声学多普勒流速剖面仪（ADCP） 国内外进展 - 手持式声学多普勒流速仪

文 /邓锴、张兆伟、邓锴、张兆伟、俞建林、芦 山 

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中国科学院声学研究所（北京 100190）

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北京市海洋声学装备工程技术研究中心（北京100190）

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无锡市海鹰加科海洋技术有限责任公司（无锡 214061）

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摘 要：ADCP是目前最主要的流速测量手段之一，自研发成功以后就在国内外得到了广泛的应用。本文介绍了ADCP的基本原理、主要类别和国际上ADCP的发展历程，并着重介绍了近年来我国在ADCP领域的研究进展情况，以及国产ADCP在海洋观测和水文测验等领域的应用情况随着我国科研水平的提升和国产ADCP的广泛应用，我国将会在ADCP领域取得更加显著的进步。

关键字：声学多普勒流速剖面仪 ；国内外进展 ；海洋观测 ；水文测验

声学多普勒流速剖面仪（ADCP） 国内外进展

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ADCP的工作原理

     ADCP向水中发射声信号后，接收声信号经水体中散射体（如浮游生物、悬浮物等）散射后产生的回波信号，并对信号进行处理得到回波产生多普勒频移。根据多普勒原理，当ADCP和散射体之间存在相对运动，发射声波与散射回波频率之间就会产生多普勒频移，利用多普勒频移即可解算出ADCP与水体之间的相对速度。

     标系的三维流速；最后用罗盘和倾斜计提供的方向和倾斜角把局部坐标系的流速转换为地球坐标系的流速。大多数 ADCP换能器阵采用四波束JANUS配置，Ｈ的是最大限度地减少载体运动给ADCP测量带来的不利影响，提高ADCP的测速精度。

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ADCP的主要产品分类

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    目前市场上的ADCP产品主要可以从以下儿个方面进行分类。从换能器结构方式ADCP可以分为常规阵ADCP和相控阵ADCP，两者的区別在于常规阵ADCP每个换能器形成１个声学波束，１台ADCP需要４个换能器产生测量所需的４个声学波束；相控阵ADCP是由一个平面多阵元换能器通过电子波束形成的方法形成４个倾斜声学波束，如图１所示。相控阵ADCP的换能器尺寸小，而常规ADCP的声电转换效率更高。

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图1  目前主要的ADCP产品

（左：船载ADCP；中：直读式ADCP；右：自容式ADCP）

从供电方式ADCP可以分为自容式ADCP和直读式ADCP自容式ADCP采用内置电池方式供电，数据一般存储在内部的存储卡中；而直读式ADCP采用外部电源供电，数据一般直接通过水密电缆输出。从测流算法ADCP可以分为窄带ADCP和宽带ADCP—般来说窄带ADCP测量距离较远，但单次测速方差较大；宽带ADCP单次测速方差较小，但测量距离较近。 - `* G/ V% @# w# V' E/ r

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国外ADCP进展情况

20世纪70代中期，美国Scripps海洋研究所以Pinke丨教授为首的科学家们首先提出用声学方法测量流速，获得一个剖面内多层流速的数据141。20世纪80年代中期，美国PD Instruments（RD1）公司研制成了窄带ADCP；80年代后期RD丨公司研发了宽带ADCP；９90年代中期RDI公司发展了相控阵ADCP。随着ADCP的发展，国际上先后成立了Sontek公司、Nortek公司和linkquest公司等ADCP厂家，并推出了系列船载式、直读式和自容式ADCP产品。随着ADCP测流技术的成熟，ADCP厂商开始拓展ADCP的应用领域，开发出用于河道流量测量的河流型ADCP，用于波浪观测的波浪ADCP，以及用于大剖面流速观测的下放式ADCP。近年来，国际上ADCP开始向多频组合、小型化和深水相控阵等方向发展在多频ADCP方面，美国Sontek公司率先推出了用于河道流速和流量测验的Riversurveyor M9型产品，该产品集成了2个频率的测流换能器，能够实现1MHz和3MHz两个频率测流；挪威Nortek公司推出了用于海洋测流的Signature55型ADCP，该产品采用1套换能器实现55kHz和75kHz两个频率测流在小型化方面，美国RDI公司推出了Pathfinder系列产品，体积重量均远小于前期产品，换能器和电子舱的总重量小于2kg；挪威Nortek公司推出了能够安装在水下滑翔机的AD2CP型产品在深水相控阵产品方面，美国RDI公司推出了能供用于4500m深海的pioneet系列产品，此前的相控阵ADCP主要用于船载产品。 8 ]- u$ R Q2 L+ ?2 C V4 c7 [

图３多频ADCP产品

（左：Riversurveyor M9型产品 ；右：ＳSignature55产品)

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图４小型化和深海相控阵ADCP产品

（左：Pathfinder产品；中：ＡＤ２ＣＰ产品；右：pioneet产品）

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国外内ADCP进展情况

国内从事多普勒技术研究和开发工作的机构有中国科学院声学研究所、中船重工715所、国家海洋技术中心等，近些年在自容式ADCP、直读式ADCP、河流型ADCP和相控阵ADCP产品研发和应用方面均取得了较大进展。国家海洋技术中心于1972年以课题立项的方式首先就船载多普勒测流技术进行了研究，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。中船重工715所自20世纪90年代开展装船式相控阵ADCP的研究，2000年研制成功了船载38kHz相控阵ADCP原理样机，2005年中船重工715所研发了150kHz相控阵ADCP样机，此后在国家的支持下进一步发展完善列。2014年船载38kHz相控阵ADCP在南海通过了海上第三方测试，近年来38kHz相控阵ADCP产品已经开始在国内舰船上安装使用。

图５中船重工７１５所研制的３８ｋＨｚ相控阵ＡＤＣＰ

中国科学院声学研究所自20世纪80年代即开始研究声多普勒测速原理和技术，在国家863计划等科研项目的支持下先后研制成功300kHz窄带ADCP样机、300kHz宽带ADCP样机和船用150kHz样机，并开展了下放式ADCP和ADCP波浪反演等方面的研究。2010年声学所研制成功150kHz自容式ADCP＇2010年起，在科技部国家重大科学仪器设备开发专项的支持下，声学所研制成功工作频率从75kHz~1200kHz的系列自容式ADCP产品，并依托企业实现了ADCP的批量生产。研制的系列样机已由国家海洋标准计量中心等单位开展了多台次与国外同类ADCP的第三方比测试验，比测方式包括船载走航同步测流比测、船载吊放同步测流比测、潜标同步测流比测等，累计比测时间超过1700天，比测结果表明，声学所研制的自容式ADCP主要指标与国外同类ADCP产品相当，能够满足长期观测的需求。 4 X- t) c- ~- X; Q* g4 r% a* ~: }7 E

图６声学所研制的系列ADCP产品

目前，声学所研发的ADCP产品已在我国沿海、太平洋、印度洋、大西洋、北冰洋、南北极等区域，以及“蚊龙号”“深海勇士号”“潜龙１号”“潜龙３号”等我国大型深海作业装备上实现了应用。2012年，声学所在海洋型ADCP的基础上开展了河流型ADCP的研发。2014年7月，水利部水文局与中科院声学所签订了战略合作协议，推进了水文仪器的国产化进程。此后，声学所研发的RIV系列河流型ADCP在国内多个具有代表性的水文站开展了试验应用。2016年9月，RIV－600型ADCP通过了水利部的新产品鉴定，实现了水文测验领域声学多普勒流速剖面仪的国产化，填补了国内在该领域的空白。目前，RIV型ADCP已由无锡市海鹰加科海洋技术有限责任公司实现了批量生产和销售2017年江苏中海达海洋科技公司也推出了河流型ADCP样机，并在长江流域开展了应用测试。 * ~# X/ C0 I3 _9 G9 _0 I$ n* b! d6 R

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结语

ADCP是重要的流速测量仪器，在国防建设、国民经济、海洋环境保护、科学研究、河流湖泊水文监测等方面发挥了重要作用。近年，国际上ADCP主要在多频组合测量、小型化等方面取得了一些进展。近年来，随着我国科研水平和生产制造能力的不断提升，国内多家单位在ADCP的研发方面取得了较大进展，推出了船载式、直读式、自容式和河流型等系列ADCP产品，并在全球海洋实现了应用未来随着我国海洋强国战略的推进，国产海洋仪器必将会取得更大的发展。【参考文献】 4 m4 g6 N' V D, q" O# z. P c

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