聲學(xué)多普勒流速剖面儀技術(shù)發(fā)展及其應(yīng)用

1、聲學(xué)多普勒流速剖面儀技術(shù)發(fā)展及其應(yīng)用聲學(xué)多普勒流速剖面儀（ADCP ）的出現(xiàn)得到了海洋學(xué) 界的高度重視，它的應(yīng)用揭示了海流的時空分布特征，能描 述流體質(zhì)點運動狀態(tài)，被國際海委會定為4種先進的海洋觀測儀器之一。本文較為全面系統(tǒng)地介紹了ADCP的原理、特點及其歷史發(fā)展?fàn)顩r，以及 ADCP的應(yīng)用情況。隨著科學(xué)技 術(shù)的不斷發(fā)展，以及人類對海洋認識的不斷加深，ADCP將向輕便、小巧、精密、智能化且多功能、多用途方向發(fā)展， 并在智慧海洋及信息化等方面的應(yīng)用與研究將發(fā)揮更顯著 的作用。從養(yǎng)殖捕撈、防災(zāi)減災(zāi)到能源開發(fā)，凡與海洋有關(guān)的事 務(wù)均需海洋環(huán)境要素的觀測與數(shù)據(jù)。ADCP能夠提供高分辨率、高精度、信息海量

2、且完整的觀測與數(shù)據(jù)，在實時監(jiān)測海 洋流場對海洋科學(xué)研究、海洋經(jīng)濟建設(shè)和國防建設(shè)具有重要 意義。因海水引起的傳輸衰減，電磁波和強激光光波在海水中 很難穿透1公里的距離，而聲波在海洋中的衰減僅為電磁波 的千分之一（低頻聲波在淺海中可傳播數(shù)百公里，在大洋中 可以傳播上萬公里），所以，聲波是目前可實際應(yīng)用于海洋 遠距離傳播的物理場，研究海洋聲波也成為認識海洋、研究 海洋的重要工具。ADCP就是利用聲波多普勒效應(yīng)發(fā)展起來的一種新型聲吶測流設(shè)備。它既可測量相對水底速度，又可 兼顧測量相對水流速度。因ADCP采用聲遙測方式對被測流場無干擾，且能獲得高精度速度信息，既可用于導(dǎo)航定位， 又被廣泛應(yīng)用于包括對地波

3、雷達等先進海洋觀測設(shè)備海流 對比驗證在內(nèi)的海洋及內(nèi)陸河流工程與研究領(lǐng)域，因此被國 際海委會定為4種先進的海洋觀測儀器之一。一、ADCPADCP是一種融合水聲物理、水聲換能器設(shè)計、電子技 術(shù)和信號處理等多學(xué)科而研制的新型測速聲吶設(shè)備，作為水 聲技術(shù)的一個典型應(yīng)用，多普勒流速測量為這些相關(guān)學(xué)科提 供了一個良好的綜合應(yīng)用平臺。（一）基本概念A(yù)DCP （ AcousticDoppler Current Profiler，聲學(xué)多普勒流速剖面儀），利用聲學(xué)多普勒原理，測量分層水介質(zhì)散射信 號的頻移信息，并利用矢量合成方法獲取海流垂直剖面水流 速度，即水流的垂直剖面分布。對被測驗流場不產(chǎn)生任何擾動，也不存在

4、機械慣性和機械磨損 2-3，能一次測得一個剖面上 若干層流速的三維分量和絕對方向，是一種新型水聲測流儀（二）多普勒效應(yīng)波源和觀察者具有相對運動時，觀察者接收到波的頻率 與波源發(fā)出的頻率并不相同這一現(xiàn)象被稱為多普勒效應(yīng)（為 紀(jì)念奧地利物理學(xué)家及數(shù)學(xué)家克里斯琴約翰多普勒于 1842年最先提出這一理論而命名），不僅應(yīng)用于聲波，也應(yīng)用于所有類型的波，如電磁波。ADCP就是利用聲波的多普勒效應(yīng)發(fā)展起來的一種新型測流設(shè)備，它既能測量相對水底 速度，又可兼顧測得相對水流速度。（三）測流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(dāng)ADCP向水體中發(fā)射聲波脈沖

5、信號時，這些聲波脈沖信號碰到散射體后產(chǎn) 生反射，ADCP再對回波信號進行接收和處理。根據(jù)多普勒 原理，發(fā)射聲波與散射回波頻率之間就存在多普勒頻率，這 種頻率的變化取決于反射體的運動速度。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(fā)射器又是接收器，它從根本上擺脫了機械式儀器的測驗 原理。當(dāng)ADCP向水體中發(fā)射的聲波脈沖信號碰到水體中懸浮 的、隨水體運動的微粒后產(chǎn)生反射，ADCP可以根據(jù)被反射到ADCP的聲波脈沖信號和ADCP發(fā)射的聲波脈沖信號頻率 的差異（即多普勒頻移），計算出相對于ADCP的流速大?。篤 = cx Fd/ （2Fs）式中：V為相對于測船的水體

6、流速；Fd為聲學(xué)多普勒頻移；Fs為發(fā)射聲波脈沖信號頻率；c為聲波脈沖信號在水體中的傳播速度（不計鹽度和深度），即：c= 1449.2 + 4.6T- 5.5X 10 - 2T2 + 2.9X 10 -4T3式中：T為換能器附近的水體溫度。ADCP的每個換能器軸線組成一個波束坐標(biāo)，每個換能 器測的流速是沿其波束坐標(biāo)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坐標(biāo)系。ADCP有其自身的坐標(biāo)系（稱為局部坐標(biāo)系）：X - 丫 - Z。Z方向同 ADCP 軸線方向一致。ADCP先測出沿每一波束坐標(biāo)的流速分量； 再把波束坐標(biāo)系的流速轉(zhuǎn)換為局部坐標(biāo)系的三維流速；最后 用羅盤和傾斜計提供的方

7、向和傾斜角把局部坐標(biāo)系的流速 轉(zhuǎn)換為地球坐標(biāo)系的流速。（四）ADCFP勺分類目前測流儀器種類繁多，依其原理不同可分為機械式、 壓力式、電磁式、聲學(xué)海流計等。按數(shù)據(jù)讀取方式ADCP可分為直讀式，自容式 2種；按其工作方式不同，又可將它分 為3種：自容式ADCP ;直讀式ADCP ;船用式（走航式） ADCP。按多普勒測流現(xiàn)有發(fā)射信號模糊函數(shù)的不同，多普 勒流速測量可分為非相干（亦稱窄帶方式，用于層厚要求不高、作用距離遠的測區(qū)）、相干（用于淺水高分辨的測流環(huán)境）和寬帶（集合了前兩者的優(yōu)點，是二者的融合體）3種方式。（五）ADCP勺特點ADCP具有省時、高分辨率、高精度、信息海量完整、 低能耗的特點

8、，尤其適合于流態(tài)復(fù)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(huán)境因素影響，并自 動剔除質(zhì)量欠佳的數(shù)據(jù)；能獲取懸移物的濃度剖面，為計算 輸沙率、研究泥沙運移規(guī)律提供可靠的數(shù)據(jù)來源；尤其能測 得水底卵石間的過隙流量，這是傳統(tǒng)測流根本無法做到的； ADCP測流是一種動態(tài)測流法，與傳統(tǒng)流速儀相比，ADCP數(shù)據(jù)采集方法在自然環(huán)境復(fù)雜、寬斷面、大流量的數(shù)據(jù)采集 作業(yè)中尤能顯示其優(yōu)越性，減輕了傳統(tǒng)工作的勞動強度，增 加了數(shù)據(jù)的安全性。所以它一出現(xiàn)就得到海洋學(xué)界的高度重 視，認為它應(yīng)用多普勒原理揭示了海流的時空分布特征，能 描述流體質(zhì)點運動狀態(tài)。這就促進了研究者對海流和海浪的 研究，也為海洋環(huán)

9、境數(shù)值預(yù)報提供有效的海洋邊界層資料。、ADCP的發(fā)展歷程（一）ADCFP勺起源與發(fā)展 早期的海流計是“全機械式”，以“印刷式海流計”為 代表，它從速度探頭到數(shù)據(jù)記錄全由機械運動完成，且機械 運動部分易受機械損傷或異物纏繞，機械慣性嚴(yán)重影響測量 系統(tǒng)的響應(yīng)時間，以法拉第效應(yīng)理論基礎(chǔ)的電磁式海流計為 代表的一種替代品由此誕生了。因光波在深海里面幾乎難以 傳播，而聲波在水中傳播的性能十分穩(wěn)定，所以聲波作為水 流速度測量的載體便成為必然，多普勒流速儀由此誕生。ADCP已歷經(jīng)半個多世紀(jì)的發(fā)展，歸納起來主要有四個 階段6:二十世紀(jì)60年代至70年代探索研究階段；二 十世紀(jì)70年代末至80年代初窄帶ADCP

10、發(fā)展階段；二十 世紀(jì)80年代中期至90年代初寬帶ADCP發(fā)展階段；二十 世紀(jì)90年代中期至今，寬帶束控技術(shù)發(fā)展及測流的多功能、 多用途研究階段。(二) 國外發(fā)展?fàn)顩r導(dǎo)航聲吶主要包括聲多普勒計程儀(ADL)和聲相關(guān)計程儀(ACL)。聲多普勒計程儀(ADL)發(fā)展較早，在其基礎(chǔ)上發(fā) 展了聲多普勒海流剖面儀 (ADCP)，ADCP又推動了 ADL的 發(fā)展。上世紀(jì)60年代初，美國邁阿密大學(xué)海洋實驗室與 Airpax 電子公司首先開展了聲學(xué)多普勒測流技術(shù)研究。 1969至1970 年期間，美國白橡樹海軍武器實驗室繼Kronengold之后亦進行了相關(guān)設(shè)計試驗。70年代初，中大洋動力學(xué)試驗（MODE） 中采

11、用薩沃紐斯轉(zhuǎn)子海流計，因轉(zhuǎn)子無法準(zhǔn)確響應(yīng)海洋上層 動力學(xué)特性，由此加速了聲學(xué)多普勒測流剖面的研究。自此，美、英、法、力口、日、挪威與我國先后開展了相關(guān)技術(shù)研究。 經(jīng)探索與試驗，首臺船用 ADCP于70年代中期誕生。著名 的DCP4400窄帶流速剖面儀于 80年代形成。上世紀(jì)80年代初期，多普勒測流技術(shù)進入商業(yè)化研究 階段。1982年，Rowe與Dienes兩人成立了日后測流業(yè)界熟 知的RD儀器（RDI）公司，并先后研制出自容式 ADCP、第一 臺船載 ADCP、RD-SC1200型ADCP，以及五種不同頻率（75kHz1200kHz ）和三種測量方式（自容式、船載式、直 讀式）的RD系列ADC

12、P。80年代中期，美國的大型調(diào)查船、 日本“神鷹”號均配備了 ADCP，此后的一些重大國際海洋 學(xué)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(shù)日趨成熟。此后，RDI公司應(yīng)用相控陣技術(shù)推出船載寬帶相控陣ADCP，該項技術(shù)使聲學(xué)換能器體積與重量減為常規(guī)換能器的1/10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。九十年代初，碩泰克（Sontek）流速測量公司 成立。諾泰克（Nortek）流速測量公司于1996年在挪威成立。90年代中后期，RDI于19

13、95年報道了 38KHZ寬帶相控陣ADCP并于1998年申請了專利21世紀(jì)，ADCP得以空前發(fā)展。維賽（Sontek/YSI）儀器 公司于2002年成立并從應(yīng)用角度開展多普勒測流技術(shù)研發(fā)， RDI從導(dǎo)航定位、海洋測流和內(nèi)陸水資源探測三個方向開展 研究。2005 年，Teledyne RD Instrument（TRDI）成立。Nortek 于2006年應(yīng)用新型波浪數(shù)據(jù)處理技術(shù)根據(jù)水表面跟蹤和流 速數(shù)據(jù)結(jié)合壓力數(shù)據(jù)可分辨出三維波譜中風(fēng)浪和涌浪大小 和方向；2009年首創(chuàng)了 Z-cell （零層）測量技術(shù)12，即： 除垂向三個換能器（2MHz ）外，增加了橫向換能器（0.6MHz 或1MHz ）專

14、門用于測量橫向二維流速，解決了盲區(qū)測流問 題。目前TRDI、Sontek/YSl和Nortek已成為國外多普勒測 流研發(fā)的三家主導(dǎo)公司。（三）國內(nèi)測流技術(shù)的發(fā)展國內(nèi)海流測量技術(shù)經(jīng)歷了三個階段：20世紀(jì)5070年代純機械海流計，80年代單點電測海流計， 90年代后以ADCP為主。國家海洋局海洋技術(shù)研究所于1972年以課題立項方式首先就船載多普勒測流技術(shù)進行研究，由此拉開我國 對ADCP研究的序幕。先后歷經(jīng)原理性實驗和樣機試驗，于 1983年在青島海區(qū)利用脈沖鎖相技術(shù)完成了整機海試。1983年以“關(guān)于脈沖對估計方法的研究”為代表的研究加速了我 國多普勒測流技術(shù)的發(fā)展進程。相關(guān)單位相繼開展了有關(guān)AD

15、CP的攻關(guān)課題，如“走航式聲學(xué)多普勒海流剖面儀（ADCP）"，該項目于1997年完成樣機（200KHZ走航式窄帶 ADCP）實驗。進入21世紀(jì)，專家組驗收了國家863項目“船用多功能聲學(xué)多普勒海流剖面測量儀 （ADCP） ”。國內(nèi)相關(guān)研究單位 與高校先后進行寬帶多普勒測流技術(shù)研究并分析了寬帶多 普勒流速儀信號的特性，以及相控陣技術(shù)方面的研究。相關(guān) 單位對ADCP測流工程樣機進行了研制，“海洋環(huán)境監(jiān)測設(shè) 備適用性檢驗技術(shù)項目”對技術(shù)成熟、具備產(chǎn)品化條件的設(shè) 備開展了多基檢測平臺的第三方獨立檢驗與驗證，檢驗結(jié)果 顯示：國產(chǎn)IOA 150KHz、150KHZ自容式設(shè)備與同頻率 RDI 自容

16、式ADCP在測流誤差、最大剖面深度上相當(dāng)。隨著研究 的逐步深入，國內(nèi)多普勒測流技術(shù)日趨成熟，并在現(xiàn)代測流 應(yīng)用服務(wù)中發(fā)揮其應(yīng)有作用。三、ADCP應(yīng)用國防建設(shè)方面：無論海上作戰(zhàn)、潛艇活動、反潛警戒，還 是造艦、海洋軍工等均需海流數(shù)據(jù)資料。海洋環(huán)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，并正在向開發(fā)和利用海洋進軍。 從近代海洋學(xué)的觀點看，海洋水文觀測是綜合性海洋調(diào)查中 的最基本的組成部分，即探索海洋各水文現(xiàn)象的特性，研究 其變化規(guī)律，闡明產(chǎn)生這些現(xiàn)象及引起它們變化的原因，為 航海安全保證、海洋資源開發(fā)、海洋工程建設(shè)、海洋環(huán)境保 護和科學(xué)研究提供資料。在陸架淺海及近岸河口海

17、灣研究中， 采用“方差法”將ADCP測得的原始流速數(shù)據(jù)可以計算雷諾 應(yīng)力和垂直渦黏性系數(shù)等湍流參數(shù)。國外的如波梅克斯實驗、 熱帶大西洋實驗，氣團變性實驗，季風(fēng)實驗等等均屬于此類 的實驗研究。國民經(jīng)濟方面：主要包括航海交通、漁業(yè)生產(chǎn)、海洋開 發(fā)和利用、環(huán)境保護等方面的應(yīng)用。在我國的河流、湖泊、 海洋等水文測驗中，ADCP均得到應(yīng)用。ADCP除測流功能 外，還可測得海洋表面波浪參數(shù)以及海水介質(zhì)中懸浮物濃度， 特別是船載式ADCP可測量船相對于海底的運動速度。近年來，ADCP先后在我國水運工程領(lǐng)域已逐步得到推 廣應(yīng)用。1997年三峽工程大江截流和 2002年三峽工程明渠 截流17，以及廣東北江飛來峽

18、截流均使用ADCP進行流量觀測，并取得圓滿成功。2002年，長江水利委員會與RDI公司聯(lián)合在國內(nèi)首次開展 ADCP與DGPS、測深儀及電羅經(jīng) 集成的試驗14，解決了 ADCP在洪水期高含沙量水流、水 底存在推移質(zhì)運動以及磁羅盤受鐵殼船干擾等問題。上海國 際航運中心洋山深水港水深、流急、高含沙量，建設(shè)中使用 ADCP和常規(guī)流速儀進行了水文、地形動態(tài)跟蹤監(jiān)測，通過 對資料分析，其結(jié)果表明，ADCP測驗速度快、精度高，具有常規(guī)流速儀不可比擬的優(yōu)越性。其它如杭州灣跨海大橋， 在建港珠澳大橋工程等亦使用了ADCP。ADCP實時海流信息經(jīng)處理后在海圖上顯示實時流速、 流向等信息，并將海流信息存儲在服務(wù)器端

19、數(shù)據(jù)庫 SQLServer中且實現(xiàn)實時更新，通過制作海流符號，ECDIS客戶端程序定時訪問數(shù)據(jù)中心服務(wù)器20。這樣，航行者便可實時掌握目的地港口海流的動態(tài)，節(jié)省時間的同時，使得 航行者能根據(jù)水流情況合理安排進港時間與路徑，尤其在狹 長水道、淺水區(qū)域、船舶密集等水域，能夠提高進港效率，從而提高了經(jīng)濟效益。如果存在流速過大等情況，航行者可決 定延緩進港時間，從而確保通航安全。在試驗比對與驗證方面方面：2012年10月2013年6月，交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究院水文測驗組應(yīng)用 RDI 600KHz ADCP對高頻地波雷達進行了對比試驗，結(jié)果 顯示：兩者所測表面流速及流向在剔除粗差后的流速最大偏 差33cm/s （中潮期），偏差均值為8.3cm/s,流向最大偏差80 度（中潮期），偏差均值 22.6 °。考慮到測試比對中如儀器 觀測誤差、雷達合成不確定性、目標(biāo)差異與誤差貢獻等誤差 來源，參考相關(guān)文獻認為：地波雷達所測表流的觀測精度是 可以接受的。通過應(yīng)用 ADCP與國