ADCP技术发展及其应用综述

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1、万方数据第36卷第2期2016年3月海洋测绘HYDROGRAPHICSURVEY小GANDCHARTⅡNGV01．36．No．2Mar．，2016DOI：10．3969／j．issn．1671—3044．2016．02．Ol1ADCP技术发展及其应用综述刘彦祥(交通运输部天津水运工程科学研究院，天津300456)摘要：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。全面系统地介绍了ADCP的原理、特点及其历史发展状况，以及应用的情况。随着科学技术的不断发展．以

2、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发挥更显著的作用。关键词：声学多普勒流速剖面仪；多普勒效应；高频地波雷达；频移；散射体；换能器；ECDIS中图分类号：P715．7文献标志码：A文章编号：1671．3044(2016)02．0045．051引言从养殖捕捞、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

3、水中很难穿透lkm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百千米，在大洋中可以传播上万千米)，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[I]。ADCP就是利用声波多普勒效应发展起来的一种新型声纳测流设备。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。2声学多普

4、勒流速剖面仪ADCP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纳设备，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。2．1ADCP的基本概念声学多普勒流速剖面仪(ADCP)，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器。2．2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

5、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。2．3ADCP的测流原理[2、4]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

6、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。收稿日期：2015．09．24；修回日期：2015-12-10基金项目：中央级公益性科研院所基本科研业务费专项(TKSl20206、TKSl20208)。作者简介：刘彦祥(1974一)，男，宁夏中卫人，高级工程师，主要从事工程勘察及水运工程测绘研究。万方数据海洋测绘第36卷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[5]。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

7、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=cXFd／(2F,)(1)式中，y为相对于测船的水体流速；F。为声学多普勒频移；，。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一5．5×10—2T2+2．9×10—4T3(2)式中，丁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。A