聲學(xué)多普勒海流計(jì)的近期發(fā)展綜述

劉長(zhǎng)樂(lè)等

【摘 要】聲學(xué)多普勒海流計(jì)是目前國(guó)際上流速測(cè)量采用的主要設(shè)備，此類(lèi)儀器利用聲學(xué)多普勒原理進(jìn)行流速剖面測(cè)量，具有傳統(tǒng)測(cè)量手段無(wú)法比擬的特點(diǎn)。本文對(duì)聲學(xué)多普勒海流計(jì)工作原理與近期發(fā)展進(jìn)行了總結(jié)，并簡(jiǎn)單歸納了聲學(xué)多普勒海流計(jì)在應(yīng)用中應(yīng)注意的問(wèn)題。

【關(guān)鍵詞】多普勒；海流；波浪；發(fā)展

0 研究背景

海流是海洋水文的主要要素之一，海流的測(cè)量是近海和遠(yuǎn)洋調(diào)查的重要內(nèi)容之一。自從1905年制造出首臺(tái)艾克曼海流計(jì)以來(lái)，經(jīng)過(guò)一百多年的歷史，測(cè)流儀器已經(jīng)發(fā)展到上百種。聲學(xué)海流計(jì)是近代發(fā)展起來(lái)的、以聲學(xué)多普勒效應(yīng)為測(cè)量原理的新型物理海洋觀測(cè)儀器。

由于聲學(xué)海流計(jì)具有不破壞流場(chǎng)，可測(cè)瞬時(shí)流，能自動(dòng)校準(zhǔn)，能獲得高精度，能測(cè)低流速等機(jī)械轉(zhuǎn)子式海流計(jì)所不具備的優(yōu)點(diǎn)，自從它出現(xiàn)以后，很多國(guó)家都很重視。近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)若干單位也進(jìn)行了這方面儀器的研制。

聲學(xué)測(cè)流儀器按其工作原理可劃分為多普勒流速剖面儀、單點(diǎn)式多普勒流速計(jì)，本文僅討論第一種。

1 近期發(fā)展

近三十年來(lái)，以美國(guó)RDI公司和挪威Nortek公司為首的數(shù)家設(shè)備制造廠商在聲學(xué)多普勒海流計(jì)從實(shí)驗(yàn)室走向野外觀測(cè)方面做出了卓有成效的工作。

1981年起，美國(guó)RDI公司先后推出了三代ADCP（聲學(xué)多普勒海流剖面儀），其中1981年推出第一代窄帶ADCP，1991年推出第二代即寬帶ADCP，在第一代的基礎(chǔ)上提高了流速測(cè)量的空間和時(shí)間分辨率，1995年推出第三代即小型化、低成本ADCP，目前，該公司已成為多普勒海流剖面儀行業(yè)的標(biāo)桿，尤其是其擁有世界領(lǐng)先的底跟蹤專(zhuān)利技術(shù)，根據(jù)應(yīng)用海域深度不同，分別生產(chǎn)制造了Mariner、Sentinel、Ocean Surveyor等系列產(chǎn)品，具備精確走航海流剖面觀測(cè)能力，使其成為全球最大的ADCP生產(chǎn)廠商，其生產(chǎn)的超過(guò)5000臺(tái)ADCP在世界各地得到了廣泛應(yīng)用。

1996年，Nortek公司在挪威首創(chuàng)可自動(dòng)標(biāo)定的集成軟件，通過(guò)GPS在深水考察船上提供高質(zhì)量的流速剖面測(cè)量；2001年，生產(chǎn)制造了可以進(jìn)行潮位、海流剖面和波浪同時(shí)觀測(cè)的設(shè)備；2006年，采用水表面跟蹤和流速數(shù)據(jù)，開(kāi)發(fā)出一種新型波浪數(shù)據(jù)處理方法，結(jié)合壓力數(shù)據(jù)，可以在三維能譜中很好的分辨風(fēng)浪和涌浪大小和方向；2009年，首創(chuàng)采用Z-cell（零測(cè)量層）測(cè)量技術(shù)，即在儀器探頭的水平層，由3個(gè)獨(dú)立的2MHz傳感器測(cè)量流速，這樣就克服了聲學(xué)多普勒剖面海流計(jì)無(wú)法測(cè)量其所在深度海流的缺點(diǎn)，基本消除了聲學(xué)多普勒剖面海流計(jì)的聲學(xué)盲區(qū)。

2 優(yōu)越性與局限性

2.1 優(yōu)越性

2.1.1 高效性

常規(guī)海流計(jì)采用點(diǎn)采集模式，對(duì)測(cè)量水深要逐點(diǎn)進(jìn)行，觀測(cè)一次要持續(xù)20min左右，多普勒海流剖面儀是剖面模式，設(shè)置完成后，系統(tǒng)自動(dòng)采集記錄，無(wú)須工作人員跟蹤，節(jié)省人力。

2.1.2 連續(xù)性

常規(guī)海流計(jì)測(cè)量要逐點(diǎn)進(jìn)行，不能一次觀測(cè)所有水深的流速數(shù)據(jù)，相互之間有一定的時(shí)間間隔，并經(jīng)常受風(fēng)浪等海況影響；多普勒海流剖面儀采用剖面測(cè)量模式，一次數(shù)據(jù)采集即可完成所有水深的流速測(cè)定，而且設(shè)備固定安裝于海底，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)置時(shí)間自動(dòng)采集記錄，保證數(shù)據(jù)連續(xù)、完整。

2.1.3 抗外界干擾性

常規(guī)海流計(jì)工作時(shí)受海況影響較大，并會(huì)影響測(cè)量精度，有時(shí)甚至導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)錯(cuò)誤；多普勒海流剖面儀安放在海底，風(fēng)浪對(duì)海底設(shè)備造成影響很小。

2.2 局限性

2.2.1 安裝不便

由于多普勒海流剖面儀安裝在海底，安裝及安裝后保持穩(wěn)定需要必要的人工干預(yù)。

2.2.2 底層數(shù)據(jù)缺失

由于設(shè)備安裝及盲區(qū)的影響，即使使用具備Z-cell技術(shù)的設(shè)備，底層1m以內(nèi)的數(shù)據(jù)也無(wú)法采集，在某些有特殊要求的觀測(cè)項(xiàng)目中，需要配合其他設(shè)備以保證數(shù)據(jù)完整。

2.2.3 盲區(qū)及“旁瓣”區(qū)

由于設(shè)備工作原理限制，在近儀器處及近水面處數(shù)據(jù)質(zhì)量差甚至數(shù)據(jù)缺失，要求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充或相關(guān)修正計(jì)算[7]。

2.2.4 設(shè)置相對(duì)復(fù)雜

觀測(cè)前要針對(duì)不同的工作內(nèi)容和要求進(jìn)行方案設(shè)計(jì)與設(shè)備設(shè)置，對(duì)各參數(shù)要嚴(yán)格無(wú)誤。

3 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，聲學(xué)多普勒海流計(jì)已發(fā)展出適用于不同觀測(cè)任務(wù)的多種類(lèi)型、型號(hào)，在實(shí)際應(yīng)用中也證明其具有常規(guī)設(shè)備無(wú)法比擬的優(yōu)越性，更適合在海洋科技高速發(fā)展的今天對(duì)各種環(huán)境下水文數(shù)據(jù)采集的要求，并展現(xiàn)出其在其他領(lǐng)域如懸浮泥沙聲學(xué)觀測(cè)[7]、河流流量測(cè)量[8]等方面的應(yīng)用前景，多普勒技術(shù)的應(yīng)用，各類(lèi)高科技聲學(xué)多普勒海流計(jì)產(chǎn)品的研制，為海洋工作者提供了更多更好的選擇，但無(wú)論如何設(shè)備必須由人來(lái)操作，儀器性能的優(yōu)越發(fā)揮終究離不開(kāi)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員的專(zhuān)業(yè)水平和精心操作，這也要求海洋工作者要不斷學(xué)習(xí)，熟練掌握運(yùn)用先進(jìn)設(shè)備的技術(shù)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]J.D.Chalupnik，P.S.Green， A Doppler-Shift Ocean Current Meter[Z].Mar.Sci. Inst.，Vol. 1， pp. 194-199.

[2]E.D.Squier，A Doppler Shift Flowmeter[Z].Mar.Sci.Inst.，Vol.4，pp.531-539.

[3]Results of a Field Study Using the 3-Axis Doppler Shift Current Meter[Z].AD 732436.

[4]A New Meter Based on Doppler Effect to Measure Underwater Current Flow[J].Curent Science，Vol.33，No.15，pp.474，Aug.5，1964.

[5]Wm.J.Wiseman，Jr.R.M.Crosby，D.W.Pritchard，A Three-Dimensional Current Meter for Estuarine Applications[J]. Journal of Marine Research，Vol.30，No.1，pp.153-158.

[6]張叔英，李允武，懸浮泥沙聲學(xué)觀測(cè)的原理分析[J].聲學(xué)學(xué)報(bào)，1999，24（3）：5.

[7]姚章民.聲學(xué)多普勒水流剖面儀在河流流量測(cè)量中的應(yīng)用[J].人民珠江，2002（6）.

[責(zé)任編輯：曹明明]