),相应地通常仅配备两波束的ADCP。近年的ADCP由于配备更多功能,如测波、湍流测量等,三、四、五甚至九波束的配置也已出现。

ADCP由以下组件构成:一个放大电路;一个接收器;一个时钟用以测量声波的往返时间;一个罗经用以测定方向;一个运动姿态传感器;一个模拟-数字转换器和一个数字信号处理器用以处理返还的声学信号并分析其多普勒频移;一个温度传感器用以校正声速在当前海水状态方程下的偏差。这些测量数据可以存储在内置的存储器中,也可实时输出到用户端的软件上,分别称为自容式和直读式。


三. 发展历史

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图4:机械式海流计

(一)

多普勒测流技术的起源及发展阶段

早期的海流计是“全机械式”,其速度探头由机械运动完成,而机械运动部分易受机械损伤或异物缠绕,机械惯性严重影响测量系统的响应时间。以法拉第效应理论基础的电磁式海流计为代表的一种替代品由此诞生了。因光波在深海里面几乎难以传播,而声波在水中传播的性能十分稳定,所以声波作为水流速度测量的载体便成为必然,多普勒流速仪由此诞生。

ADCP已历经半个多世纪的发展,归纳起来主要有以下四个阶段。现今,已进入了宽带束控技术发展及测流的多功能、多用途研究阶段。

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图5:ADCP发展进程

(二)

国外发展状况

20世纪60年代初,美国迈阿密大学海洋实验室与Airpax 电子公司首先开展了声学多普勒测流技术研究。自此,各国先后开展了相关技术研究。

80年代初期,多普勒测流技术进入商业化研究阶段。1982年, RD仪器(RDI)公司成立,并先后研制出自容式ADCP、第一台船载ADCP以及RD系列ADCP。多家公司相继推出窄带ADCP。

21世纪,ADCP得以空前发展。Sontek/YSI公司从应用角度开展多普勒测流技术研发。RDI从导航定位、海洋测流和内陆水资源探测三个方向开展研究,于2005年成立TRDI公司。Nortek公司于应用新型波浪数据处理技术分辨出三维波谱中风浪和涌浪大小和方向,首创了Z-cell(零层)测量技术,解决了盲区测流问题。Nortek 、RD1和 Sontek /YSl 已成为国外多普勒测流研发的三家主导公司

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Nortek 公司船载ADCP

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Nortek小尺度ADCP(Vector)

(三)

国内测流技术的发展状况

国内海流测量技术经历了三个阶段 :20 世纪50~70年代纯机械海流计,80 年代单点电测海流计,90 年代后以ADCP为主。

国家海洋局海洋技术研究所于1972年以课题立项方式首先就船载多普勒测流技术进行研究,先后历经原理性实验和样机试验,于1983年在青岛海区利用脉冲锁相技术完成了整机海试。此后相关单位相继开展了有关ADCP的攻关课题,如200kHz走航式窄带ADCP于1997年完成样机试验。

进入21世纪,专家组验收了国家863项目“船用多功能声学多普勒海流剖面测量仪(ADCP) ”。对技术成熟、具备产品化条件的设备开展多基检测平台的第三方独立检验与验证,检验结果显示:国产IOA 150kHz、150kHz自容式设备与同频率RDI自容式ADCP在测流误差、最大剖面深度上相当。随着研究的逐步深入,国内多普勒测流技术日趋成熟,并在现代测流应用服务中发挥其应有作用。


资料来源:

1.William J. Emery, Richard E. Thomson.《 Data analysis methods in physical oceanography.》Gulf Professional Publishing. 2001: 83 [2011-02-06]. ISBN 978-0-444-50757-0.

2.刘彦祥 《ADCP技术发展及其应用综述》

3.Nortek:https://www.nortekgroup.com/



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