傅菊英 韓禮波

（杭州瑞利海洋裝備有限公司，杭州，310023）

聲學(xué)多普勒流速剖面儀（Acoustic Doppler Current Profiler，ADCP）是利用聲波多普勒效應(yīng)進(jìn)行流速流向測(cè)量的一種聲吶設(shè)備，它既可以測(cè)量相對(duì)水底的速度，也可以測(cè)量相對(duì)水流速度，并且對(duì)被測(cè)流場(chǎng)無(wú)干擾，是目前最主要的流速測(cè)量手段之一。利用 ADCP的測(cè)量數(shù)據(jù)可進(jìn)行流場(chǎng)監(jiān)測(cè)、潮流特征分析研究、內(nèi)波監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)、水下航行器的跟蹤導(dǎo)航、河流流量測(cè)量等。本文主要介紹國(guó)產(chǎn) ADCP在海洋觀測(cè)和水文測(cè)驗(yàn)等領(lǐng)域的應(yīng)用情況。

1 基本原理

ADCP的基本原理是利用多普勒效應(yīng)進(jìn)行流速流向的測(cè)量。首先 ADCP通過(guò)發(fā)射換能器向水中發(fā)射聲波，水中的散射體使聲波產(chǎn)生散射，ADCP通過(guò)接收換能器（通常是收發(fā)一體換能器）接收散射體返還的回波信號(hào)，而這些散射體是隨著水流一起運(yùn)動(dòng)的，所以發(fā)射信號(hào)頻率與后向散射的回波信號(hào)頻率會(huì)因?yàn)槎嗥绽招?yīng)而產(chǎn)生頻移。通過(guò)分析解算回波信號(hào)的多普勒頻移，從而計(jì)算ADCP換能器與水體之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速度。多普勒效應(yīng)示意見(jiàn)圖1。

圖1 多普勒效應(yīng)示意圖

首先，設(shè)聲源和接收者之間的相對(duì)速度為v，c表示聲波在介質(zhì)中的傳播速度。當(dāng)聲源與接收者相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，v取正值，而聲源與接收者相向運(yùn)動(dòng)時(shí)，v取負(fù)值；波速c總?cè)≌?。則根據(jù)聲學(xué)多普勒原理可得

式中，F(xiàn)d為多普勒頻移，F(xiàn)s為聲源的發(fā)射頻率。

在ADCP測(cè)量過(guò)程中，發(fā)射信號(hào)與回波信號(hào)之間，發(fā)生了兩次多普勒頻移。所以式（1）應(yīng)為[1]

因此，通過(guò)精確測(cè)量ADCP接收回波信號(hào)與發(fā)射信號(hào)之間的多普勒頻移（或相位差），就可以解算出對(duì)應(yīng)水流空間的相對(duì)流速。對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行時(shí)間分割，不同接收時(shí)刻對(duì)應(yīng)不同的傳播距離，得到不同傳播距離處的回波信號(hào)多普勒頻移集合，進(jìn)而得到流速剖面集合。類似的，ADCP接收和辨認(rèn)海底的聲波反射信號(hào)，通過(guò)信號(hào)處理得到ADCP相對(duì)于大地的運(yùn)動(dòng)速度。ADCP與散射體之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度與ADCP相對(duì)于大地的運(yùn)動(dòng)速度矢量補(bǔ)償，得到水流相對(duì)于大地的絕對(duì)速度。

2 ADCP的發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外ADCP從20世紀(jì)60～70年代的探索研究階段到窄帶ADCP、寬帶ADCP和相控陣技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，歷經(jīng)半個(gè)多世紀(jì)，產(chǎn)品已形成多頻率、多種類的商品化儀器，測(cè)流技術(shù)日趨成熟[2]。國(guó)內(nèi)ADCP的技術(shù)研究起步較晚，目前國(guó)內(nèi)主要研發(fā)單位以中船第七一五研究所、中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)所、哈爾濱工程大學(xué)、中海達(dá)等單位為主。中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)所以成果轉(zhuǎn)化等方式與無(wú)錫海鷹加科、錦州儀器等單位均有合作。

第七一五研究所是國(guó)內(nèi)最早研究相控陣聲學(xué)多普勒流速剖面儀的單位，先后開展了38 kHz相控陣聲學(xué)海流剖面儀的原理樣機(jī)、工程樣機(jī)、定型樣機(jī)的研究（圖2）。2007年，定型樣機(jī)與美國(guó)RDI 的75 kHz ADCP進(jìn)行了漂泊、走航的比測(cè)試驗(yàn)。期間國(guó)產(chǎn)38 kHz ADCP國(guó)產(chǎn)ADCP和RDI ADCP測(cè)量值隨深度變化的一致性符合良好，部分?jǐn)?shù)據(jù)見(jiàn)表1、表2。

圖2 38 kHz ADCP從原理樣機(jī)到定型樣機(jī)

表1 漂泊狀態(tài)下ADCP測(cè)量值比對(duì)結(jié)果 單位：cm/s

表2 走航狀態(tài)下ADCP測(cè)量值比對(duì)結(jié)果 單位：cm/s

在38 kHz ADCP定型樣機(jī)的研究基礎(chǔ)上，第七一五研究所繼續(xù) 38 kHz ADCP產(chǎn)品化技術(shù)研究，開展規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化適用性檢驗(yàn)方法研究，推動(dòng)我國(guó)自主研究技術(shù)成果轉(zhuǎn)化。國(guó)產(chǎn) 38 kHz ADCP于2015年首次裝備“遠(yuǎn)望7號(hào)”測(cè)量船，開展遠(yuǎn)洋調(diào)查任務(wù)。2016年至今已陸續(xù)裝備多型測(cè)量船，成為首型國(guó)產(chǎn)化ADCP替代裝備產(chǎn)品。

在國(guó)家 863計(jì)劃支持下，第七一五研究所先后開展了150 kHz相控陣多普勒計(jì)程儀、75 kHz船載走航式ADCP的研發(fā)工作，同時(shí)自籌研發(fā)全系列 ADCP。到目前為止，已成功開發(fā)了船載式38、75、150、300和600 kHz ADCP；自容式38、75、150、300、600 kHz和 1.2 MHz ADCP；水平式相控陣150 kHz和活塞陣300、600 kHz 兩波束測(cè)流儀以及1.5 MHz單點(diǎn)海流計(jì)等系列產(chǎn)品，正在開展38 kHz/300 kHz、1.2 MHz/2.4 MHz雙頻ADCP研究，預(yù)計(jì)2022年底前完成產(chǎn)品開發(fā)。部分產(chǎn)品圖片見(jiàn)圖3～5。

圖3 部分高頻ADCP

圖4 部分水平測(cè)流儀

圖5 雙頻ADCP

2009年，在國(guó)家863計(jì)劃支持下，第七一五研究所開展了大深度高精度小型多普勒計(jì)程儀的研究，研制了150 kHz小型多普勒計(jì)程儀，在此基礎(chǔ)上開展了多種頻率的多普勒計(jì)程儀產(chǎn)品的開發(fā)，并在輸送艇、魚水雷、無(wú)人艇上得到了廣泛的應(yīng)用。

圖6 計(jì)程儀

3 ADCP的工程應(yīng)用

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，國(guó)產(chǎn) ADCP產(chǎn)品逐步應(yīng)用到多個(gè)領(lǐng)域，也逐漸替代進(jìn)口設(shè)備，在海洋、河流等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)所研發(fā)的ADCP產(chǎn)品已在我國(guó)沿海、太平洋、印度洋、大西洋、北冰洋、南北極等區(qū)域以及“蛟龍?zhí)枴薄ⅰ吧詈Ｓ率刻?hào)”、“潛龍1號(hào)”、“潛龍3號(hào)”等我國(guó)大型深海作業(yè)裝備上應(yīng)用[3]。第七一五研究所研發(fā)的走航式38、150 kHz ADCP已在多型船舶上裝備應(yīng)用。根據(jù)使用情況，國(guó)產(chǎn)ADCP與美國(guó)RDI公司ADCP相比，在船只轉(zhuǎn)向和往復(fù)航行、加速和減速航行、高速航行時(shí)有優(yōu)勢(shì)，在船只勻速直航測(cè)量狀態(tài)、流速剖面測(cè)量性能兩者相當(dāng)[4]。

圖7 38 kHz ADCP安裝及測(cè)量數(shù)據(jù)分析

國(guó)產(chǎn)ADCP在河流水文水利領(lǐng)域也開展了系列應(yīng)用，中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)所研發(fā)的RIV系列河流型ADCP在國(guó)內(nèi)多個(gè)具有代表性的水文站開展了試驗(yàn)應(yīng)用[2]。目前，RIV型 ADCP已由無(wú)錫海鷹加科海洋技術(shù)有限責(zé)任公司實(shí)現(xiàn)了批量生產(chǎn)和銷售。2017年江蘇中海達(dá)海洋科技公司也推出了河流型ADCP樣機(jī)，并在長(zhǎng)江流域開展了應(yīng)用測(cè)試。第七一五研究所2010年研發(fā)的150 kHz水平測(cè)流儀，首先在某港口開始安裝應(yīng)用，后續(xù)在島礁、港口、河流等多個(gè)場(chǎng)景應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，又繼續(xù)開發(fā)了300、600 kHz、1.2 MHz水平測(cè)流儀產(chǎn)品，在測(cè)流的同時(shí)可監(jiān)測(cè)斷面流量。

圖8 水平測(cè)流儀在港口河流上安裝應(yīng)用

近年來(lái)，高頻ADCP在水文水利上的應(yīng)用日趨增多，利用ADCP進(jìn)行流速流量的監(jiān)測(cè)逐漸成為各水文站的首選。圖9為水文站的安裝現(xiàn)場(chǎng)圖。

圖9 某水文站的安裝現(xiàn)場(chǎng)

圖 10為七一五研究所研制的 300 kHz 自容式ADCP與國(guó)外同類型ADCP在某水域浮標(biāo)平臺(tái)開展的比測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。由于兩型設(shè)備的參數(shù)設(shè)置略有區(qū)別（WHM型ADCP的盲區(qū)設(shè)置不含發(fā)射脈寬），因此，選擇WHM型ADCP的第n層與SLC300-1型ADCP的第n+1層進(jìn)行對(duì)比。該水域呈南北向分布，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，灣內(nèi)為半日潮，一天內(nèi)有兩次漲落潮，漲落潮流速略有區(qū)別，流向應(yīng)近似北向或南向，測(cè)量地點(diǎn)水深隨潮位在12～15 m之間變化。比測(cè)數(shù)據(jù)很好地呈現(xiàn)了潮流的周期性。

圖10 某水域的實(shí)際比測(cè)數(shù)據(jù)

4 ADCP的拓展方向

基于ADCP的測(cè)流原理，利用獲得的回波信息解算相關(guān)參數(shù)，進(jìn)行ADCP的拓展應(yīng)用，如海洋內(nèi)波的監(jiān)測(cè)、波浪的測(cè)量、水體含沙量的測(cè)量等。

4.1 海洋內(nèi)波的監(jiān)測(cè)

2007年，第七一五研究所研制的38 kHz相控陣ADCP首次在南海發(fā)現(xiàn)內(nèi)孤立波，國(guó)內(nèi)研究海洋內(nèi)波現(xiàn)象的科研工作者開始利用ADCP進(jìn)行海洋內(nèi)波監(jiān)測(cè)研究。隨著海洋內(nèi)波的發(fā)現(xiàn)，以及某型潛艇水下航行遭遇內(nèi)波導(dǎo)致斷崖式下沉事件的發(fā)生，開啟利用ADCP進(jìn)行船載走航或定點(diǎn)監(jiān)測(cè)，并在南海海域布放潛標(biāo)組成內(nèi)波監(jiān)測(cè)網(wǎng)。

圖11為2007年7月20日凌晨觀測(cè)到的內(nèi)波情況。當(dāng)時(shí)試驗(yàn)船處于漂航狀態(tài)，ADCP設(shè)置測(cè)量盲區(qū)50 m，流層厚度16 m，內(nèi)波振幅高達(dá)200 m，在盲區(qū)深度50 m處的流速接近2 m/s。

圖11 內(nèi)波經(jīng)過(guò)時(shí)ADCP測(cè)得的流層流速圖

4.2 波浪的測(cè)量

利用ADCP各波束在海表投影形成測(cè)量海表起伏的波高測(cè)點(diǎn)，以及ADCP各波束在次表層水體中多層測(cè)流單元形成的往復(fù)流流速測(cè)點(diǎn)，共同形成ADCP在海表面波浪場(chǎng)的空間測(cè)量陣列，其示意圖如圖12所示。ADCP可在波浪場(chǎng)中獲取空間陣列多個(gè)測(cè)點(diǎn)位置的波高或流速觀測(cè)值，即各個(gè)測(cè)點(diǎn)上物理量觀測(cè)時(shí)間序列。利用單個(gè)測(cè)點(diǎn)時(shí)間序列提取的自信息/自譜、不同測(cè)點(diǎn)間的互信息/互譜，構(gòu)成測(cè)量陣列的交叉譜矩陣。最后，使用測(cè)點(diǎn)陣列導(dǎo)向矢量矩陣、流速-波面起伏傳遞函數(shù)和測(cè)量數(shù)據(jù)交叉譜矩陣，選用不同估計(jì)算法估計(jì)波浪方向譜。

圖12 五波束ADCP測(cè)波浪采樣陣列示意圖

4.3 水體含沙量的測(cè)量

利用單一頻率或多種頻率ADCP獲取回波散射強(qiáng)度，分析、反演測(cè)量水中泥沙顆粒的濃度和平均粒徑是目前ADCP應(yīng)用拓展的又一個(gè)新方向。通過(guò)研究泥沙顆粒濃度以及粒徑與其聲散射特性、聲衰減特性、回波信噪比的關(guān)系，并通過(guò)能量比算法、差值算法和最近鄰算法等，建立泥沙顆粒濃度及粒徑與ADCP測(cè)量參數(shù)的關(guān)系模型，經(jīng)多次率定可進(jìn)行水體含沙量的監(jiān)測(cè)。

5 結(jié)束語(yǔ)

ADCP作為一種先進(jìn)的測(cè)速測(cè)流儀器，應(yīng)用越來(lái)越廣泛，所產(chǎn)生的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益也越來(lái)越高。國(guó)產(chǎn)ADCP經(jīng)過(guò)多年的研究，在產(chǎn)品系列化、小型化、多頻組合方面得到了很大的發(fā)展，在海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、水文水利等各領(lǐng)域得到了快速的應(yīng)用；并拓展應(yīng)用在內(nèi)波監(jiān)測(cè)、波浪測(cè)量、水體含沙量測(cè)量等領(lǐng)域。隨著我國(guó)科研水平和生產(chǎn)制造能力的不斷提升，國(guó)產(chǎn) ADCP必將會(huì)取得更大的發(fā)展，將全面替代進(jìn)口設(shè)備。