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聲學多普勒流速剖面儀
（水聲學流速計）
鎖定
- 中文名
- 聲學多普勒流速剖面儀
- 外文名
- Acoustic Doppler Current Profiler
- 用 途
- 水聲測流
- 簡 稱
- ADCP
聲學多普勒流速剖面儀發展歷史
ADCP的發展，歸納起來主要有四個階段：
（1）20世紀60～70年代探索研究階段
20世紀60年代初，美國邁阿密大學海洋實驗室與Airpax電子公司首先開展了聲學多普勒測流技術研究。1969～1970年期間，美國白橡樹海軍武器實驗室繼Kronengold之後亦進行了相關設計試驗。70年代初，中大洋動力學試驗（MODE）中採用薩沃紐斯轉子海流計，因轉子無法準確響應海洋上層動力學特性，由此加速了聲學多普勒測流剖面的研究。自此，美、英、法、加、日、挪威與中國先後開展了相關技術研究。經探索與試驗，首台船用ADCP於70年代中期誕生。著名的DCP 4400窄帶流速剖面儀於80年代形成。
（2）20世紀70年代末至80年代初窄帶ADCP發展階段
80年代初期，多普勒測流技術進入商業化研究階段。1982年，Rowe與Dienes兩人成立了RD儀器（RDI）公司，並先後研製出自容式ADCP、第一台船載ADCP、RD-SC1200型ADCP，以及5種不同頻率（75kHz～1200kHz）和3種測量方式（自容式、船載式、直讀式）的RD系列ADCP。80年代中期，美國的大型調查船、日本“神鷹”號均配備了ADCP，此後的一些重大國際海洋學科研項目亦使用了該類儀器。日本Furuno、法國Thomson、挪威Aanderaa等公司相繼推出窄帶ADCP。至此，ADCP已形成多頻率、多種類的商品化儀器，測流技術日趨成熟。
（3）20世紀80年代中期至90年代初寬帶ADCP發展階段
此後，RDI公司應用相控陣技術推出船載寬帶相控陣ADCP，該項技術使聲學換能器體積與重量減為常規換能器的
左右，對隨測深的增加給寬帶和窄帶ADCP帶來的問題得以有效解決。90年代初，碩泰克（Sontek）流速測量公司成立。諾泰克（Nortek）流速測量公司於1996年在挪威成立。90年代中後期，RDI於1995年報道了38kHz寬帶相控陣ADCP並於1998年申請了專利。
（4）20世紀90年代中期至今，寬帶束控技術發展及測流的多功能、多用途研究階段
21世紀，ADCP得以空前發展。維賽（Sontek/YSI）儀器公司於2002年成立並從應用角度開展多普勒測流技術研發，RDI從導航定位、海洋測流和內陸水資源探測三個方向開展研究。2005年，Teledyne RD Instrument（TRDI）成立。Nortek於2006年應用新型波浪數據處理技術根據水錶面跟蹤和流速數據結合壓力數據可分辨出三維波譜中風浪和湧浪大小和方向；2009年首創了Z-cell（零層）測量技術，即：除垂向3個換能器（2MHz）外，增加了橫向換能器（0.6MHz或1MHz）專門用於測量橫向二維流速，解決了盲區測流問題。目前TRDI、Sontek/YSl和Nortek已成為國外多普勒測流研發的三家主導公司。
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聲學多普勒流速剖面儀工作原理
水體中的散射體（如浮游生物、氣泡等）隨水體而流動，與水體融為一體，其速度即代表水流速度。當ADCP向水體中發射聲波脈衝信號時，這些聲波脈衝信號碰到散射體後產生反射，ADCP再對回波信號進行接收和處理。根據多普勒原理，發射聲波與散射回波頻率之間就存在多普勒頻率，這種頻率的變化取決於反射體的運動速度。通過測量多普勒頻移就能解算出ADCP和散射體的相對速度。ADCP換能器既是發射器又是接收器，它從根本上擺脱了機械式儀器的測驗原理。
當ADCP向水體中發射的聲波脈衝信號碰到水體中懸浮的、隨水體運動的微粒後產生反射，ADCP可以根據被反射到ADCP的聲波脈衝信號和ADCP發射的聲波脈衝信號頻率的差異（即多普勒頻移），計算出相對於ADCP的流速大小：
（1）式中，V為相對於測船的水體流速；Fd為聲學多普勒頻移；Fs為發射聲波脈衝信號頻率；c為聲波脈衝信號在水體中的傳播速度（不計鹽度和深度），即：
（2）式中，T為換能器附近的水體温度。
ADCP的每個換能器軸線組成一個波束座標，每個換能器測的流速是沿其波束座標方向的流速，任意三個換能器軸線組成一組相互獨立的空間beam座標系。ADCP有其自身的座標系（稱為局部座標系）：X－Y－Z。Z方向同ADCP軸線方向一致。ADCP先測出沿每一波束座標的流速分量；再把波束座標系的流速轉換為局部座標系的三維流速；最後用羅盤和傾斜計提供的方向和傾斜角把局部座標系的流速轉換為地球座標系的流速。
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聲學多普勒流速剖面儀特點
ADCP具有省時、高分辨率、高精度、信息海量完整、低能耗的特點，尤其適合於流態複雜條件下的測驗；它可進行流速流向的三維測量；能夠自動消除環境因素影響，並自動剔除質量欠佳的數據；能獲取懸移物的濃度剖面，為計算輸沙率、研究泥沙運移規律提供可靠的數據來源；尤其能測得水底卵石間的過隙流量，這是傳統測流根本無法做到的。ADCP測流是一種動態測流法，與傳統流速儀相比，ADCP數據採集方法在自然環境複雜、寬斷面、大流量的數據採集作業中尤能顯示其優越性，減輕了傳ADCP具有省時、高分辨率、高精度、信息海量完整、低能耗的特點，尤其適合於流態複雜條件下的測驗；它可進行流速流向的三維測量；能夠自動消除環境因素影響，並自動剔除質量欠佳的數據；能獲取懸移物的濃度剖面，為計算輸沙率、研究泥沙運移規律提供可靠的數據來源；尤其能測得水底卵石間的過隙流量，這是傳統測流根本無法做到的。ADCP測流是一種動態測流法，與傳統流速儀相比，ADCP數據採集方法在自然環境複雜、寬斷面、大流量的數據採集作業中尤能顯示其優越性，減輕了傳統工作的勞動強度，增加了數據的安全性。它應用多普勒原理揭示了海流的時空分佈特徵，能描述流體質點運動狀態，促進了研究者對海流和海浪的研究，也為海洋環境數值預報提供有效的海洋邊界層資料。
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聲學多普勒流速剖面儀應用
在國防建設方面：無論海上作戰、潛艇活動、反潛警戒，還是造艦、海洋軍工等均需海流數據資料。
在海洋環境保護與科研方面：從先前的探險到近代科考，人們不但逐漸認識了海洋，並正在向開發和利用海洋進軍。從近代海洋學的觀點看，海洋水文觀測是綜合性海洋調查中的最基本的組成部分，即探索海洋各水文現象的特性，研究其變化規律，闡明產生這些現象及引起它們變化的原因，為航海安全保證、海洋資源開發、海洋工程建設、海洋環境保護和科學研究提供資料。在陸架淺海及近岸河口海灣研究中，採用“方差法”將ADCP測得的原始流速數據可以計算雷諾應力和垂直渦黏性係數等湍流參數。國外的如波梅克斯試驗、熱帶大西洋試驗，氣團變性試驗，季風試驗等均屬於此類的試驗研究。
在國民經濟方面：主要包括航海交通、漁業生產、海洋開發和利用、環境保護等方面的應用。在中國的河流、湖泊、海洋等水文測驗中，ADCP均得到應用。ADCP除測流功能外，還可測得海洋表面波浪參數以及海水介質中懸浮物濃度，特別是船載式ADCP可測量船相對於海底的運動速度。
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聲學多普勒流速剖面儀安裝
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。
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聲學多普勒流速剖面儀優勢與劣勢
聲學多普勒流速剖面儀優勢
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。
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聲學多普勒流速剖面儀劣勢
ADCP的劣勢是在測量區域的邊緣存在盲區，又稱旁瓣干擾。旁瓣干擾區域通常佔據剖面面積的6-12%。
