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神奇的声学多普勒流速剖面仪(ADCP )

已有 14471 次阅读 2020-7-2 07:54 |个人分类:ADCP|系统分类:科普集锦

1842年,奥地利物理学家克里斯琴·多普勒(Christian Doppler)发现由于波源和观察者之间的相对运动使观测频率与波源频率不同的现象,后来被称为“多普勒效应”。 1982年,美国发明家福然·罗欧(Fran Rowe)和堪特·丹尼斯(Kent Deines)发明了声学多普勒流速剖面仪(Acoustic Doppler Current Profiler),简称ADCP。相对于传统的机械式流速仪,ADCP 的发明被认为是流速测验的重大技术革命。

顾名思义,ADCP是基于 “多普勒效应”的声学仪器。大多数ADCP 含有4个换能器(又称为波束)。换能器即是声波发射器(类似于人的嘴巴),又是声波接收器(类似于人的耳朵)。 换能器发射某一频率的声波,然后“聆听”被水体中颗粒散射的回波。ADCP的神奇之处是它能够在不干扰流场情况下测出流速剖面---即流速在垂向或者水平方向的分布。操作人员可以根据测量要求设定ADCP单元个数、单元长度、采样时间间隔、工作模式等。

ADCP按其声信号发射、接收、和处理方式(亦称工作模式)分为窄带ADCP、宽带ADCP【1】、和脉冲相干ADCP 。窄带ADCP采用脉冲非相干(pulse-incoherent )技术,其精密度和分辨率较低。 宽带ADCP采用编码脉冲(coded-pulse )技术,比传统的窄带ADCP精密度提高3-4倍以上。宽带ADCP的诞生(1991年)是ADCP技术发展的重要里程碑。脉冲相干(pulse-coherent)ADCP 精密度和分辨率最高,但流速测验范围和剖面范围远小于窄带和宽带ADCP。脉冲相干ADCP对于缓慢流动的浅水情况特别有效。

ADCP可以安装在海底、岸壁(固定式测量),也可以安装在测船上(船载或走航式测量)。

在海洋水文应用上,目前ADCP几乎已经完全取代机械式、电磁式流速仪成为标准的流速测量仪器。 ADCP还可以用来测量波浪。ADCP波浪仪采用流速单元阵法和波面跟踪法测量波浪方向谱和波高能量谱。波高能量谱还由ADCP内置压力传感器测出。另外,ADCP可以用于海底边界层测量,ADCP数据可以用于雷诺应力推算。

在河流水文应用上,走航式ADCP流量测验方法被认为是河流流量测验领域的一次革命。当装备有ADCP的测船从测流断面一侧航行至另一侧时,ADCP即刻测出断面流速分布和流量。 固定式ADCP通常用于流量实时在线监测。最近十几年来,ADCP正在逐渐取代传统的机械式流速仪成为国内外主要水文机构流量测验的标准仪器。

ADCP还可以DGPS、测深仪、及电罗经集成。经过近40年的不断改进和提高ADCP流速、流量测量技术已经非常成熟。

ADCP的局限性

任何仪器都有局限性,ADCP也不例外。ADCP依赖接受水体中颗粒的背散射信号,所以水体中必须含有足够的悬浮颗粒。这对近岸水域或者河流通常不是问题。如果水太清,比如水库或高山河流,ADCP不能正常工作。另一方面,如果水体含沙量过大的话,ADCP声波能量被悬砂大量吸收,使穿透力下降,剖面范围降低。粗略的估计是,当含沙量为1-3公斤/立方米时,有效剖面大约会降低至标称剖面范围的一半左右。

走航式ADCP用于流量测验遇到的主要问题是如何解决由河底推移质和底部高含量悬沙造成的“动底”。“动底”的解决方法主要有1)集成DGPS,2)回路法,3)ADCP定点测验法,4)采用较低频率的ADCP。

有待解决的问题

1)ADCP测砂

应用ADCP测量悬砂浓度是一个非常难的研究课题。这方面的研究已经至少有20年的历史,取得了一些成果【2】。但是目前ADCP测砂技术仍然不够成熟。

2)ADCP流量测验不确定度

自从2007年以来,一些学者致力于ADCP流量测验不确定度评估方法的研究。然而目前国际国内尚未对评估方法和标准达成共识。

3)ADCP国产化

ADCP最大的生产厂家是美国特立达RD仪器公司 (Teledyne RD Instruments)。其前身即为福然·罗欧(Fran Rowe)和堪特·丹尼斯(Kent Deines)1982年创立的RD Instruments(2005年被Teledyne Technologies收购)。中科院声学研究所、原国家海洋局海洋技术研究所等研究机构都曾经立项研制过ADCP。最近几年来,国产ADCP已经进入商业化阶段。但是国产ADCP的质量和可靠性还有待于进一步提高。

4)ADCP检验

作为计量仪器,ADCP应该通过计量部门或者质量管理机构的检验,获得检验证书后才能应用。但是ADCP检验不是一件容易的事。美国地质调查局自2014年开始要求ADCP至少每3年检验一次。美国地质调查基本上采取ADCP生产厂家的标定方法对ADCP进行检验【3】,以确认ADCP满足技术指标。

参考文献

[1] RD Instruments. Broadband acoustic Doppler current profiler. United States Patent:5,208,785, 1992-5-13.

[2] 张志林、史芳斌、胡国栋《ADCP反向散射强度估算悬移质浓度的原理及其应用》长江出版社,2008。

[3]   Armstrong, B., Fulford, J., and Thibodeaux, K. “Quality assurance testing of acoustic Doppler current profiler transform matrices.” Hydrologic Instrumentation Facility, U.S. Geological Survey, Stennis Space Center, MS, USA, 2015.




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