ADCP原理

1 说明

这是声学多普勒流速剖面仪操作规则的第二版本：这是一个实际性的突破。第一版本主要介绍了窄带声学流速剖面仪。从那时开始，Teledyne RDI公司就已经介绍了宽带ADCP,并且最近在工作室越来越多的采用这种技术。这一版本的修正反映了由宽带技术所引起的变化。

这个突破是基础性原则和实际信息的结合，而要理解宽带ADCPs如何工作和怎么使用它们正需要这些基础性原则和实际的信息。这个突破将介绍一些基本的概念，它适用于大部分所介绍的规则，这些规则只能浅薄的处理它们。要想进一步的学习，我们推荐使用在书目中所列的参考书目。

Teledyne RDI公司的历史

Teledyne RDI公司坐落在CA San Diego，专门从事水下声学多普勒产品的设计和制造，这种设备大量应用于水流剖面和精确导航。

本公司的前身是RDI公司，这个公司由 Fran Rowe 和 Kent Deines在1982年创建。这个公司的成立是第一个声学多普勒流速剖面仪工业发展的结果。这个变革性的装置能够对水下的128个独立的监测点阵列进行剖面水流测量。

多年之后，RDI公司通过对新产品的发展、高级数据的质量和最高水平的服务质量和服务支持提供坚定的承诺，使它在工业中经历了稳步的发展并保持主导地位。

在2005年8月，RDI公司被Teledyne 科技公司收购，而现在它作为Teledyne科技有限公司的间接子公司来运作。在这些成就的基础上，这个公司的名字变为 Teledyne RDI公司。

这个公司现在雇佣了200多个受过多种训练的科学家、工程师、销售人员和支持人员；拥有30,000平方英尺的符合ISO-9001:2000标准的设施，其中包括先进的工程技术，实验室，制造业和质量检测区。

ADCP的历史

ADCPs的前身是多普勒计程仪，即测量船在水上或海底的速度。第一个商业ADCP在1970’s中期制造。它是一个商业性计程仪的改编。为了更精确地测量水流的速度和能在超过一定深度剖面的单元内测量，人们重新设计速率日志。因此，第一个船上的ADCP装置诞生了。

1982年，TRDI制造了它们的第一个ADCP。它是一个独立的装置，设计的目的是能在靠电池供电的部署中长久的应用。1983年，TRDI制造了他们的第一个船上的ADCP装置。到1986年，TRDI已经有五种不同频率(75-1200 kHz)，还有三种不同的ADCP模式(独立式、船上固定安装式和直读式)。

这些年随着机器的发展，多普勒信号的处理已经有了很大发展。计程仪采用相对简单的带有锁相回路或相似方法的处理器。这种处理器现在仍然用在某些商业计程仪中。第一代ADCP采用窄带，单脉冲和自相关的方法，这个方法计算

出了多普勒频谱的第一个时刻。这种方法第一次被海洋学家用于水流流速测量。它已经被由宽带信号处理和更精确地方法代替了。

宽带ADCPs

1991年，TRDI开始推出它的第一个宽带ADCPs的产品模型。这个宽带方法（专门从5,208,785 和5,343,443之间）能使ADCPs充分利用信号的频带宽度来测量声速。更大的带宽可以给宽带ADCP更多的信息去测量声速。采用典型带宽100倍的时候，与窄带ADCPs相比较宽带ADCPs偏差也减少接近100倍。合适的地方是这些不同将被记录下来。

2 多普勒效应和径向水流速度

这部分介绍了多普勒效应和如何利用多普勒效应在不同的物体间测量相对的水流速速。我们将通过基本的数学方程式说明，这些方程式关系到声速的多普勒频移。

多普勒效应在观测到的音效程度中有一个变化，这是相对运动的结果。多普勒效应的一个例子就是当火车经过时的声音变化（Figure 1）。当火车靠近的时候，鸣笛有一个较高的音节，而火车远离你的时候则音节较低。这个音节的变化与火车的移动速度直接成比例。因此，如果你测量这个音节和它如何变化，你就能计算出火车的速度。

当火车经过时的多普勒频移

声音

声音由空气、水和固体中的压力波组成。声波在很多方面与浅海波是相似的。参照Figure 2，下面是我们将用到的一些定义：

⑴波—水波的波峰和波谷分别对应着高低水位。声波的“波峰”和“波谷”包括高低气压的频段。

⑵波长—两个连续波峰之间的距离。 ⑶频率—单位时间内经过的波峰的数量

⑷声速—波从一个地方传播或移动到另一个地方的速度。

声速=频率×波长

C = f λ

(Example, 1500 m/s = 300,000 Hz × 5 mm)

多普勒效应

假设你在水边观察经过你的波浪(Figure 3)。 当你站着不动时，在给定的时间间隔内你会看到有八个波浪经过你(Figure 3a)。而现在如果你开始沿着波浪行走(Figure 3b)，在相同的时间间隔内经过你的波浪会多于八个。因此，这个波的频率看起来较高。如果你沿着另一个方向走，在相同的时间间隔内经过的波浪会少于八个，相应的频率看起来就低。这就是多普勒效应。 当你站着不动听到的频率和移动时听到的频率差就是多普勒频移。如果你站着不动听到的频率是10kHz，那么通过声源开始移动时听到的频率是10.1kKz，所以多普勒频移是0.1 kKz 。 在这种情况下，多普勒频移的方程式是：

在这里：

①是多普勒频移。 ②是静止时的声频。

③V是声源和声音接收器之间的相对速度（当你走向声源时的m/s；）。 ④C是声速(m/s)。

注意以下问题：

⑴如果你走的快的话，多普勒频移就会增加。 ⑵如果你远离声源，多普勒频移会减小。

⑶如果声音的频率增加，多普勒频移会增加。 ⑷如果声速增加，多普勒频移会减小。

ADCPs如何用回声测量速度

ADCPs采用多普勒效应以固定的频率向水中发射声波然后听它从声散射体返回的回声。这些声散射体是一些小粒子或浮游生物，他们把声音返回到ADCP。在海洋中散射的粒子到处都有。他们悬浮在水中，通常速度跟水流的水平速度保持一致。Figure 4展示了海洋中一些典型的散射粒子。

来源于散射粒子的声散射体在各个方向都有（Figure 5）。大部分声脉冲向前传播，不受散射粒子的影响。反射回来的小数量的声脉冲是多普勒频移。

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