ADCP測流原理研究

丁慶澤 金將溢

摘? 要： 自從提出多普勒技術測量海流原理后，海洋科技工作者一直把它作為高新技術進行研究。聲學多普勒海流剖面儀（ADCP）的問世被認為是海洋測流技術的重大突破，文章介紹了ADCP窄帶測流和寬帶測流的原理與方法，簡要闡述了窄帶與寬帶ADCP各自的優缺點，同時介紹了多普勒效應和多普勒時間膨脹的概念。

關鍵詞： ADCP; 窄帶測流; 寬帶測流; 多普勒效應; 時間膨脹

中圖分類號：TB565+.2? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1006-8228（2021）03-14-03

Research on the principle of ADCP current measurement

Ding Qingze， Jin Jiangyi

（Hangzhou applied acoustic research institute， Hangzhou， Zhejiang 310023， China）

Abstract： Since the introduction of the Doppler technique to measure the ocean current， marine scientists have been studying it as a new and high technology. The advent of Acoustic Doppler Current Profiler （ADCP） is regard as an important breakthrough of ocean current measurement technology. In this paper， the basic principle of ADCP narrowband and wideband current measurement is introduced， and the advantages and disadvantages of narrowband and wideband ADCP are briefly described， meanwhile， the concepts of Doppler effect and Doppler time dilation are introduced as well.

Key words： ADCP; narrowband current measurement; wideband current measurement; Doppler effect; Doppler time dilation

0 引言

在海洋-聲學-處理三位一體的關系中，海洋環境與聲傳播的耦合屬于上游。因此，海洋環境特性一直是水聲研究領域的重要方向，其流場分布也一直是海洋科技工作者所關注的焦點之一。隨著科技的發展，對海流測量的要求也逐步提高，如何快速、準確、實時、大范圍測量海流是海流測量技術發展的主要方向。自從提出采用多普勒技術測量海流的原理后，海洋科學工作者一直把它作為高新技術進行研究。聲學多普勒流速剖面儀（ADCP：Acoustic Doppler Current Profiler）的問世被認為是海洋測流技術的重大突破，并且國際海委會已經把ADCP列為四種先進的海洋觀測儀器之一。

以信號檢測技術為特征，ADCP的研究和發展經歷了如下三個階段[1]：

⑴ 以鎖相式頻率跟蹤器為特征，代表產品如日本古野公司的CI-30型;

⑵ 以復相關技術作為計算信號多普勒頻移的手段，代表產品如美國RD儀器公司的窄帶聲學多普勒流速剖面儀（NBADCP）;

⑶ 以寬帶脈沖對相干技術為特征，代表產品如RD儀器公司的寬帶聲學多普勒流速剖面儀（BBADCP）。

以換能器陣形式為特征，ADCP的研究和發展主要有如下兩種類型：

一種類型是換能器陣由三個或四個相同的換能器按一定的結構形式（如JANUS）構成，多見于90年代以前的ADCP產品;

另一種類型是換能器陣是相控換能器陣，研制其目的是在不增大換能器陣的體積和重量的基礎上把發射頻率降下來，從而擴大測量范圍。

本文僅介紹NBADCP和BBADCP的測流原理。

1 NBADCP測流原理

1.1 窄帶信號的多普勒頻率變化

當兩列火車迎面駛過時，火車的鳴叫聲由高亢變低沉，也就是說，火車迎面駛來時，頻率變高;火車背向駛離時，頻率變低。

這種因波源或觀察者相對于傳播介質的運動而使觀察者接收到的波的頻率發生變化的現象稱為“多普勒效應”。

1.2 利用多普勒效應的NBADCP測流原理

假定波源發射的波的頻率為單頻信號，為簡單起見，只討論運動發生在波源與觀測者的連線上的多普勒效應。設波源相對于介質的運動速度為[u]，以趨近于觀測者為正，反之為負;觀測者相對于介質的運動速度為[v]，以趨近于波源為正，反之為負。以[f0]表示波源的發射頻率，[f1]表示觀測者接收到的頻率，[c]表示波在介質中的傳播速度，則：

[f1=c+vc-u×f0]? ⑴

頻率變化量為

[?f=f1-f0=v+uc-u?f0]? ⑵

所以，如果[?f]的測量值已得到，則可以通過測量[u]和[v]中的任一個，再利用⑵式求得另外一個量。

窄帶ADCP就是運用上述原理來測量海流速度的。它向海水介質中發射一個固定頻率的定向聲脈沖信號，并接收從海水中的無處不在的散射體反射回來的回波信號。這些散射體在海水中隨著海水的流動而流動，所以利用反射回來的信號計算得到的散射體的速度就是海流速度。若運動不是在波源與觀測者的連線上，則須將[u]和[v]在連線上投影，當然求得的速度值也是在該連線上的投影分量。

當[u?c]時，⑵式變為：

[?f≈v+uc?f0]? ⑶

即：

[u+v≈cf0??f]? ⑷

假設：聲波發射方向和接收方向與海流方向的夾角均為[θ]，如圖2所示。

則：

[u+v≈cf0cosθ??f]? ⑸

一般情況下，海流速度在一定范圍內可以認為是不變化的，所以，可將海流速度定義為東西方向、南北方向和垂線方向的三維速度矢量。為測量這三個方向上的速度矢量，ADCP通常同時向海水中的東、西、南、北四個方向上同時發射與垂線成夾角為[φ]的四個脈沖信號，如圖3所示，該波束結構稱為JANUS結構[2]：

其工作示意圖如圖4所示。

設ADCP的發射聲波頻率為[f0，f1、f2、f3]和[f4]分別為南、北、東和西四個方向上波束的回波頻率，[v]為船的南、北方向水平航行速度分量（本質上是船相對于海面的速度分量），則利用[f1]和[f0]可列出如下等式：

[us，n+vsinφ+us，n+vsinφ=f1-f0f0?c] ⑹

同樣地，利用[f2]和[f0]可列出下面的等式：

[-us，n+vsinφ+-us，n+vsinφ=f2-f0f0?c] ⑺

將式⑹和式⑺合并，可以得到南、北方向上的海流速度分量為：

[us，n=f1-f24f0?sinφ?c]? ? ⑻

同樣地，可以求得東、西方向和垂線方向上的海流速度分量分別為：

[ue，w=f4-f34f0?sinφ?c]? ⑼

[uerec=2f0-f1-f24f0cosφ?c=2f0-f3-f44f0cosφ?c]? ⑽

注意：以上求得的各個方向上的海流速度分量實際上是某一深度單元或者說是某一分層的速度分量。上述討論的是NBADCP的多普勒測流原理。但是由于其測流范圍小，單次測量誤差較大，因而NBADCP的應用越來越少，取而代之的是BBADCP，下一節將討論其測流原理。

2 BBADCP測流原理

2.1 寬帶信號的多普勒時間膨脹

為簡單起見，仍然以單頻脈沖信號為例來說明多普勒時間膨脹概念。設單頻脈沖信號的頻率為[f0]，脈寬為[t0]，則該脈沖信號所含有的振蕩周期數為[n0=f0×t0]，當波源和觀察者相對于介質的運動速度[u=0]、[v=0]，則觀察者觀察到的脈沖信號頻率仍然為[f0]，脈寬仍然為[t0]，如圖5所示;當波源或觀測者相對于傳播介質的速度[u]和[v]至少有一個不為0時，則觀測者觀測到的脈沖信號頻率為：

[f1=c+vc-u?f0]? ⑾

相應的脈沖寬度為：

[t1=n0f1=f0×t0f1=c-uc+v?t0]? ⑿

由⑿式可以看出，觀測者觀測到的脈沖信號的脈沖寬度與[u]、[v]、[c]和[t0]有關，而與[f0]無關。這一結論同樣適用于寬帶脈沖信號。這種因波源或觀測者相對于傳播介質的運動而使得觀測者接收到的脈沖信號的寬度發生變化的現象稱為“多普勒時間膨脹”[3]。

如圖5所示：

2.2 利用多普勒時間膨脹的BBADCP測流原理

BBADCP采用圖3的結構向四個方向同時發射一對寬帶脈沖信號，設該脈沖信號的時間間隔為[t0]，[t1]、[t2]、[t3]、[t4]分別為南、北、東、西四個方向上的回波脈沖對的時間間隔。

按照上述計算方法，可以得到海流速度在南、北方向上的速度分量為[4]：

[us，n=t2-t14t0?sinφ?c]? ?⒀

在東、西方向上的速度分量為：

[ue，w=t3-t44t0?sinφ?c]? ⒁

在垂線方向上的速度分量為：

[uerec=2t0-t1-t24t0cosφ?c=2t0-t3-t44t0cosφ?c]? ⒂

由上述可知，寬帶信號海流測量的關鍵在于如何精確測量回波信號的多普勒時間膨脹，涉及信號的形式和處理等。從數學角度來看，寬帶信號的時間膨脹和窄帶信號的頻率變化本質上是一致的。

3 結束語

本文主要介紹了NBADCP和BBADCP的測流原理。目前，工業界對ADCP的發展方向是趨于小型化且采用相控陣的寬帶ADCP技術[5]。目前，根據上述測流原理，國內科研院所已完成寬帶相控陣ADCP（BBPAADCP）相關產品研制與海上試驗，測流精度可達到[±1%+1cm/s]范圍之內。相對于窄帶方法，寬帶多普勒海流計可以獲得更高的單次測量精度，具有更強的抗干擾性。該測流原理為國產寬帶相控陣ADCP提供了理論依據與重要參考，并成功應用于高精度海流計的信號處理算法軟件，為后續產品研制開發提供一定理論參考價值。

參考文獻（References）：

[1] 沈斌堅，唐義政，胡益群，耿濤.國產寬帶相控陣聲學多普勒海流剖面儀[J].聲學與電子工程，2005.77（1）：20

[2] 王秀波.寬帶多普勒測流技術研究[D].哈爾濱工程大學碩士學位論文，2005.

[3] R Lee Gordon. Acoustic Doppler Current Profiler Principles of Operation-A Practical Primer[M].Second Edition for Broadband ADCPs. San Diego：RD Instruments，1996.

[4] 張道平.寬帶多普勒測流儀信號特征分析[J].海洋技術，2001.20（1）：78

[5] DOISY Y.Theoretical accuracy of doppler navigation sonar and acoustic doppler current profilers[J].IEEE Journal of Oceanic Engineering，2004.29（2）：430