深海船載走航式聲學多普勒流速剖面儀?

張同偉 秦升杰 唐嘉陵 王向鑫 李正光

（1.國家深海基地管理中心 青島 266237）（2.青島海洋科學與技術國家實驗室海洋地質過程與環境功能實驗室 青島266061）（3.青島海洋科學與技術國家實驗室海洋觀測與探測聯合實驗室 青島 266237）

1 引言

海洋約占地球表面積的71%，是地球上尚未被人類充分認識和利用的最大潛在資源基地。在海底及海洋中，蘊藏著極其豐富的生物資源及礦產資源。海洋中超過2000m水深的深海區占海洋面積的84%，因此，地球表面大部分是深海。

海流觀測是海洋調查項目中物理海洋方面重要的觀測要素。船載走航式聲學多普勒流速剖面儀（ADCP）［1～5］可以在船只走航過程中對經過海區的海流進行連續剖面觀測，具有不擾動流場、測驗歷時短、測速范圍大、充分利用航渡時間等特點，能最大限度地發揮現代大型綜合科考船多功能綜合性的特點。在各類水下移動平臺作業環境保障領域，通過對作業海區海流情況進行精確測量和分析，為水下移動平臺作業的開展提供基礎海流資料，實現水下移動平臺輔助調查研究，保障水下移動平臺作業安全；在科學研究領域，它可在科考船執行任何航次過程中連續工作，不影響其他科考項目的作業，利用該設備進行長期的觀測可以積累大量各海區現場海流資料，為海洋動力、氣候變化和海洋生物化學等海洋過程研究提供不可或缺的基礎數據［6～8］。

本文首先介紹了聲學多普勒流速剖面儀的基本原理，然后系統介紹了Teledyne RDI、Rowe Technologies Inc.和杭州應用聲學研究所等推出的3款典型深海船載走航式ADCP，最后展望了深海船載走航式ADCP的發展趨勢。

2 聲學多普勒流速剖面儀

ADCP主要利用聲學多普勒原理［9～10］，通過分層海水中顆粒物質對聲波的反射，測量各分層對應反射聲波的多普勒頻移。根據多普勒原理，發射聲波與各分層對應散射回波之間的多普勒頻移取決于反射體的運動速度，即

其中，fd為多普勒頻移，fs為發射聲波的頻率，v為海流相對速度，c為海水聲速，θ為海流速度和聲波波束之間的夾角。

在已知聲波波束指向的情況下，通過測量發射聲波和反射回波之間的多普勒頻移，即可解算出ADCP和各分層對應散射體的相對速度的一個速度分量。ADCP一般采用4個波束來獲得速度的三個分量，外加一個冗余信息。這種間接測量方法，不會對流場產生任何擾動，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。

相控陣ADCP是指利用波束形成的方法，通過對多陣元的發射聲波進行時延或相移，獲取Janus配置的4個波束。例如，在相鄰水平陣列單元之間發射90°相位差的輻射信號，可以產生30°的波束。與傳統活塞式換能器陣固定波束角相比，相控陣可以通過改變各陣元發射信號的相位或時延來靈活獲得不同指向性的波束。

船載ADCP是指ADCP的換能器安裝在船底，可以在船只走航過程中對經過海區的海流進行連續剖面觀測。由于ADCP本身不具備測量功能，因此它需要讀取船上姿態傳感器的姿態信息。ADCP通常使用同步接口來讀取縱搖、橫搖和航向角等。此外，由于ADCP換能器和姿態傳感器的分離式安裝，在正式使用前需要通過海試對ADCP換能器的安裝偏差進行校準。

3 深海船載走航式ADCP發展現狀

目前國外深海船載走航式ADCP測量技術比較成熟，已經實現深海船載走航式ADCP的產品化和產業化。國際上主要的深海船載走航式ADCP生產廠商主要有Teledyne RDI、Rowe Technologies Inc.和杭州應用聲學研究所等3家公司。表1給出了3款典型深海船載走航式ADCP的對比。

表1 幾款典型深海船載走航式ADCP對比［11～13］

3.1 Teledyne RDI公司的Ocean Surveryor 38

Ocean Surveryor是Teledyne RDI公司開發的船底安裝走航式ADCP，它有三個工作頻率可選，分別為 38 kHz，75kHz和 150 kHz。其中 38 kHz的Ocean Surveryor 38屬于深海型ADCP，它同時支持寬帶和窄帶兩種信號模式，提高了使用的便捷性；采用相控陣技術，大大減小了換能器的尺寸和重量；除流速剖面測量功能外，還具有后向散射剖面和多普勒計程儀的功能。Ocean Surveryor 38支持128個剖面層，海流剖面最大量程為1000 m，最大底跟蹤深度為1700 m。圖1給出了Teledyne RDI Ocean Surveryor 38聲學多普勒流速剖面儀。

圖1 Ocean Surveryor 38聲學多普勒流速剖面儀

3.2 Rowe Technologies Ins.公司的RTDA040

RTDA040是Rowe Technologies Ins.（RTI）公司推出了低頻船載ADCP，它采用2-D平面相控陣換能器，實現多個測流波束脈沖發射。其工作頻率為38 kHz，在高功率發射模式，可以獲得最大的量程，2000 m水深時能夠實現有效的底跟蹤，同時流速剖面范圍達1200 m。對于單個頻率，利用相控陣靈活的波束形成技術，最多可以發射9個波束，1個垂直的中央測深波束、4個15°和4個30°的流速剖面波束。垂直測深波束可以更好地測流水深，小開角流速剖面波束（15°）可以在深水以及復雜流場中獲得良好的水流剖面數據，大開角流速剖面波束（30°）可以獲得表層更精細的水流剖面數據。采用相控陣技術，RTDA040具有更小的體積，更輕的重量，同時它能獲得到前所未有的流速剖面范圍、流速精度和時間分辨率。圖2給出了Rowe Technologies RTDA040聲學多普勒流速剖面儀。

3.3 杭州應用聲學研究所的SLC38

SLC38是杭州應用聲學研究所開發的船載走航式ADCP，它由平面相控陣、信號處理單元、工控機、電纜和應用軟件等組成，其中平面相控陣安裝在船底，信號處理單元和工控機安裝于實驗室。平面相控陣和信號處理單元用換能器專用電纜連接，信號處理單元和工控機用通訊電纜連接，應用軟件安裝運行在工控機上。SLC38的工作頻率為37.5 kHz，具有寬帶和窄帶兩種工作方式，速測量范圍-10m/s～10m/s，流速剖面最大測量深度800m～1000 m，底跟蹤最大測量深度1700 m。圖3給出了SLC38 ADCP系統組成示意圖。

圖2 RTDA040聲學多普勒流速剖面儀

圖3 SLC38 ADCP組成示意圖

4 深海船載走航式ADCP發展趨勢

通過對國內外典型深海船載走航式ADCP的比較分析，以及參考其他一些系統，可以得出深海船載走航式ADCP的發展趨勢是雙頻/多頻聯合探測、大深度海流流速測量和ADCP換能器安裝偏差快速校準。

4.1 雙頻/多頻聯合探測

船載走航式ADCP按工作頻率可以分為38 kHz、75 kHz和150 kHz，相應的流速剖面覆蓋范圍分別為1000 m，700 m和400 m。其中38 kHz ADCP的發射頻率屬于低頻頻段，主要用于深海海區海流流速流向的現場測量和分析；150 kHz ADCP的發射頻率屬于中頻頻段，主要用于淺海海區或深海表層海流流速流向的現場測量和分析。目前國內外的大型綜合科考船一般都裝配兩臺同類型、不同頻率的ADCP，用于不同海區的海流測量。如果能夠在一個平面相控陣換能器上實現雙頻/多頻聯合探測，則相當于實現了兩臺/多臺常規不同頻率的ADCP組合，可以獲得更大量程和更精細的測量，同時節省了成本。

4.2 大深度海流流速測量

在海洋中，超過2000 m水深的深海區占海洋面積的84%。現有船載走航式ADCP的最大底跟蹤距離為2000 m，流速剖面測量范圍為1000 m。這意味著在深海大洋中，船載走航式ADCP只能獲得1000 m以內的流速剖面，而1000 m以深的流場對于海洋研究同樣具有重要意義。因此更大深度的海流流場測量是船載走航式ADCP未來的發展趨勢。

4.3 ADCP換能器安裝偏差快速校準

船載走航式ADCP的換能器陣安裝在船底，通常與姿態傳感器分離式安裝，不可避免地存在安裝偏差，造成測速誤差的引入，嚴重影響測流的性能。雖然借助外部GPS定位可以對安裝偏差進行有效校正，但是隨著時間的推移，特別是船舶進塢維修后，又會引入新的偏差，導致測流性能下降。因此，需要研究ADCP換能器陣安裝偏差校準技術，實現快速高效的校準。

5 結語

深海船載走航式ADCP是世界上最先進的海流流速、流量實時測量設備。在船只走航過程中，以垂直流速剖面反應經過海區的海流情況，實現海流剖面的快速有效探測，為海洋科學研究提供最基本的數據。

雖然世界上有多家公司和科研院所可以提供成熟的深海船載走航式ADCP，但是隨著科學與技術的不斷進步，人類對深海流速剖面探測技術也提出了越來越高的要求。通過對國內外典型深海船載走航式ADCP的比較分析，并結合深海調查的實際需求，可以得出深海船載走航式ADCP的發展趨勢是：1）雙頻/多頻聯合探測；2）大深度海流流速測量；3）ADCP換能器安裝偏差快速校準。