ADCP原理(2)

在ADCP和散射粒子之间，当声散射体远离ADCP时，由于我们听到的声脉冲的频率与相对速度成一定比例减少从而使多普勒频移发生改变(Figure 6a)。这个回声好像出现在ADCP就好像散射粒子是声源(Figure 6b);ADCP就会第二次听到反向散射声音的多普勒频移。

因为ADCP既能发射声波又能接受声波，所以多普勒频移是双向的，可变的。

利用多普勒效应测量相对的、径向的运动

径向运动就是声源和接收器靠近或远离时的运动，只有在这种情况下才发生多普勒频移。一方面，角运动改变了声源和接收器之间的方向而没有改变它们之间的距离。因此，角运动没有引起多普勒频移。角运动和径向运动对多普勒频移影响的不同在Figure 7中明确告知。

Figure 7．多普勒频移仅依赖于径向运动。观察者A静止没有观察到多普勒频移。观察者B,C,和D都以相同的速度运动。观察者B向声源运动（也就是径向地），能看到最大的多普勒频移。相反观察者D垂直（也就是有角度地）地向声源运动根本看不到多普勒频移。观察者C与声源成一角度运动（小于90度）看到的多普勒频移比观察者B要少。

对径向部分多普勒频移的限制只需要往

（3）式中增加一个新的项，cos(A)：

这里的A是指ADCP和散射粒子之间的水平线和矢量相对速度之间的角

度(Figure 8)。

Figure 8.矢量相对速度。ADCP仅测量与声束平行的速度部分。A是声束和水速之间的角度。

3 宽带多普勒处理

迄今为止，我们已经根据频率的变化看到了多普勒处理过程。尽管在数学上是等价的，但宽带多普勒处理方法比根据时间扩张更容易理解，也就是说，应当适时的按照信号的变化而不是频率的变化。这一部分介绍了宽带信号处理的规则。

多普勒时间扩张

要想理解时间扩扩张，先考虑一下声音从单个粒子的散射。从声脉冲传播到这个粒子的回声总是一样的，就好像这个粒子根本没有运动。在Figure 9A中 说明了这个结果。如果把这个粒子稍微远离一点发射源(Figure 9B)，你就会看到由于声音来来回回的运动所以需要的时间就长一点。如果把粒子移动的更远，则它需要的时间就更长(Figure 9C)。由距离变化引起的移动时间的变化叫做传播延迟。

Figure 9.传播延迟和相变化是由散射粒子的偏转引起的。当粒子远离声源时回声将被延迟——这就叫做传播延迟。传播延迟改变了回声的相对相位。

当粒子保持静止的时候来自单个粒子的回声看起来是一样的——没有传播延迟。回声有相同的相对相位，这就意味着零相位变化。

两个回声相互叠加：第二条回声比第一条回声返回时所需要的时间长因为这个粒子远离了发射源，因此与第一条回声相比它延迟了。这个用虚线表示的延迟的回声相对第二条有40o的相位延迟。

第二条回声是例子（B）中延迟时间的十倍，因为这个粒子移动的距离大约是B中移动距离的十倍。这个更长的传播延迟对应着400o的相位变化。

时间扩张的规则很简单：当粒子离传感器的距离越远，声音来来回回的传播所需要的时间就越长。传播时间的变化或者是传播延迟与距离的变化的是对应的。如果你测量传播延迟，并且已知声速，你就能知道这个粒子移动了多远。如果你知道这两个时间脉冲之间的时间间隔，你也能计算出粒子的速度。

相位

相位是一个既方便又精确的测量传播延迟的方式。宽带ADCPs利用相位来决定时间扩张。要想理解相位可以考虑一下钟表的指针。时针旋转一圈对应着360°的相位。一个正弦信号的完整周期（从一个峰值到下一个之间的时间）对应着360°的相位。因此，在第一条回声和第二条之间的相位不同粗略的在Figure9中表示为（A）0° (B) 40° (C)400° 这些不同的相位完全与粒子的位移成比例。

时间扩张和多普勒频移

Figure 10展示了频移和时间扩张是等价的。Figure 10A中展示的是来自从单个粒子返回的两个相距很近的脉冲的回声。相反，如果粒子远离传感器（Figure 10B），则两个回声脉冲之间的时间将增加。这是因为当第二条回声到达粒子的时候，这个粒子已经远离了传感器。因此，这个声波来来回回的传播所需要的时间长。

Figure 10.时间扩张和多普勒频移。（A）和（B）比较了来自静止和移动粒子的回声脉冲。（C）和（D）说明了：对于回声来说，来自连续正弦信号的回声与（A）和（B）中两个短脉冲之间的持续时间是一样的。虚线表明了对于两个脉冲来说平铺与正弦是一样的。

相同的效果也适用于正弦脉冲（Figs. 10C and 10D）。当正弦脉冲的最后一个时刻到达粒子的时候这个粒子已经远离传感器了。这就拉伸了回声，改变了回声的频率，因此引起了多普勒频移。

许多多普勒声波定位仪直接测量频移。宽带ADCPs利用时间扩张来测频移，这个方法主要是通过测量连续脉冲到达时间的变化而获得。事实上，即使不同的测量方法涉及到不同的方式，他们在数学上是等价的。TRDI的程师利用相位来测量时间扩张而不是利用测量频率的变化，因为相位给他们提供了更精确的多普勒测量。

相位测量和非单值性

相位测量的问题是相位只能在0-360o之间的范围内测量。一旦相位超过360o ，它又会在0o重新开始。一旦考虑电子相位的测量回路，40°和400°是一样的（400度=360度+40度）。

为了理解这一点，重新考虑一下时钟的指针。如果一个钟表只有一个分针，你能估计时间的精确度是分钟，但是你不能确定是哪个小时。另一方面，如果只有时针，你能知道是哪个小时，但是你的时间精确度要比一分钟粗略的多。为了获得声速的精确测量值，工程师想要对声速变化敏感的相位进行测量，就像分针对时间的变化很敏感一样。但是接下来就应该设计一种方式，这种方式与钟表中

时针计数一样。与分针围绕钟表转动相对应的是相角经过360°的倍数。

这个过程叫做相位的模糊度解算，它指出了相位经过360°的次数。如果回声像Figure9中一样简单，找到解算相位模糊度的方法不难，但是像Figure 11中一样，典型的回声是复杂的。

下面有几种解决这个问题的方式。一个就是保持脉冲之间的时间间隔很小，以致这个粒子没有足够的时间移动很远。如果它不能移动很远，这个相位就不会变化很大。这就像单独依靠时针来告诉你时间一样。事实上，长时间间隔获得的测量精度对于它接受模糊相位测量时更能引起注意（就像钟表的分针一样）。这就意味着宽带ADCPs也应该想方设法的来解决模糊度问题。

Figure11.从单个散射粒子返回的回声看起来 就像是发射脉冲，但是从多散射粒子返回的

回声是很复杂的。

自相关

对于比较回声来说，自相关是一个比较有用的数学方法。尽管他涉及到复杂的数学方法，但它完成起来是很简单的。合理的相关的回声看起来是一样的，而不相关的回声看起来是不同的。对于检测小的相位变化自相关是一个非常有效的方法。

TRDI利用自相关的方法来处理复杂的真实世界的回声从而获得速度。通过发射一系列代码脉冲，我们可以获得很多来自散射体的回声，其中这些代码脉冲都依次进入单个长脉冲中，这些回声就就结合成单个回声。在代码脉冲分开的时间间隔中通过计算自相关可以推出传播延迟。这个计算要想获得成功需要来自相互关联的代码脉冲的不同回声。

模式

ADCPs利用改变时间间隔和脉冲形式可以履行很多模式。Default模式由于鲁棒性和测量精度而选择。其他的模式经常能产生更多的稳健的（有用的，例如，在高度狂暴的水中）和更精确的测量。这些产生高精度的模式只能工作限定的环境下。例如，当水流变得很快活狂暴的时候他们经常失败。

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