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聲學多普勒流速剖面儀

一种用于测量水速的水声学流速计

聲學多普勒流速剖面儀（英語：Acoustic Doppler Current Profiler，縮寫：ADCP）是一種用於測量水速的水聲學（英語：Underwater acoustics）流速計（英語：current meter）。其原理類似於聲納：ADCP向水中發射聲波，水中的散射體使聲波產生散射；ADCP接收散射體返還的回波信號，通過分析其多普勒效應頻移以計算流速。 起初ADCP僅是RD Instruments（英語：Teledyne）公司於19世紀80年代推出的產品系列名稱，但如今已演變為同類聲學流速計的統稱[1]。

工作原理

 
可測量三個流速分量的三波束ADCP（Aquadopp Profiler，1兆赫型和0.6兆赫型，Nortek公司）
 
四波束ADCP（WH-600，RD Instruments公司)

ADCP內的關鍵部件是壓電效應換能器，用以發射和接收聲學信號。測量聲波的往返時間，將其乘以水中聲速即可粗略計算出散射體的距離；測量聲波的多普勒效應頻移，則能計算出散射體在該聲束方向上的速度分量。[2]因此，要測量速度三向量，需要至少三個換能器來產生三個不同方向的聲束。而在河流測速中，由於目標數據通常只含兩個速度向量（即忽略垂直於河岸的水速），相應地通常僅配備兩波束的ADCP。近年的ADCP由於配備更多功能，如測波、湍流測量等，三、四、五甚至九波束的配置也已出現。

不同ADCP發射的聲學頻率範圍最低可至38千赫，最高則達數兆赫，其頻率與目標水域之水深相關。[2]

ADCP由以下組件構成：一個放大電路；一個接收器；一個時鐘用以測量聲波的往返時間；一個羅經用以測定方向；一個運動姿態傳感器； 一個模擬-數字轉換器和一個數字信號處理器用以處理返還的聲學信號並分析其多普勒頻移；一個溫度傳感器用以校正聲速在當前海水狀態方程下的偏差（此校正過程假定鹽度保持在一個預設的常值）。這些測量數據可以存儲在內置的存儲器中，也可實時輸出到用戶端的軟件上，分別稱為自容式和直讀式。

 
五波束ADCP的水下實景照片(Signature1000，Nortek公司)

數據處理方法

目前，通過聲學波束測量多普勒效應頻移，從而計算流速的處理方法有三種。第一種是僅使用單個長脈衝的「脈衝不相干」，即「窄帶」法。該方法時空分辨率、測量精度較低。第二種是使用多個編碼脈衝序列的「寬帶」法[3]，在測量精度、時空分辨率、盲區大小和適應性等性能上全面優於「窄帶「。此種處理方法由RD Instruments（英語：Teledyne）公司發明，註冊為第5615173號美國專利[4]。第三種是利用一對相干的短脈衝的「脈衝相干」法[5] 。這是一種局限性較大的處理方法，僅適用於極短的剖面測量過程，但其時空分辨率有極大提高。

安裝

按安裝方向區分，ADCP又可分為河岸固定式（若安裝在船體側面，則稱為船舷式）、船底式和坐底式，分指側向、朝下和朝上安裝。安裝在水域底部的坐底式ADCP和安裝在船底的船底式ADCP以均勻的深度間隔測量縱向剖面的流速與流向；安裝在河岸、牆體及橋墩等固定位置的河岸固定式ADCP則側向測量岸與岸之間的剖面流速。

將ADCP安裝在位於水中或水底的錨系觀測平台上，是海洋學中海流和波潮研究的常用方法。在電池容量允許的範圍內，ADCP可在水中持續觀測數年時間；而一些ADCP則可通過傳輸數據的臍帶電纜向儀器供電。

應用領域

ADCP應用最廣的領域當屬海洋學研究[6]。ADCP也可用於河流、運河的流量測量。

詳細應用

底跟蹤

由於ADCP測量的是水體相對於ADCP的流速，船載式的ADCP測量得到的流速實際上是船速與實際流速之和。而船速的測量可通過底跟蹤功能實現。底跟蹤功能，指當ADCP採取船底式安裝方法時，利用水底的回波測量水底相對於ADCP的運動速度。底跟蹤分為兩個步驟：首先通過回波確定水底的位置；再將該位置作為測量標準，調整參數，進而計算出自身的運動速度。[7][8]由底跟蹤的原理可知，該功能要求聲束能到達水底並再次返回ADCP，因此僅在一定水深範圍內有效。在底跟蹤功能無效的深水域，船速需通過GPS、陀螺儀等部件得到的速度、方向數據來計算得出。

測流（測量流量）

ADCP亦可用於河流流量的測量。進行流量測量需要一台具備底跟蹤功能的ADCP，和一個能搭載ADCP（類似於船舷式）進行水域跨越的載體。將其從一岸渡至彼岸，便可通過深度與速度數據估算出載體運動軌跡到水底的剖面面積；將向量軌跡和流速進行點積，計算得到流量。比起傳統的測深杆-單點流速儀計算測流方法，是法有數大優勢：點積、積分計算不要求運動載體之行駛路線為直線，曲線折線皆可；ADCP的分層測量原理極大提高了數據準確度；省時省力等等。[9]該方法廣泛用於水道測量學、水文地理學的水位-流量關係研究和流量監測。[10]

DVL（Doppler Velocity Log）

DVL（Doppler Velocity Log），多普勒測速儀，又稱多普勒計程儀，是一種測量並記錄航行速度、累積航程的ADCP，通常用於水下輔助導航系統。[11]該種ADCP需配備底跟蹤功能，並與羅經、陀螺儀以及加速度傳感搭配，其數據經過卡爾曼濾波器的處理，可為載具提供定位功能。潛艇, 水下自主載具（AUV）和遙控潛水器（ROV）都可搭載這類導航功能。

 
AWAC（Acoustic Wave and Currents）是一種專用於測量波高與波向的ADCP。

測波

測波即測量波浪。一些ADCP經過配置可測量波高和波向。波高測量的原理，是通過發射垂直聲束，利用短脈衝回波和峰值估計算法測算ADCP至水面的距離。波向的測定，則通過對流速分量和波高進行互相關計算得出。測波功能一般由水底設備搭載，但近年也出現了具備測波功能的潛標。[12]

湍流測量

具有「脈衝相干」測流功能的ADCP能以高精度測量急劇的小規模水體運動，即湍流的流速。經過配置，這類ADCP便可用以測算湍流的參數，如垂直剪切應力（雷諾應力）、湍動能剪切生成率、垂直渦黏性係數參數以及湍動能耗散率等。其中，對流速分量使用柯爾莫哥洛夫結構函數是計算湍動能耗散率的一種經典方法。ADCP的湍流測量功能既可在固定的觀測平台上使用，也可應用在運動載具上，如潛標和水下滑翔機等。[13]

優勢與劣勢

優勢

ADCP有兩大優勢：首先是ADCP的遙感屬性，即這樣一個小型的設備能夠測量超過1000米範圍的剖面流速，為科學研究、工程和監測工作帶來了極大的便利；此外，ADCP沒有活動部件，因此可抗生物附着。這些特點使得ADCP能提供長期的洋流觀測。19世紀80年代中起，已有數千台ADCP在世界各大海洋中投入使用，改變了人類對洋流的認識，對洋流的研究和觀測有巨大貢獻。

劣勢

ADCP的劣勢是在測量區域的邊緣存在盲區，又稱旁瓣干擾。[14][2]旁瓣干擾區域通常占據剖面面積的6-12%。

作為水聲學設備共有的潛在問題，ADCP造成的超聲波噪音污染可能會干擾鯨目動物的導航和回聲定位能力[15]。具體的干擾效果由聲波頻率和設備的功率決定，但目前大多數ADCP的工作頻率處在較為安全的區間。

參考文獻

  1. ^ ADCPs - Acoustic Doppler Current Profilers | Geo-matching.com - The right choice. [2016-03-06]. （原始內容存檔於2018-02-06）. 
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 劉德鑄. 聲學多普勒流速測量關鍵技術研究[D]. 哈爾濱工程大學, 2010.
  3. ^ Repeat-Sequence Coding for Improved Precision of Doppler Sonar and Sodar, R. Pinkel and J. A. Smith. 
  4. ^ Acoustic doppler current profiler, US Patent 5615173. （原始內容存檔於2018-01-21）. 
  5. ^ Pulse-to-Pulse Coherent Doppler Sonar Signal Processing Techniques, Roger Lhermitte. 
  6. ^ 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. （原始內容存檔於2017-04-24）. 
  7. ^ 楊錦坤, 相文璽, 韋廣昊,等. 走航ADCP數據處理與質量控制方法研究[J]. 海洋通報, 2009, 28(6):101-105.
  8. ^ 熊學軍, 郭炳火, 胡筱敏. LADCP觀測和資料後處理的關鍵技術[J]. 海洋技術學報, 2003, 22(4):32-36.
  9. ^ 饒西平. ADCP測流與傳統測流的對比及應用[J]. 科技資訊, 2012(6):96-96.
  10. ^ 田淳, 劉少華. 聲學多普勒測流原理及其應用[M]. 黃河水利出版社, 2003.
  11. ^ 李紅敏, 蘇妍. 300kHz相控式多普勒流速儀換能器基陣設計[C]// 中國聲學學會2009年青年學術會議. 2009.
  12. ^ System and method for determining directional and non-directional fluid wave and current. US Patent office. [2017-08-11]. （原始內容存檔於2017-11-03）. 
  13. ^ 連強, 劉志宇. 強潮海灣中的湍流與混合:觀測與數值模擬[J]. 中國科學:地球科學, 2015(7).
  14. ^ 范東華, 諶業良. 聲學多普勒流速儀(ADCP)「旁辨」區數據處理方法的探討[J]. 水道港口, 2006(s1):45-48.
  15. ^ Hogan, C Michael. Icon Encyclopedia of Earth Topics. Washington, D.C.: Environmental Information Coalition, National Council for Science and the Environment. October 2011 [2012-09-13]. （原始內容存檔於2013-06-03）. 

參閲

外部連結

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