聲學多普勒流速剖面儀
編輯聲學多普勒水流剖面儀 (ADCP) 是一種類似于聲納的水聲水流計,用于利用從水柱內的粒子散射回來的聲波的多普勒效應來測量一定深度范圍內的水流速度。 術語 ADCP 是所有聲學電流剖面儀的通用術語,盡管該縮寫起源于 RD Instruments 在 1980 年代推出的儀器系列。 ADCP 的工作頻率范圍從 38 kHz 到幾兆赫茲。 在空中使用聲音進行風速分析的設備稱為 SODAR,其工作原理相同。
工作原理
編輯ADCP 包含用于傳輸和接收聲音信號的壓電換能器。 聲波的傳播時間給出了距離的估計。 回聲的頻移與沿聲波路徑的水流速度成正比。 要測量 3D 速度,至少需要三個光束。 在河流中,只有 2D 速度是相關的,ADCP 通常有兩個波束。 近年來,ADCP 中增加了更多功能(特別是波浪和湍流測量),并且可以找到具有 2、3、4、5 甚至 9 個光束的系統。
ADCP 的其他組件包括電子放大器、接收器、測量行進時間的時鐘、溫度傳感器、了解航向的羅盤和了解方位的俯仰/滾動傳感器。 需要模數轉換器和數字信號處理器對返回信號進行采樣以確定多普勒頻移。 溫度傳感器用于使用海水狀態方程估計儀器位置處的聲速,并使用它來估計頻率偏移到水速的比例。 此過程假定鹽度具有預先配置的常數值。 最后,將結果保存到內部存儲器或在線輸出到外部顯示軟件。
處理方法
編輯三種常用方法用于計算多普勒頻移,從而計算沿聲束的水流速度。 xxx種方法使用單色發射脈沖,稱為非相干或窄帶。 該方法穩健并提供優質的平均電流分布,但時空分辨率有限。 當發射脈沖由重復的編碼元素組成時,該方法稱為重復序列編碼或寬帶。 該方法將時空分辨率提高了 5 倍(典型值)。 在商業上,這種方法在 2011 年之前受到美國專利 5615173 的保護。脈沖到脈沖相干方法依賴于一系列發射脈沖,其中假定來自后續脈沖的回波不會相互干擾。 該方法僅適用于非常短的剖面范圍,但相應的時空分辨率提高了 1000 數量級。
應用
編輯根據安裝方式,可以區分側視、下視和上視 ADCP。 底部安裝的 ADCP 可以等間隔地測量電流的速度和方向,一直到表面。 側向安裝在河流或運河中的墻壁或橋樁上,它可以測量兩岸之間的水流剖面。 在非常深的水中,它們可以從水面通過電纜下降。
主要用途是海洋學。 該儀器還可用于河流和運河,以連續測量流量。
安裝在水柱內的系泊設備上或直接安裝在海床上,可以進行水流和波浪研究。 它們一次可以在水下停留數年,限制因素是電池組的使用壽命。 根據部署的性質,儀器通常能夠從岸上供電,使用相同的臍帶電纜進行數據通信。 通過用鋰電池組代替標準堿性電池組,部署時間可以延長三倍。
底部追蹤
通過調整計算多普勒頻移的窗口,可以測量儀器與底部之間的相對速度。 此功能稱為底部跟蹤。 該過程分為兩部分; 首先從回聲中確定底部的位置,然后從以底部位置為中心的窗口計算速度。 當 ADCP 安裝在移動的船上時,可以從測得的水流速度中減去底部軌道速度。 結果是凈電流曲線。 底軌為沿海地區的水流調查提供了基礎。 在聲學信號無法到達水底的深水中,船速是根據來自 GPS、陀螺儀等的速度和航向信息的更復雜組合來估算的。
放電測量
在河流中,ADCP 用于測量總水運量。 該方法需要一艘側面安裝有 ADCP 的船只從一個岸邊穿越到另一個岸邊。
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