声学多普勒流速剖面仪技术发展及其应用

1、声学多普勒流速剖面仪技术发展及其应用声学多普勒流速剖面仪（ADCP ）的出现得到了海洋学 界的高度重视，它的应用揭示了海流的时空分布特征，能描 述流体质点运动状态，被国际海委会定为4种先进的海洋观测仪器之一。本文较为全面系统地介绍了ADCP的原理、特点及其历史发展状况，以及 ADCP的应用情况。随着科学技 术的不断发展，以及人类对海洋认识的不断加深，ADCP将向轻便、小巧、精密、智能化且多功能、多用途方向发展， 并在智慧海洋及信息化等方面的应用与研究将发挥更显著 的作用。从养殖捕捞、防灾减灾到能源开发，凡与海洋有关的事 务均需海洋环境要素的观测与数据。ADCP能够提供高分辨率、高精度、信息海量

2、且完整的观测与数据，在实时监测海 洋流场对海洋科学研究、海洋经济建设和国防建设具有重要 意义。因海水引起的传输衰减，电磁波和强激光光波在海水中 很难穿透1公里的距离，而声波在海洋中的衰减仅为电磁波 的千分之一（低频声波在浅海中可传播数百公里，在大洋中 可以传播上万公里），所以，声波是目前可实际应用于海洋 远距离传播的物理场，研究海洋声波也成为认识海洋、研究 海洋的重要工具。ADCP就是利用声波多普勒效应发展起来的一种新型声呐测流设备。它既可测量相对水底速度，又可 兼顾测量相对水流速度。因ADCP采用声遥测方式对被测流场无干扰，且能获得高精度速度信息，既可用于导航定位， 又被广泛应用于包括对地波

3、雷达等先进海洋观测设备海流 对比验证在内的海洋及内陆河流工程与研究领域，因此被国 际海委会定为4种先进的海洋观测仪器之一。一、ADCPADCP是一种融合水声物理、水声换能器设计、电子技 术和信号处理等多学科而研制的新型测速声呐设备，作为水 声技术的一个典型应用，多普勒流速测量为这些相关学科提 供了一个良好的综合应用平台。（一）基本概念ADCP （ AcousticDoppler Current Profiler，声学多普勒流速剖面仪），利用声学多普勒原理，测量分层水介质散射信 号的频移信息，并利用矢量合成方法获取海流垂直剖面水流 速度，即水流的垂直剖面分布。对被测验流场不产生任何扰动，也不存在

4、机械惯性和机械磨损 2-3，能一次测得一个剖面上 若干层流速的三维分量和绝对方向，是一种新型水声测流仪（二）多普勒效应波源和观察者具有相对运动时，观察者接收到波的频率 与波源发出的频率并不相同这一现象被称为多普勒效应（为 纪念奥地利物理学家及数学家克里斯琴约翰多普勒于 1842年最先提出这一理论而命名），不仅应用于声波，也应用于所有类型的波，如电磁波。ADCP就是利用声波的多普勒效应发展起来的一种新型测流设备，它既能测量相对水底 速度，又可兼顾测得相对水流速度。（三）测流原理水体中的散射体（如浮游生物、气泡等）随水体而流动， 与水体融为一体，其速度即代表水流速度。当ADCP向水体中发射声波脉冲

5、信号时，这些声波脉冲信号碰到散射体后产 生反射，ADCP再对回波信号进行接收和处理。根据多普勒 原理，发射声波与散射回波频率之间就存在多普勒频率，这 种频率的变化取决于反射体的运动速度。通过测量多普勒频 移就能解算出ADCP和散射体的相对速度。ADCP换能器既 是发射器又是接收器，它从根本上摆脱了机械式仪器的测验 原理。当ADCP向水体中发射的声波脉冲信号碰到水体中悬浮 的、随水体运动的微粒后产生反射，ADCP可以根据被反射到ADCP的声波脉冲信号和ADCP发射的声波脉冲信号频率 的差异（即多普勒频移），计算出相对于ADCP的流速大小：V = cx Fd/ （2Fs）式中：V为相对于测船的水体

6、流速；Fd为声学多普勒频移；Fs为发射声波脉冲信号频率；c为声波脉冲信号在水体中的传播速度（不计盐度和深度），即：c= 1449.2 + 4.6T- 5.5X 10 - 2T2 + 2.9X 10 -4T3式中：T为换能器附近的水体温度。ADCP的每个换能器轴线组成一个波束坐标，每个换能 器测的流速是沿其波束坐标方向的流速，任意三个换能器轴 线组成一组相互独立的空间beam坐标系。ADCP有其自身的坐标系（称为局部坐标系）：X - 丫 - Z。Z方向同 ADCP 轴线方向一致。ADCP先测出沿每一波束坐标的流速分量； 再把波束坐标系的流速转换为局部坐标系的三维流速；最后 用罗盘和倾斜计提供的方

7、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。（四）ADCFP勺分类目前测流仪器种类繁多，依其原理不同可分为机械式、 压力式、电磁式、声学海流计等。按数据读取方式ADCP可分为直读式，自容式 2种；按其工作方式不同，又可将它分 为3种：自容式ADCP ;直读式ADCP ;船用式（走航式） ADCP。按多普勒测流现有发射信号模糊函数的不同，多普 勒流速测量可分为非相干（亦称窄带方式，用于层厚要求不高、作用距离远的测区）、相干（用于浅水高分辨的测流环境）和宽带（集合了前两者的优点，是二者的融合体）3种方式。（五）ADCP勺特点ADCP具有省时、高分辨率、高精度、信息海量完整、 低能耗的特点

8、，尤其适合于流态复杂条件下的测验；它可进 行流速流向的三维测量；能够自动消除环境因素影响，并自 动剔除质量欠佳的数据；能获取悬移物的浓度剖面，为计算 输沙率、研究泥沙运移规律提供可靠的数据来源；尤其能测 得水底卵石间的过隙流量，这是传统测流根本无法做到的； ADCP测流是一种动态测流法，与传统流速仪相比，ADCP数据采集方法在自然环境复杂、宽断面、大流量的数据采集 作业中尤能显示其优越性，减轻了传统工作的劳动强度，增 加了数据的安全性。所以它一出现就得到海洋学界的高度重 视，认为它应用多普勒原理揭示了海流的时空分布特征，能 描述流体质点运动状态。这就促进了研究者对海流和海浪的 研究，也为海洋环

9、境数值预报提供有效的海洋边界层资料。、ADCP的发展历程（一）ADCFP勺起源与发展 早期的海流计是“全机械式”，以“印刷式海流计”为 代表，它从速度探头到数据记录全由机械运动完成，且机械 运动部分易受机械损伤或异物缠绕，机械惯性严重影响测量 系统的响应时间，以法拉第效应理论基础的电磁式海流计为 代表的一种替代品由此诞生了。因光波在深海里面几乎难以 传播，而声波在水中传播的性能十分稳定，所以声波作为水 流速度测量的载体便成为必然，多普勒流速仪由此诞生。ADCP已历经半个多世纪的发展，归纳起来主要有四个 阶段6:二十世纪60年代至70年代探索研究阶段；二 十世纪70年代末至80年代初窄带ADCP

10、发展阶段；二十 世纪80年代中期至90年代初宽带ADCP发展阶段；二十 世纪90年代中期至今，宽带束控技术发展及测流的多功能、 多用途研究阶段。(二) 国外发展状况导航声呐主要包括声多普勒计程仪(ADL)和声相关计程仪(ACL)。声多普勒计程仪(ADL)发展较早，在其基础上发 展了声多普勒海流剖面仪 (ADCP)，ADCP又推动了 ADL的 发展。上世纪60年代初，美国迈阿密大学海洋实验室与 Airpax 电子公司首先开展了声学多普勒测流技术研究。 1969至1970 年期间，美国白橡树海军武器实验室继Kronengold之后亦进行了相关设计试验。70年代初，中大洋动力学试验（MODE） 中采

11、用萨沃纽斯转子海流计，因转子无法准确响应海洋上层 动力学特性，由此加速了声学多普勒测流剖面的研究。自此，美、英、法、力口、日、挪威与我国先后开展了相关技术研究。 经探索与试验，首台船用 ADCP于70年代中期诞生。著名 的DCP4400窄带流速剖面仪于 80年代形成。上世纪80年代初期，多普勒测流技术进入商业化研究 阶段。1982年，Rowe与Dienes两人成立了日后测流业界熟 知的RD仪器（RDI）公司，并先后研制出自容式 ADCP、第一 台船载 ADCP、RD-SC1200型ADCP，以及五种不同频率（75kHz1200kHz ）和三种测量方式（自容式、船载式、直 读式）的RD系列ADC

12、P。80年代中期，美国的大型调查船、 日本“神鹰”号均配备了 ADCP，此后的一些重大国际海洋 学科研项目亦使用了该类仪器。日本Furuno、法国Thomson、挪威Aanderaa等公司相继推出窄带 ADCP。至此，ADCP已 形成多频率、多种类的商品化仪器，测流技术日趋成熟。此后，RDI公司应用相控阵技术推出船载宽带相控阵ADCP，该项技术使声学换能器体积与重量减为常规换能器的1/10左右，对随测深的增加给宽带和窄带 ADCP带来的问 题得以有效解决。九十年代初，硕泰克（Sontek）流速测量公司 成立。诺泰克（Nortek）流速测量公司于1996年在挪威成立。90年代中后期，RDI于19

13、95年报道了 38KHZ宽带相控阵ADCP并于1998年申请了专利21世纪，ADCP得以空前发展。维赛（Sontek/YSI）仪器 公司于2002年成立并从应用角度开展多普勒测流技术研发， RDI从导航定位、海洋测流和内陆水资源探测三个方向开展 研究。2005 年，Teledyne RD Instrument（TRDI）成立。Nortek 于2006年应用新型波浪数据处理技术根据水表面跟踪和流 速数据结合压力数据可分辨出三维波谱中风浪和涌浪大小 和方向；2009年首创了 Z-cell （零层）测量技术12，即： 除垂向三个换能器（2MHz ）外，增加了横向换能器（0.6MHz 或1MHz ）专

14、门用于测量横向二维流速，解决了盲区测流问 题。目前TRDI、Sontek/YSl和Nortek已成为国外多普勒测 流研发的三家主导公司。（三）国内测流技术的发展国内海流测量技术经历了三个阶段：20世纪5070年代纯机械海流计，80年代单点电测海流计， 90年代后以ADCP为主。国家海洋局海洋技术研究所于1972年以课题立项方式首先就船载多普勒测流技术进行研究，由此拉开我国 对ADCP研究的序幕。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。1983年以“关于脉冲对估计方法的研究”为代表的研究加速了我 国多普勒测流技术的发展进程。相关单位相继开展了有关AD

15、CP的攻关课题，如“走航式声学多普勒海流剖面仪（ADCP）"，该项目于1997年完成样机（200KHZ走航式窄带 ADCP）实验。进入21世纪，专家组验收了国家863项目“船用多功能声学多普勒海流剖面测量仪 （ADCP） ”。国内相关研究单位 与高校先后进行宽带多普勒测流技术研究并分析了宽带多 普勒流速仪信号的特性，以及相控阵技术方面的研究。相关 单位对ADCP测流工程样机进行了研制，“海洋环境监测设 备适用性检验技术项目”对技术成熟、具备产品化条件的设 备开展了多基检测平台的第三方独立检验与验证，检验结果 显示：国产IOA 150KHz、150KHZ自容式设备与同频率 RDI 自容

16、式ADCP在测流误差、最大剖面深度上相当。随着研究 的逐步深入，国内多普勒测流技术日趋成熟，并在现代测流 应用服务中发挥其应有作用。三、ADCP应用国防建设方面：无论海上作战、潜艇活动、反潜警戒，还 是造舰、海洋军工等均需海流数据资料。海洋环境保护与科研方面：从先前的探险到近代科考， 人们不但逐渐认识了海洋，并正在向开发和利用海洋进军。 从近代海洋学的观点看，海洋水文观测是综合性海洋调查中 的最基本的组成部分，即探索海洋各水文现象的特性，研究 其变化规律，阐明产生这些现象及引起它们变化的原因，为 航海安全保证、海洋资源开发、海洋工程建设、海洋环境保 护和科学研究提供资料。在陆架浅海及近岸河口海

17、湾研究中， 采用“方差法”将ADCP测得的原始流速数据可以计算雷诺 应力和垂直涡黏性系数等湍流参数。国外的如波梅克斯实验、 热带大西洋实验，气团变性实验，季风实验等等均属于此类 的实验研究。国民经济方面：主要包括航海交通、渔业生产、海洋开 发和利用、环境保护等方面的应用。在我国的河流、湖泊、 海洋等水文测验中，ADCP均得到应用。ADCP除测流功能 外，还可测得海洋表面波浪参数以及海水介质中悬浮物浓度， 特别是船载式ADCP可测量船相对于海底的运动速度。近年来，ADCP先后在我国水运工程领域已逐步得到推 广应用。1997年三峡工程大江截流和 2002年三峡工程明渠 截流17，以及广东北江飞来峡

18、截流均使用ADCP进行流量观测，并取得圆满成功。2002年，长江水利委员会与RDI公司联合在国内首次开展 ADCP与DGPS、测深仪及电罗经 集成的试验14，解决了 ADCP在洪水期高含沙量水流、水 底存在推移质运动以及磁罗盘受铁壳船干扰等问题。上海国 际航运中心洋山深水港水深、流急、高含沙量，建设中使用 ADCP和常规流速仪进行了水文、地形动态跟踪监测，通过 对资料分析，其结果表明，ADCP测验速度快、精度高，具有常规流速仪不可比拟的优越性。其它如杭州湾跨海大桥， 在建港珠澳大桥工程等亦使用了ADCP。ADCP实时海流信息经处理后在海图上显示实时流速、 流向等信息，并将海流信息存储在服务器端

19、数据库 SQLServer中且实现实时更新，通过制作海流符号，ECDIS客户端程序定时访问数据中心服务器20。这样，航行者便可实时掌握目的地港口海流的动态，节省时间的同时，使得 航行者能根据水流情况合理安排进港时间与路径，尤其在狭 长水道、浅水区域、船舶密集等水域，能够提高进港效率，从而提高了经济效益。如果存在流速过大等情况，航行者可决 定延缓进港时间，从而确保通航安全。在试验比对与验证方面方面：2012年10月2013年6月，交通运输部天津水运工程科学研究院水文测验组应用 RDI 600KHz ADCP对高频地波雷达进行了对比试验，结果 显示：两者所测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），偏差均值为8.3cm/s,流向最大偏差80 度（中潮期），偏差均值 22.6 °。考虑到测试比对中如仪器 观测误差、雷达合成不确定性、目标差异与误差贡献等误差 来源，参考相关文献认为：地波雷达所测表流的观测精度是 可以接受的。通过应用 ADCP与国