海流計的發展現狀及其應用

喬正明 陳超 吳姚振 朱娟

摘要：為解決海流計在實際應用中存在的部分專業術語不規范、譯名不統一和歸類有差異等問題 ， 促進海洋觀測儀器的發展和應用 ， 文章參照相關標準規范、權威專著和專業文獻等資料 ， 根據海流計的工作原理和使用性質 ， 結合業界實踐經驗 ， 系統梳理各類型海流計的命名、分類、適用范圍、特點和發展方向等內容。研究結果表明：海流計可定義為“一種用于測量海水流速和流向的儀器”， 根據工作原理主要分為機械式海流計、電磁海流計、聲學海流計和其他海流計4個大類 ， 不同類型的海流計各具特性;其中 ，機械式海流計主要包括厄克曼海流計、印刷海流計、照相型海流計、磁錄式海流計、遙測海流計和直讀式海流計 ， 電磁海流計主要包括地磁場電磁海流計和人造磁場電磁海流計 ， 聲學海流計主要包括聲學多普勒流速剖面儀、聲學多普勒海流單點測量儀、聲學多普勒流速儀和時差式聲學海流計 ， 其他海流計主要包括激光多普勒測速儀、電阻式海流計、應變片海流計、傾斜式海流計、粒子圖像測速儀和海洋湍流剖面儀。

關鍵詞：海流觀測;海流計;機械式海流計;電磁海流計;聲學海流計

中圖分類號：P716;P714????? 文獻標志碼：A?????? 文章編號：1005-9857（2021）12-0085-08

Development Status and Application of Current MetersQIAO Zhengming1，CHEN Chao2，WU Yaozhen3，ZHU Juan1

（1.Preparation Office of Zhangzhou base of National Marine Technology Center，Xiamen 361007，China;

2.CSIC PRIDe （Nanjing） Atmospheric &. Oceanic Information System Co.，Ltd.，Nanjing 211106，China;

3.Troops 91001，Beijing 110108，China）

Abstract：In order to solve the problems of nonstandard use of some professional terms， inconsistent translation and different classification in the practical application of current meters， referringto the national standards， industry specifications and relevant literature， combined with the principle and application of current measurement， this paper figured out the naming， classification，scope of application， characteristics and development direction of various types of current meterssystematically， which could also promote the development and application of ocean observationinstruments. The results showed that the current meter could be defined as “an instrument formeasuring the velocity and direction of sea water".The current meters were mainly divided into4 categories： mechanical current meters， electromagnetic current meters， acoustic current metersand other current meters according to the working principle and different types of current metershad their own characteristics. Mechanical current meters mainly included Ekman current meter，printing current meter， photographic current meter， magnetic recording current meter， telemetering current meter and direct reading current meter. Electromagnetic current meters mainly included geomagnetic electromagnetic current meter and artificial magnetic electromagnetic currentmeter. Acoustic current meters mainly included acoustic doppler current profiler， acousticdoppler current single point current measuring instrument， acoustic doppler current meter andtime different acoustic current meter. Other current meters mainly included laser doppler anemometry， resistance current meter， strain current meter， inclined current meter， particle imagevelocimeter and ocean turbulence profiler.

Keywords：Current observation，Current meter，Mechanical current meter，Electromagnetic currentmeter，Acoustic current meter

0 引言

海流是海洋動力環境的重要參數 ，對全球氣候穩定、海洋生態系統平衡和海洋開發利用等發揮至關重要的作用 ， 因此海流觀測技術一直是海洋觀測領域的關注焦點之一[1-2]。

為在惡劣的海洋環境下準確和便利地觀測海流 ，人類自17世紀開始使用漂流瓶和海冰等漂浮物觀測表層海流 ， 開啟人類觀測海流的歷史[3]。1905年世界首臺機械式海流計—厄克曼海流計問世 ，實現海流測量儀器從無到有、測量范圍從淺到深和測量數據從直讀到自容的轉變[4]。 20世紀70年代末至80年代初 ， 首臺聲學多普勒流速剖面儀（ADCP）實現非接觸、無干擾和剖面三維的海流流速測量[5]。20世紀70年代以來 ， 隨著海洋遙感衛星和海洋觀測雷達等技術的不斷發展和應用 ， 實現對海流的全天候、大范圍和不間斷觀測[6]。經過百余年的發展 ， 人類已發明和制造上百種測流儀器 ，獲取和積累豐富的海流數據 ， 為認知海洋、探索海洋、研究海洋和應用海洋奠定堅實基礎。

對于海流計的常用術語、分類和命名等 ， 我國雖已頒布多項國家和行業標準規范 ，但在實際應用中仍然存在一些問題。①專業術語的定義未及時更新 ，如隨著新型測流方法的補充和擴展 ， 海流計的定義未及時更新;②儀器譯名有差異 ， 如厄克曼海流計[7]有時會被譯為埃克曼海流計[8]或艾克曼海流計;③儀器歸類不統一，如有時將 ADCP列為聲學海流計的種類之一，而有時又將其單獨列類。為使海流觀測儀器的分類和命名具有連續性和繼承性 ，避免出現新的混亂 ，本研究參照相關標準規范、權威專著和專業文獻等資料 ，依據海流觀測儀器的工作原理和使用性質 ， 結合業界實踐經驗 ， 在原有分類的基礎上對海流計的相關內容進行梳理和總結 ， 以期提供借鑒和參考。

1 海流計的概念和分類

國家專業標準《海洋儀器術語》（ZB Y 188-83）將海流計定義為“測量海流的流速和流向的儀器總稱”[7] ， 國家機械行業標準《海流儀器測試方法》（JB/T 7480-94）中的海流儀器即海流計[9]。近年來 ， 隨著海洋遙感衛星和海洋觀測雷達等新型測流技術的發展和應用 ，遙感測流已成為海流觀測的重要組成部分。對于海洋遙感衛星和海洋觀測雷達是否納入海流計范疇 ， 目前鮮有文獻提及 ， 本研究暫不討論。為區分遙感測流儀器與海流計 ，建議將海流計的定義改為“一種用于測量海水流速和流向的儀器”[10]更加準確。

根據工作原理 ， 海流計主要分為機械式海流計、電磁海流計、聲學海流計和其他海流計4個大類[1， 11]。

2 機械式海流計

機械式海流計依據轉子或旋槳受水流推動的轉速測量流速，并依據磁羅盤確定流向[10，12]。根據水流驅動的慣性元件的不同，機械式海流計可分為2種。①機械轉子式海流計，即在水流作用下轉子向一定方向只做單向旋轉 ，其轉速與流速有一定或近似的線性關系，轉子分為薩沃紐斯轉子和環形轉子等;②機械旋槳式海流計 ， 即在水流作用下旋槳依水流的正、反方向旋轉 ， 其轉速與流速有一定或近似的線性關系，旋槳分為風車形旋槳和螺旋形旋槳[7]。根據數據記錄方式的不同，機械式海流計可分為厄克曼海流計、印刷海流計、照相型海流計、磁錄式海流計、遙測海流計和直讀式海流計等類型[7，13]。

需要說明的是 ， 由于業內對于同類型海流計的稱呼有所差異，為不造成新的混亂 ， 本研究中的海流計名稱均與國家和行業標準規范保持一致 ，若無相關標準規范則參考業內慣稱。

2.1 厄克曼海流計[1，4， 10-11]

厄克曼海流計是由瑞典物理海洋學家 Ekman 于1905年設計并制造的自容式測流儀器，能夠記錄給定時間間隔內水流的平均流速和流向 ， 由軛架、旋槳、離合器、計數器、記錄表盤、承接盒和尾舵等部件構成（圖1）。

厄克曼海流計在工作時，通過1個帶屏蔽殼體的旋槳和記錄表盤測量平均流速，并根據流入承接盒內小球的分布確定流向，其中旋槳的起動速度通常為0.03m/s。流速的最大測量誤差為±0.05m/s，流向的測量誤差為±（10°～15°）。

厄克曼海流計雖已逐漸退出歷史舞臺 ，但其基本原理仍被沿用至今。

2.2 印刷海流計[11， 14]

印刷海流計是錨碇船用或浮標用的定點自記測流儀器，能夠測量和記錄給定時間間隔內水流的平均流速和瞬時流向 ， 由外殼和記錄機構（包括時間控制系統、齒輪傳動系統、字盤和印刷系統）等部件構成。

印刷海流計在工作時，海流推動旋杯，通過記錄紙上印刷出來的流速字盤數字得出平均流速，并根據尾舵方向與記錄機構內磁針間的夾角確定流向。代表型號包括 SLC61型和 SLC62型，最大使用水深分別為250 m 和1200 m，連續記錄時間為2～6個月。流速的測量范圍通常為0.03～1.50m/s，相對標準偏差不超過2%，流向的最大測量誤差為±5°。

由于數據記錄和處理方式較落后，印刷海流計已逐步被淘汰。

2.3 照相型海流計

照相型海流計是錨碇船用或浮標用的定點自記測流儀器，通過1個大直徑導流葉輪測量流速，由隨海流方向轉動的度盤示數確定流向，并以照相方式將測量數據記錄在耐壓殼內的膠卷上。照相型海流計通常使用寬為16mm、長為15 m 的膠卷，每次大約可記錄6000幅照片，測量深度為150 m ， 自記工作時間約為30d。

關于照相型海流計的文獻資料較少，且該型海流計目前已被淘汰。

2.4 磁錄式海流計[15]

磁錄式海流計是錨碇浮標用的定點自記測流儀器，通過薩沃紐斯等轉子感應將轉速轉換為電壓以測量流速，利用磁通門羅盤等確定流向，并以二進制編碼方式或其他方式將測量數據記錄在磁帶上。儀器的使用深度為1000～6000 m，流速的測量范圍為0.03～4.00 m/s，測量誤差為±（0.03～0.05） m/s，流向的最大測量誤差為±5°。

較常見的磁錄式海流計為挪威產的安得拉海流計 ，其是目前世界上使用最廣泛的海流計之一。

2.5 遙測海流計

遙測海流計是錨碇浮標用的定點自記測流儀器，通過在自記儀紙帶上記錄脈沖頻率和相對位置確定流速和流向。儀器上安裝雙頻道無線電遙測裝置，包括安裝在浮標上的傳感器以及安裝在船上或岸站的接收裝置 ， 接收裝置能夠連續定向接收3個浮標的測流數據。流速的測量范圍為0.1～3.6 m/s，最大測量誤差為±0.05 m/s， 流向的最大測量誤差為±10°，適合短期現場實時觀測。

2.6 直讀式海流計[10， 16-18]

直讀式海流計是能夠直接讀取測量值的錨碇船用的定點測流儀器 ， 主要由水下探測器、水上數據終端和聯接電纜構成 ， 可測量所在深度海流的流速和流向。海流推動探測器轉子或旋槳旋轉 ， 通過脈沖信號器測量流速;尾舵感應流向 ， 并通過磁性同步發信線圈確定流向。儀器的使用深度為150～660 m ，流速的測量范圍為0.05～7.00m/s。

因測量數據讀取直觀、資料整理方便和測量速度快 ，直讀式海流計適合短期現場多層次實時觀測。我國自主研制的 SLC9-2型直讀式海流計代表目前國內機械式海流計研制的最高水平 ， 至今仍占有較大的應用市場;最大探測深度為200 m ，流速的測量范圍為0.03～3.50 m/s， 最大測量誤差為±1.5%FS，流向的最大測量誤差為±4°。

2.7 小結

機械式海流計是人類最早應用的海流觀測儀器 ，為海流觀測作出巨大貢獻。其優點主要包括結構簡單、成本低、使用方便和穩定可靠 ， 缺點主要包括接觸測量有擾流、機械轉子慣性大、測量精度不高以及無法測量低速流和快速變化的湍流。

隨著新型測流儀器的發展和應用 ， 機械式海流計不再是主流的測流儀器 ， 對其的研究也逐漸減少[10， 13]。目前機械式海流計主要用于對流速測量精度要求不高的場合以及 ADCP等其他類型測流儀器的比測。

3 電磁海流計

電磁海流計利用法拉第電磁感應定律 ， 通過測量海水流過磁場時所產生的感應電動勢來測量海流。 1948年美國伍茲霍爾海洋研究所利用此原理研制世界首臺電磁海流計[19]。根據磁場來源的不同 ， 電磁海流計可分為地磁場電磁海流計和人造磁場電磁海流計。

3.1 地磁場電磁海流計[13，20]

地磁場電磁海流計由電纜、電極和記錄器等組成 ，根據海流穿過地磁場時的感應電動勢實現海流測量。儀器工作時 ，2個電極裝在長電纜的末端 ，船只拖著傳感器在海面上沿“之”字形路線航行 ， 分別測量2個方向的海流分量 ， 然后求出海流的矢量大小和方向。地磁場電磁海流計適合走航測流 ， 可在航行中大范圍和連續地測量表層海流 ，并在較短時間內獲取大量海流數據。

根據測量深度的不同 ， 地磁場電磁海流計分為深海型（100 m 以深）和表層型。流速的測量范圍為0.03～3.00 m/s，最大測量誤差為±0.02 m/s， 流向的最大測量誤差為±5°。地磁場電磁海流計的優點主要包括可走航自記、水下部件結構簡易和可靠性高;缺點為由于其與地球垂直磁場的強度有關 ， 不能在赤道附近使用 ， 而只適用于地磁垂直強度大于0.1 Oe的海區 ，且受船磁的影響較大。

投棄式海流剖面儀（XCP）是利用地磁場快速測量海流的電磁海流計 ， 可測量傳感器所在位置的海水流速和流向 ，具有探測海域廣、測量深度大、運行周期短、探頭體積小、布放形式多樣和數據獲取及時等優點 ，但流速測量的精度受地磁場分布的影響較大。

3.2 人造磁場電磁海流計[13， 18，21]

人造磁場電磁海流計由殼體（包括球形、環形和盤形等）、激勵線圈和接收電極等組成 ， 根據海流穿過人工磁場時的感應電動勢實現海流測量。儀器工作時 ，通過對其自身的1個環形電磁線圈施加一定頻率的正弦交流電 ，使傳感器周圍產生1個交流磁場 ， 當海水流過該磁場時會產生感應電動勢 ， 傳感器通過測量感應電動勢確定海水流速和流向。人造磁場電磁海流計適合船用或錨碇定點測流 ， 流速的測量范圍為0～3.5 m/s， 最大測量誤差為±0.01m/s或±2% FS， 流向的最大測量誤差為±2°。

人造磁場電磁海流計的優點主要包括受海水深度和海區緯度的限制不大、準確度高、測量數據齊全可靠、體積小、可自容或直讀測量、操作簡便、無活動部件以及對流場影響小 ， 缺點主要包括不能進行剖面測量、能耗高、易損壞、操作繁瑣以及易受海水介質電導率和地磁場的影響。目前世界上使用最廣泛的人造磁場電磁海流計是美國 Interocean 公司于1983年研制的 S 4型電磁海流計 ，其球形外表可確保當儀器傾斜時不會影響流速測量的準確性;該型電磁海流計不僅可確定海水流速和流向 ， 而且可測量波浪、潮汐、海水溫度、海水濁度和水質等 ，此外在船上或錨碇的條件下都可進行水下測量工作。

3.3 小結

電磁海流計尤其是人造磁場電磁海流計應用廣泛。與傳統的機械式海流計相比 ，其無機械磨損部件、使用壽命長、采樣方式靈活和啟動流速低。此外 ， 由于采用矢量平均的測量方法 ， 電磁海流計在受風浪影響較大的表層海流和垂直流的測量中具有非常明顯的優勢[20]。然而電磁海流計存在易受電磁干擾、擾流嚴重、能耗高和易損壞等問題 ，且海水電導率會隨季節或溫度的變化而變化 ，從而直接影響測量精度。因此 ， 隨著現代海流測量精度要求的不斷提高 ， 后期關于電磁海流計的研究成果較少[12， 16]。

4 聲學海流計

聲學海流計出現較晚但發展迅速 ， 目前已形成多種產品。由于聲學海流計的命名（譯名）、定義和分類仍存在不一致的問題[7， 16] ， 本研究將利用聲學原理實現海流測量的儀器統稱為聲學海流計 ， 而用于河道和湖泊等的測流儀器不予討論。

4.1 聲學多普勒流速剖面儀（ADCP）

ADCP（2008年后實施的國家和行業標準規范譯為聲學多普勒流速剖面儀[22-25]）利用聲學多普勒原理測量分層水介質散射信號的頻移信息 ，并利用矢量合成法獲取垂直剖面的海流流速和流向[23]。 ADCP 由換能器陣、殼體、通信端口、數據電纜、采集計算機和軟件組成[24] ，流速剖面的最大探測深度為800 m，最大測量層數為128層 ，底跟蹤的最大測量深度為1350 m。流速測量范圍：直讀式和自容式為-4～4 m/s，船用式為-9～9 m/s。流速的測量誤差為測量值×1%±（0.005～0.010） m/s，流向的最大測量誤差為±5°[23]。

ADCP有多種分類方式：按工作方式可分為自容式、直讀式和船用式（走航式） ，按聲信號發射、接收和處理方式可分為窄帶、脈沖相干和寬帶 ， 按數據讀取方式可分為直讀式和自容式 ，按安裝方式可分為坐底式、懸浮式、走航式、拖曳式和橫向固定式 ，按工作頻率可分為38 kHz、75 kHz、150 kHz、300 kHz、600 kHz和1200 kHz（表1）[5，22-23]。

ADCP是近年來發展迅速和應用廣泛的快速、經濟和有效的新型測流儀器 ，是目前世界上測量多層海流剖面和河道流量的最有效儀器 ， 被國際海洋學委員會列為4種先進的海洋觀測儀器之一[5]。 ADCP具有測流范圍廣、不擾動流場、測量用時短、測量精度高以及不存在機械慣性和機械磨損等優點 ，尤其適合流態復雜條件下的測流 ， 且可進行流速和流向的三維測量 ， 因此被廣泛應用于海流和海浪觀測以及水聲定位導航等領域。目前熱帶海洋與全球大氣計劃（ TOGA）和世界大洋環流實驗（WOCE）等國際大型海洋研究項目都使用 ADCP 進行海流觀測。TRDI、Sontek/YSI和 Nortek 是從事 ADCP研發的3家主導公司 ， 其研發的船用式、自容式和直讀式 ADCP具有技術先進、性能可靠和測量精度高等特點 ，工作頻率覆蓋38～1200 kHz， 在全球市場占有很大份額。

ADCP的主要發展方向包括測量海流并用于海浪方向譜的計算 ，發展相控陣 ADCP技術以及發展低頻聲吶陣、作用距離更遠且適合測量深海流場的 ADCP技術[26]。

4.2 聲學多普勒海流單點測量儀

聲學多普勒海流單點測量儀[27]（又稱多普勒式聲學海流計[28]、聲學多普勒海流單點海流計或超聲多普勒海流計[12]）基于聲學多普勒頻移原理 ，換能器沿窄波束方向發射短波脈沖 ，接收波束在通過水體時由其中的顆粒物散射返回的聲信號 ，并利用接收聲信號的多普勒頻移計算海流流速和流向（圖2）。

該型海流計可在錨系或固定狀態下 ， 在儀器所在深度距換能器0.4～1.0 m 的區域測量流速和流向 ，工作頻率為1.9～2.0 MHz， 流速的測量范圍通常為0.05～3.00 m/s， 最大測量誤差為±0.05 m/s （流速≤1m/s）或±5%讀數（流速>1 m/s） ， 流向的最大測量誤差為±5°（0°～15°傾角）。聲學多普勒海流單點測量儀的代表產品是挪威安德拉儀器公司生產的 RCM 系列 ，分為300 m 型、2000 m 型和6000 m 型 ，除可測量儀器所在深度的海流流速和流向外 ，還可觀測海水壓力、濁度和溶解氧濃度等要素 ， 自記時間最長可達2年 ，并因體積小、能耗低、技術先進、測量精度高和安全實用而得到廣泛應用[29]。

4.3 聲學多普勒流速儀（ADV）

ADV（又稱聚焦式聲學多普勒海流計[1，28] ， 根據英文直譯為聲學多普勒流速儀[10，30]）利用聲學多普勒原理 ，能夠高精度和高分辨率地同時測量流速和水壓[30] ， 由換能器（包括1個發射換能器和3個以一定角度均勻分布在發射換能器周圍的接收換能器）、羅盤、傾斜儀以及壓力和溫度傳感器組成。儀器工作時 ， 由發射換能器垂直于儀器坐標系發射1個波束寬度很窄的高頻短脈沖信號 ， 該信號被水體中的顆粒物散射后由3個接收換能器接收 ， 通過解析和處理3個接收信號的多普勒頻移確定海流流速和流向[28]。

ADV是近年來逐漸發展的新型聲學海流計 ，具有不破壞流場、響應速度快、測量精度高、可測量三維流速和低流速以及可反演波浪和懸沙濃度等信息[30-31]的優勢 ，且因可測量近底海流而成為研究海洋近底異重流的重要工具[28]。然而 ADV易受外界環境干擾 ，水體氣泡、大顆粒懸浮物以及邊界回聲和脈動強度等因素都會影響其測量的準確度[30]。 ADV 的代表產品主要由美國SonTek公司和挪威 Nortek公司研制 ， 其中挪威 Nortek公司研制的 Vector系列的流速測量精度最高 ， 流速的測量范圍為0.1～7.0 m/s，最大測量誤差為測量值×0.5%或±1mm/s，流向的最大測量誤差為±2°。

4.4 時差式聲學海流計

時差式聲學海流計（又稱聲學時差海流計[10]或超聲時差海流計[12]）通過2對正交的換能器構成儀器坐標系 ，分別測量海流在儀器坐標系上的投影分量 ，再將投影分量通過矢量合成計算流速[12，28] ， 并通過內置羅盤和傾角傳感器確定流向。與其他聲學海流計不同 ，時差式聲學海流計相對的2個換能器通過測量聲波在順、逆流時的傳播速度和時間差計算流速（聲波在海水中傳播時 ， 在傳播距離相同的情況下 ，逆流聲波比順流聲波所用時間長[32]） ，其測量僅依靠水體傳播聲波的能力而與其他因素無關 ， 因此在清水或濁水中都能有效測量流速[32]。

時差式聲學海流計的優點主要包括測量精度高和不受散射體的限制 ， 缺點主要為輕微的擾流會對測量結果產生一定的影響[12，32]。時差式聲學海流計的代表產品是美國 FSI公司生產的 ACM- PLUS，流速的測量范圍為0～6m/s，最大測量誤差為測量值×1%±0.005 m/s， 流向的最大測量誤差為±2°[12] ， 可測量二維或三維流速 ， 并可搭載電導率、壓力和溫度傳感器。

4.5 小結

以 ADCP為代表的聲學海流計是近代發展起來的新型物理海洋觀測儀器 ， 在業內迅速發展和應用 ，并很快成為海流觀測的“主力軍”。其中 ， 以聲學多普勒效應為測量原理的聲學海流計可走航和定點觀測 ，具有使用范圍廣、不破壞流場、測量精度高和可測三維流速等特點;以聲波傳播時間差為測量原理的聲學海流計不依賴水中散射體 ，具有測量精度高、頻率響應好以及可測三維流速和弱流等特點。然而聲學海流計存在測量“盲區”，且受水聲技術、信號處理和換能器制造工藝等發展水平的限制 ，海水溫度、鹽度、懸浮顆粒、聲學散射體和多徑傳播等因素也會導致其測量精度下降。

5 其他海流計

5.1 激光多普勒測速儀（LDV）

LDV根據激光多普勒原理 ，利用被測流體中的散射粒子對入射光進行散射 ，并通過光電探測器探測散射光的頻移量 ， 依次計算被測流體的流速[32-33]。該型海流計具有動態響應快、空間分辨率高、測量范圍大、可非接觸測量和實時性佳等優點[34] ，但測量精度易受海水濁度的影響 ， 因此多用于實驗室流場試驗分析[1] ， 同時被廣泛應用于能源、水利、化工、醫療、冶金、鋼鐵、航空、機械制造和汽車制造等行業[34]。

5.2 電阻式海流計

電阻式海流計（又稱熱線海流計[33]）利用海流對熱敏電阻線的降溫作用實現測流。不同流速的海流在流經加熱電阻絲時 ， 電阻絲（通常選用鍍鉑鎢絲）的熱損耗與流速形成一定的關系 ， 通過此對應關系可測量流速。電阻式海流計的優點是可測瞬時流和低速流、測量精度較高以及可遙測 ， 但由于在海水中須隨時清除熱線表面的污垢 ， 使用不便 ， 當前未見于實際應用[3，33]。

5.3 應變片海流計

應變片海流計的測流原理是當海流經過應變片時 ，應變片的壓力會產生變化 ， 且這種變化與流速形成一定的關系 ， 通過測量這種變化實現對海流的測量[33]。目前該項技術尚處于研究試驗階段[1]。

5.4 傾斜式海流計

傾斜式海流計利用海流推動加速度計裝置 ， 根據加速度的變化得到傾斜角 ， 再利用流速與傾斜角的變換公式得到流速值 ，從而實現流速測量。該型海流計由浮力球、加速度計裝置、磁力計和存儲器等組成 ，可實現定點、自記和長期的海流觀測（圖3）[35]。

目前國內對于傾斜式海流計的研究很少 ， 而國外研制的傾斜式海流計僅適用于長期的海底流觀測 ，易受海草和浮游生物等的干擾 ， 須由專業的潛水人員安裝 ， 測量傳感器單一且數據處理方式簡單 ，無法適應海面風浪環境下的海流測量[35]。目前該項技術尚處于研究試驗階段[1]。

5.5 粒子圖像測速儀（PIV）

PIV通過拍攝并測量流場中隨流體共同運動的顆粒（示蹤粒子）的速度實現流速測量 ， 可快速測得瞬時全場速度分布。該項技術突破空間單點測量技術的局限性 ，可在瞬間記錄某個平面內的流場信息。受圖像采集和處理速度技術的限制 ， 目前 PIV 系統的時間采樣頻率仍不能與熱線和激光相比[20] ， 因此多用于實驗室流場分析[1]。

5.6 海洋湍流剖面儀

隨著測流技術的提高 ， 較大尺度的海流觀測已不能滿足精細化觀測需求 ， 可測量微結構海水湍流的海洋湍流剖面儀應運而生 ， 代表產品包括德國 Sun & Sea公司的湍流剖面儀 MSS90和 ISW 公司的海水剪切探針 PNS03和 PNS06[19]。隨著對海水微結構變化的深入了解 ， 海洋湍流剖面儀將成為物理海洋調查儀器的重要組成部分。

5.7 小結

LDV、電阻式海流計、應變片海流計、PIV 和海洋湍流剖面儀的結構和電路設計較復雜 ， 因此造價較高、使用條件較苛刻且操作較復雜 ， 使其推廣應用受到很大局限 ，僅適用于對測量精度要求較高的場合 ，適用于對表面流、近底層流、切變流和小尺度湍流等海流微結構的測量[33]。

6 結語

隨著海洋科技的不斷進步，海流觀測技術逐漸發展和提升，不同類型的海流計各自發揮其獨特的優勢。本研究系統梳理各類型海流計的命名、分類、適用范圍、特點和發展方向等內容，力求進一步統一行業常用術語，為規范海流計的使用提供參考。

參考文獻

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