宋大雷，周相建，陳朝暉，周麗芹，鄭金明

海流計(jì)發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)展望

宋大雷1，周相建1，陳朝暉2，周麗芹1，鄭金明1

從機(jī)械海流計(jì)、電磁海流計(jì)、聲學(xué)多普勒海流計(jì)、聲學(xué)時(shí)差海流計(jì)4方面總結(jié)國(guó)內(nèi)外海流計(jì)的發(fā)展歷程和研究現(xiàn)狀，分析比較各種海流計(jì)的技術(shù)特點(diǎn)和適用場(chǎng)合。展望海流計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)，為海流計(jì)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)和研究應(yīng)用提供借鑒和參考。

流速測(cè)量；機(jī)械海流計(jì)；電磁海流計(jì)；聲學(xué)多普勒海流計(jì)；聲學(xué)時(shí)差海流計(jì)

1 機(jī)械海流計(jì)發(fā)展及現(xiàn)狀

海流計(jì)是一種測(cè)量海水流速和流向的儀器，安裝在argo浮標(biāo)、錨定資料浮標(biāo)、潛標(biāo)、海床基、自治水下機(jī)器人(AUV)、水下滑翔機(jī)、調(diào)查船等海洋測(cè)流平臺(tái)上用于海流觀測(cè)。

機(jī)械海流計(jì)在所有類(lèi)型的海流計(jì)中出現(xiàn)的時(shí)間最早，是過(guò)去海洋觀測(cè)的主要裝備。最早的機(jī)械海流計(jì)是1905年瑞典物理海洋學(xué)家V.W. Ekman發(fā)明的純機(jī)械自容式厄克曼海流計(jì)，使用一個(gè)帶屏蔽殼體的螺旋槳和記錄轉(zhuǎn)盤(pán)測(cè)量平均流速，通過(guò)向盒中拋金屬球測(cè)流向[1]。20世紀(jì)20年代，S.J. Savonius發(fā)明了薩沃紐斯轉(zhuǎn)子，起初用于測(cè)量風(fēng)速，60年代初才出現(xiàn)薩沃紐斯轉(zhuǎn)子海流計(jì)，從此機(jī)械海流計(jì)進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期。60年代末70年代初，Woods Hole海洋研究所為表面系泊深海測(cè)流的需要研制了薩沃紐斯轉(zhuǎn)子VACM矢量平均海流計(jì)，后來(lái)AMF公司(今EG&G)制造了商業(yè)化的VACM產(chǎn)品，成為60年代主要的測(cè)流儀器。70年代末，Scripps海洋研究所的Weller為測(cè)振蕩流使用旋槳研制了VMCM，不久EG&G公司制造了商業(yè)化的VMCM產(chǎn)品。這一時(shí)期，挪威Aanderaa公司研制了著名的轉(zhuǎn)子式RCM機(jī)械海流計(jì)(見(jiàn)圖1)，后來(lái)該儀器經(jīng)過(guò)多次升級(jí)，流速測(cè)量精度高達(dá)±1 cm/s，流向測(cè)量精度±5°，代表了機(jī)械海流計(jì)的發(fā)展水平。

我國(guó)機(jī)械式海流計(jì)的發(fā)展始于1958年國(guó)務(wù)院科學(xué)規(guī)劃委員會(huì)海洋組領(lǐng)導(dǎo)的中國(guó)近海海洋綜合調(diào)查(簡(jiǎn)稱(chēng)全國(guó)海洋普查)，為了滿足海洋普查的需要，制造了純機(jī)械式的厄克曼海流計(jì)[2]。60年代中期和70年代初，我國(guó)經(jīng)歷了2次全國(guó)海洋儀器大會(huì)戰(zhàn)，并成立了國(guó)家海洋局海洋技術(shù)研究所(今國(guó)家海洋技術(shù)中心)、青島儀器儀表研究所(今山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所)等海洋儀器設(shè)備研究機(jī)構(gòu)，促進(jìn)了機(jī)械海流計(jì)的進(jìn)一步發(fā)展和提高。這一時(shí)期比較有代表性的產(chǎn)品是天津氣象海洋儀器廠生產(chǎn)的厄克曼海流計(jì)和印刷海流計(jì)[3]。80年代以來(lái)，我國(guó)機(jī)械海流計(jì)逐漸成熟，國(guó)家海洋局海洋技術(shù)研究所、中國(guó)科學(xué)院海洋研究所、山東海洋儀器儀表研究所、中國(guó)海洋大學(xué)等多個(gè)科研機(jī)構(gòu)都研制了各自的機(jī)械海流計(jì)，尤其是1993年青島海洋大學(xué)(今中國(guó)海洋大學(xué))研制的SLC9-2型機(jī)械海流計(jì)，流速測(cè)量精度達(dá)到滿量程的±1.5%，流向測(cè)量精度達(dá)到±4°，代表了當(dāng)前國(guó)內(nèi)機(jī)械海流計(jì)的發(fā)展水平，至今仍在我國(guó)廣泛使用，見(jiàn)圖2。

由于機(jī)械海流計(jì)存在接觸測(cè)量擾流、低流速下轉(zhuǎn)子或旋槳停轉(zhuǎn)、機(jī)械轉(zhuǎn)子慣性大等問(wèn)題，機(jī)械海流計(jì)測(cè)流精度不高，且無(wú)法測(cè)量低速流和快速變化的湍流。由于原理的限制，機(jī)械海流計(jì)無(wú)法測(cè)量三維流速。此外，機(jī)械海流計(jì)的運(yùn)動(dòng)部件在海水中容易發(fā)生銹蝕、卡死等故障[4]。因此，隨著聲學(xué)多普勒測(cè)流儀器的推廣應(yīng)用，機(jī)械海流計(jì)不再是主流的測(cè)流儀器，關(guān)于機(jī)械海流計(jì)的研究也逐漸減少。但是，機(jī)械海流計(jì)由于其性能可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、價(jià)格低廉，目前仍被應(yīng)用于水文測(cè)量中對(duì)流速測(cè)量精度要求不高的場(chǎng)合。在科研方面，機(jī)械海流計(jì)也用于聲多普勒流速剖面儀(ADCP)、聲多普勒流速計(jì)(ADV)等其他類(lèi)型測(cè)流儀器的標(biāo)定[5-6]。

2 電磁海流計(jì)發(fā)展及現(xiàn)狀

國(guó)外利用法拉第電磁感應(yīng)定律測(cè)流已有近百年的歷史。Young, Gerrard和Jevons在1918年的海試中發(fā)現(xiàn)地磁場(chǎng)中海水的運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生電氣干擾，不久又設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了流速和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)之間的定量關(guān)系[7]。這個(gè)現(xiàn)象迅速引起了人們的關(guān)注，但由于地磁場(chǎng)強(qiáng)度較弱，更多的研究人員利用人工交變磁場(chǎng)測(cè)量海水流速，并取得了成功。1947年，R.W. Guelke和C.A. Schoute-Vanneck首先系統(tǒng)地闡述了利用電磁感應(yīng)原理測(cè)海水流速的方法，并基于這種方法設(shè)計(jì)了一種流速測(cè)量裝置，其流速測(cè)量精度僅為測(cè)量值的±10%[8]。此后，各科研機(jī)構(gòu)和海洋儀器公司都研制了有各自特色的電磁海流計(jì)，如美國(guó)Marsh-McBimey公司的OEM512、日本ALEC株式會(huì)社的AEM系列電磁海流計(jì)等，普遍采用的傳感器外形有球形、圓柱形、圓盤(pán)形3種形式，電極的安裝形式主要有嵌入式和凸出式2種類(lèi)型。60年代起，科研人員探討了圓柱形、球形、圓盤(pán)形傳感器的擾流問(wèn)題[9]，美國(guó)Cushing公司的Vincent Cushing比較了不同傳感器外形、電極形式的電磁海流計(jì)在靈敏度、線性響應(yīng)和余弦響應(yīng)等方面的差異[10]。七八十年代，人們先后深入探討了均勻流、震蕩流和組合流場(chǎng)中電磁海流計(jì)的性能，誤差分析發(fā)現(xiàn)電磁海流計(jì)在純均勻流和純震蕩流場(chǎng)中性能良好，但在均勻流和震蕩流同時(shí)存在的組合流場(chǎng)中測(cè)量誤差較大[11]。1983年，美國(guó)InterOcean Systems公司研制了S4型電磁海流計(jì)(見(jiàn)圖3)，其流速測(cè)量精度為測(cè)量值的2%±1 cm/s，流向測(cè)量精度±2°，是目前世界上使用最廣泛的電磁海流計(jì)。此后，為進(jìn)一步了解電磁海流計(jì)的特性，研究人員又開(kāi)展了電磁海流計(jì)與VMCM、ADCP，ADV等其他類(lèi)型海流計(jì)的比測(cè)研究[12-13]，比測(cè)結(jié)果表明，各類(lèi)型海流計(jì)的測(cè)量結(jié)果基本一致。

我國(guó)對(duì)電磁海流計(jì)的研究始于上世紀(jì)六七十年代，經(jīng)過(guò)2次全國(guó)海洋儀器大會(huì)戰(zhàn)，我國(guó)出現(xiàn)了電磁海流計(jì)，用于第二次太平洋調(diào)查和其他海洋調(diào)查,它是當(dāng)時(shí)大洋走航測(cè)表層流的惟一儀器[2]。1963年，我國(guó)長(zhǎng)春氣象儀器研究所研制成功HLL2型地磁場(chǎng)電磁海流計(jì)。1980年，國(guó)家海洋局海洋技術(shù)研究所(今國(guó)家海洋技術(shù)中心)在HLL2的基礎(chǔ)上研制了HLL2-A型地磁場(chǎng)電磁海流計(jì)，利用地磁場(chǎng)強(qiáng)度的垂直分量測(cè)海流，只能測(cè)表層海流，測(cè)量精度僅為(10%±10)cm/s[14]。在1984年舉辦的全國(guó)江河湖海儀器交流產(chǎn)品展銷(xiāo)會(huì)上,國(guó)家海洋局海洋技術(shù)研究所研制的SLC4-1型電磁海流計(jì)，是當(dāng)時(shí)深海區(qū)表層測(cè)流惟一的儀器[3]。1985年，天津氣象海洋儀器廠研制了SLC3-2型船用電磁海流計(jì)，可測(cè)200 m以?xún)?nèi)各流層的流速、流向[15]。雖然80年代后期以來(lái)國(guó)內(nèi)關(guān)于電磁海流計(jì)的研究成果很少，但是電磁海流計(jì)仍被我國(guó)科研工作者廣泛采用。

電磁海流計(jì)沒(méi)有機(jī)械磨損部件，對(duì)海水中的微粒不敏感，故電磁海流計(jì)有性能可靠、魯棒性好等突出優(yōu)點(diǎn)。但電磁海流計(jì)的傳感器結(jié)構(gòu)影響被測(cè)流場(chǎng)，海水中存在的電磁干擾和海水電導(dǎo)率的變化會(huì)導(dǎo)致測(cè)得的電壓產(chǎn)生零漂，故電磁海流計(jì)測(cè)流精度不高。此外，電磁海流計(jì)測(cè)量前需校準(zhǔn)，故操作比較繁瑣。實(shí)驗(yàn)研究表明，電磁海流計(jì)在5～20 Hz的低頻宏觀湍流中頻率響應(yīng)良好，但在大湍流強(qiáng)度的環(huán)境中測(cè)量誤差較大，故適用于測(cè)量表面波控碎波區(qū)和內(nèi)陸架等環(huán)境中的流速，不適用于近底淺水環(huán)境和近岸沉積物運(yùn)輸?shù)却笸牧鲝?qiáng)度場(chǎng)合的流速測(cè)量[11]。近年來(lái)，關(guān)于電磁海流計(jì)的研究以應(yīng)用為主，國(guó)外學(xué)者將電磁海流計(jì)用于地形攔截波垂直結(jié)構(gòu)和水平結(jié)構(gòu)、強(qiáng)潮口落潮三角洲沙壩動(dòng)力地貌行為、近岸沙洲形成過(guò)程、大洋表層環(huán)流等方面的研究[16-18]，國(guó)內(nèi)的王愛(ài)軍使用日本ALEC電子株式會(huì)社研制的AEM HR研究了臺(tái)風(fēng)對(duì)沿海鹽沼沉積物動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響[19]?？傊瑖?guó)外對(duì)電磁海流計(jì)的研究比較多，且已形成商業(yè)化的電磁海流計(jì)產(chǎn)品，我國(guó)目前用于科學(xué)研究的電磁海流計(jì)以國(guó)外產(chǎn)品為主。

3 聲學(xué)多普勒海流計(jì)發(fā)展及現(xiàn)狀

3.1 聲學(xué)多普勒流速剖面儀

國(guó)外對(duì)聲學(xué)多普勒測(cè)流技術(shù)的研究比較早。1963年，美國(guó)邁阿密大學(xué)的Koczy等人首先提出用聲學(xué)多普勒技術(shù)測(cè)量流速的思想[20]。60年代末到70年代初，美國(guó)白橡樹(shù)海軍武器實(shí)驗(yàn)室、ChesapeakeBay研究所、國(guó)家海洋調(diào)查局工程開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)室、Sperry海洋儀器公司等都開(kāi)展了多普勒測(cè)流技術(shù)的研究。80年代，美國(guó)AMETEK/Straza公司首先研制出300 kHz的DCP4400窄帶ADCP。此后不久，美國(guó)RDI、日本Furuno、法國(guó)Thomson、挪威Aanderaa等相繼推出了成熟的窄帶ADCP產(chǎn)品。窄帶ADCP只能發(fā)射簡(jiǎn)單脈沖且?guī)捄苷?，?yīng)用有局限性。90年代初，各大海洋儀器公司和科研機(jī)構(gòu)開(kāi)始研究寬帶多普勒測(cè)流技術(shù)，RDI，SonTek，Nortek等公司不久后相繼研制出寬帶ADCP產(chǎn)品，見(jiàn)圖4。

寬帶ADCP能夠發(fā)射復(fù)雜的超聲波脈沖串，提高了流速測(cè)量范圍和測(cè)量精度。此后，為了進(jìn)一步增大ADCP的作用距離，各海洋儀器公司和研究機(jī)構(gòu)又研制出低頻率的寬帶相控陣ADCP。此外，為提高流速測(cè)量的效率，RDI，Nortek等研制了走航式ADCP，能高效地測(cè)出大面積海域的流場(chǎng)。RDI研制的工作頻率低于300 kHz的ADCP流速測(cè)量準(zhǔn)確度為測(cè)量值的(1%±0.5) cm/s，工作頻率超過(guò)600 kHz的ADCP流速測(cè)量精度為±0.3 cm/s，代表了當(dāng)前ADCP的技術(shù)水平。

國(guó)內(nèi)對(duì)聲學(xué)多普勒測(cè)流技術(shù)的研究以科研院所為主，主要靠國(guó)家科技攻關(guān)計(jì)劃、863計(jì)劃等科研基金的資助。國(guó)家海洋局海洋技術(shù)研究所從20世紀(jì)70年代開(kāi)始研究船載多普勒測(cè)流技術(shù)，90年代后期研制成功測(cè)量水深150 m的200 kHz走航式ADCP，并安裝在國(guó)家海洋局3條監(jiān)測(cè)船上。中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所在譜估計(jì)方面進(jìn)行了大量的研究，70年代后期研制出拖拽式ADCP樣機(jī)，80年代初開(kāi)始研究寬帶ADCP技術(shù)，1997年與海洋技術(shù)研究所共同承擔(dān)863計(jì)劃818-03專(zhuān)題，目標(biāo)是研制剖面深度為60 m和350 m的船用寬帶多功能ADCP[21-22]。哈爾濱工程大學(xué)水聲工程實(shí)驗(yàn)室從90年代就開(kāi)始了關(guān)于多普勒測(cè)速技術(shù)的研究，成功研制出多普勒計(jì)程儀等聲學(xué)多普勒測(cè)速儀器，在多普勒測(cè)速理論和相控陣?yán)碚摲矫婢邆漭^強(qiáng)的基礎(chǔ)[23]。另外，國(guó)內(nèi)在聲學(xué)多普勒流速剖面儀方面有研發(fā)基礎(chǔ)的單位還有中船重工第715所等。

ADCP是目前應(yīng)用最廣泛的流速測(cè)量?jī)x器，聲學(xué)多普勒測(cè)流技術(shù)是國(guó)內(nèi)外流速測(cè)量領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。2008年，日本古野公司發(fā)明了一種測(cè)量多普勒頻偏的裝置，降低了噪聲，提高了測(cè)量精度[24]。TRDI、SonTek/YSI和Nortek公司針對(duì)海洋觀測(cè)、油氣勘探、導(dǎo)航安全等不同應(yīng)用研制專(zhuān)用產(chǎn)品，ADCP呈現(xiàn)出專(zhuān)用化、系列化、布放形式多樣化的特點(diǎn)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)科研機(jī)構(gòu)也從未停止對(duì)聲學(xué)多普勒測(cè)流技術(shù)的研究，東南大學(xué)的韓寧和方世良提出用正弦信號(hào)組合脈沖調(diào)制的方法可以提高ADCP測(cè)流分辨率和精度[25]，中科院聲學(xué)所改進(jìn)了寬帶聲學(xué)多普勒技術(shù)中模糊速度處理方法，后來(lái)又研制出與目前水文系統(tǒng)中用于流量測(cè)驗(yàn)的主流設(shè)備性能相當(dāng)?shù)暮恿餍吐晫W(xué)多普勒流速剖面儀[26]。此外，ADCP也被用于湍流耗散、潮汐觀測(cè)、波浪測(cè)量等方面的研究?？傊?，國(guó)外一直主導(dǎo)著聲學(xué)多普勒測(cè)流技術(shù)的發(fā)展，雖然我國(guó)很多單位都研制成功了聲學(xué)多普勒流速剖面儀樣機(jī)，但是在通過(guò)項(xiàng)目驗(yàn)收后進(jìn)一步開(kāi)發(fā)形成產(chǎn)品的較少，導(dǎo)致國(guó)外測(cè)流儀器依然占據(jù)著國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。

3.2 單點(diǎn)聲學(xué)多普勒海流計(jì)

單點(diǎn)聲學(xué)多普勒海流計(jì)安裝在浮標(biāo)、潛標(biāo)、錨定的船等海洋測(cè)量平臺(tái)上，用于定點(diǎn)測(cè)量海水流速。單點(diǎn)聲學(xué)多普勒海流計(jì)也是基于聲學(xué)多普勒測(cè)流技術(shù)發(fā)展而來(lái)的，其發(fā)展歷程與ADCP相似。單點(diǎn)聲學(xué)多普勒海流計(jì)又可分為普通聲學(xué)多普勒海流計(jì)和聲學(xué)多普勒流速儀(ADV)2種類(lèi)型。目前國(guó)外比較有名的普通多普勒海流計(jì)有挪威Aanderaa的RCM Blue(見(jiàn)圖5)、Nortek的Aquadopp等。聲學(xué)多普勒流速儀最突出的特點(diǎn)是測(cè)量精度高、響應(yīng)速度快，能精確測(cè)量快速變化的湍流，目前代表產(chǎn)品有美國(guó)SonTek公司研制的ADV和挪威Nortek公司研制的Vector，見(jiàn)圖6。其中，Vector流速測(cè)量精度最高，可達(dá)測(cè)量值的(0.5%±1)mm/s。

國(guó)內(nèi)在單點(diǎn)聲學(xué)多普勒海流計(jì)研究方面起步較晚，國(guó)家海洋局第三海洋研究所于上世紀(jì)80年代末研制成功SLY1-1型聲學(xué)多普勒海流計(jì)[27]，南京水利水文自動(dòng)化研究所于90年代初研制成功LSW-1型超聲多普勒流速儀，流速測(cè)量精度為全量程的±1.5%，并于90年代末被推廣應(yīng)用到含沙江河[28]。近年來(lái)，國(guó)家海洋技術(shù)研究所研究了聲學(xué)多普勒海流計(jì)數(shù)據(jù)采集控制技術(shù)[29]。此外，華北電力大學(xué)在該方面也有所研究[30]。在聲學(xué)多普勒流速儀方面，清華大學(xué)能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的盧浩等使用ADV研究了粗糙元展向和流向間距不同的壁湍流流動(dòng)特性[31]，清華大學(xué)的何奇峰通過(guò)水槽實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)分析和檢驗(yàn)了ADV的適用性，并將ADV用于測(cè)量水流紊動(dòng)特性、泥沙濃度和泥沙濃度紊動(dòng)[32]，河海大學(xué)的呂升奇等研究了水體顆粒特性對(duì)ADV信號(hào)強(qiáng)度的影響[33]。在863計(jì)劃的支持下，中科院聲學(xué)所于2015年研制了ADL樣機(jī)。可見(jiàn)，目前我國(guó)對(duì)ADV的研究比較多。

3.3 聲相關(guān)流速剖面儀

聲相關(guān)流速剖面儀(ACCP)是在聲相關(guān)計(jì)程儀(ACL)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型測(cè)流儀器。與ADCP相比，ACCP使用更小、更輕、更廉價(jià)的換能器陣測(cè)量更大剖面深度的流場(chǎng)。20世紀(jì)70年代后期，Dickey和Edward提出了聲相關(guān)測(cè)速理論，并用于測(cè)量船相對(duì)于海底的速度[34]。RDI于90年代首先研制成功頻率75 kHz剖面深度為400 m的ACCP樣機(jī)，在海試中與ADCP比測(cè)結(jié)果一致，后來(lái)又研制成功2臺(tái)頻率22 kHz、剖面深度為1 000 m的大深度ACCP[35]。由于聲相關(guān)技術(shù)能夠測(cè)量接近海底的流速剖面，荷蘭的Robert F. van Unen等人將聲相關(guān)技術(shù)用于測(cè)量懸浮沙濃度[36]。

國(guó)內(nèi)對(duì)聲相關(guān)流速剖面儀(ACCP)的研究以中科院聲學(xué)所為主，該所于90年代初開(kāi)始研究聲相關(guān)測(cè)流速理論，1997年承擔(dān)863計(jì)劃818-03-02課題，研究船用聲相關(guān)海流剖面(ACCP)測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)，1999年研制成功75 kHz的ACCP原理樣機(jī)，2001年底研制出23.5 kHz大深度ACCP樣機(jī)，并在2002年初成功完成海試[21, 37]，之后又在聲相關(guān)測(cè)速理論和信號(hào)處理方法方面進(jìn)行了深入研究[38]，并討論了使用ACCP觀測(cè)深水散射層的可能性[39]。此外，中船重工726研究所、707研究所九江分部、哈爾濱工程大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等單位也對(duì)聲相關(guān)測(cè)速技術(shù)進(jìn)行了研究。

總之，聲學(xué)多普勒海流計(jì)采用遙測(cè)的測(cè)量方式，不擾流，且一次可以測(cè)量整個(gè)流速剖面，故流速測(cè)量精度和效率都很高。聲學(xué)多普勒海流計(jì)頻率響應(yīng)特性很好，特別適用于測(cè)量快速變化的湍流，尤其是ADV能對(duì)邊界層做非常精確的測(cè)量。但是，聲學(xué)多普勒海流計(jì)存在一定的測(cè)量盲區(qū)。此外，由于聲學(xué)多普勒海流計(jì)是通過(guò)測(cè)量散射體的速度測(cè)海水流速的，故只能用于測(cè)量沿海等散射體濃度高于一定值海域的流速，在極深水和極地等散射體濃度過(guò)低的海水中無(wú)法應(yīng)用。近年來(lái)，聲學(xué)多普勒海流計(jì)仍是國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的流速測(cè)量?jī)x器，其中關(guān)于聲學(xué)多普勒流速剖面儀的研究最多，關(guān)于單點(diǎn)聲學(xué)多普勒海流計(jì)的研究次之，關(guān)于聲相關(guān)流速剖面儀的研究成果最少。

4 聲學(xué)時(shí)差海流計(jì)的發(fā)展及現(xiàn)狀

國(guó)外從20世紀(jì)70年代就開(kāi)始了聲學(xué)時(shí)差法測(cè)流技術(shù)的研究，關(guān)于時(shí)差海流計(jì)的研究主要出自美國(guó)Woods Hole海洋研究所、NOBSKA公司和FSI公司。1975年，Gytre和Trygve提出用聲學(xué)時(shí)差法測(cè)量流速可以達(dá)到很高的精度[40]。1977年，Woods Hole海洋研究所的A.J. Williams將聲學(xué)時(shí)差傳感器搭載在自由落體探頭上，用于測(cè)量水平速度的垂直剪切[41]。A.J. Williams在ONR和NSF的資助下研制出深海聲學(xué)壓力計(jì)BASS，在海底邊界層的研究中用于測(cè)量雷諾應(yīng)力，在海水表面邊界層的研究中用于研究海氣相互作用[42]，在近底混合方面的研究中用于測(cè)量物質(zhì)通量、熱通量、鹽通量、輸沙量等參數(shù)[43]，在海浪過(guò)程的研究中用于研究波浪對(duì)沉積物運(yùn)輸?shù)挠绊慬44]。此外，BASS還被用于測(cè)量旋量和里查遜數(shù)[45-46]。在海底風(fēng)暴試驗(yàn)未獲得資助的情況下，A. J. Williams在BASS的基礎(chǔ)上研制出體積更小、成本更低的MAVS，期望能夠以模塊的形式嵌入海洋觀測(cè)系統(tǒng)。1997年，NOBSKA成立，MAVS(見(jiàn)圖7)開(kāi)始商業(yè)化，至今已形成5代產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于海洋漁業(yè)、油氣勘探、科學(xué)研究等領(lǐng)域中。在美國(guó)海軍研究局的資助下， Woods Hole海洋研究所的N.L. Brown和K.D. Lawson提出基于聲信號(hào)相位差的流速測(cè)量方法，并詳細(xì)闡述了一種新型聲學(xué)時(shí)差海流計(jì)的計(jì)方法[47]，F(xiàn)SI基于該技術(shù)于20世紀(jì)90年代先后開(kāi)發(fā)出商業(yè)化的3軸聲學(xué)時(shí)差海流計(jì)3D-ACM和2軸聲學(xué)時(shí)差海流計(jì)2D-ACM。

我國(guó)對(duì)聲學(xué)時(shí)差海流計(jì)的研究比較少，國(guó)家海洋局海洋技術(shù)研究所(今國(guó)家海洋技術(shù)中心)于20世紀(jì)80年代研制成功基于時(shí)差法的聲學(xué)矢量平均海流計(jì)，安裝在資料浮標(biāo)上用于測(cè)表層流[22]。近年來(lái)，哈爾濱工程大學(xué)王向紅等人在聲學(xué)時(shí)差法測(cè)流技術(shù)方面做了大量研究，提出了互相關(guān)時(shí)延估計(jì)、時(shí)間電壓轉(zhuǎn)換等聲傳播微小時(shí)差精確測(cè)量方法[48]，并在此基礎(chǔ)上提出了聲學(xué)時(shí)差海流計(jì)的設(shè)計(jì)方案[49-50]。

聲學(xué)時(shí)差海流計(jì)頻率響應(yīng)好、無(wú)測(cè)量死區(qū)、測(cè)速不依賴(lài)反射體、對(duì)氣泡不敏感，能夠測(cè)量三維流速，特別適用于湍流、低速流、純凈流、碎波區(qū)的流速測(cè)量。雖然聲學(xué)時(shí)差海流計(jì)也存在擾流問(wèn)題，但在測(cè)流時(shí)舍棄了受干擾最大的測(cè)量聲軸，因此仍有很高的測(cè)流精度。此外，聲學(xué)時(shí)差海流計(jì)無(wú)活動(dòng)部件，性能可靠。近年來(lái)，有研究表明聲學(xué)時(shí)差海流計(jì)在氣泡濃度超過(guò)25%的環(huán)境中測(cè)量誤差較大[46]。美國(guó)的NOBSKA公司和FSI公司目前在聲學(xué)時(shí)差法測(cè)流技術(shù)領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，都有商業(yè)化的聲學(xué)時(shí)差海流計(jì)產(chǎn)品，NOBSKA的MAVS-5流速測(cè)量精度為0.3 cm/s，流向測(cè)量精度為±2°，代表著當(dāng)前聲學(xué)時(shí)差海流計(jì)的發(fā)展水平。目前，國(guó)內(nèi)從事聲學(xué)時(shí)差海流計(jì)研究的科研單位以哈爾濱工程大學(xué)為主，我國(guó)至今并沒(méi)有出現(xiàn)商業(yè)化的時(shí)差海流計(jì)產(chǎn)品。

5 海流計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)展望

各類(lèi)海流計(jì)各具特色，未來(lái)流速測(cè)量仍會(huì)保持以聲學(xué)多普勒海流計(jì)為主、多種類(lèi)型海流計(jì)并存的局面。從測(cè)流精度方面看，聲學(xué)海流計(jì)的精度遠(yuǎn)高于機(jī)械海流計(jì)和電磁海流計(jì)，聲學(xué)多普勒海流計(jì)與時(shí)差海流計(jì)精度相當(dāng)；從測(cè)量效率方面看，聲學(xué)多普勒海流計(jì)測(cè)流效率最高；從適用海域方面看，聲學(xué)多普勒海流計(jì)在散射體濃度過(guò)低的海域中無(wú)法使用，聲學(xué)時(shí)差海流計(jì)卻不受此限制；從適用海流深度方面看，電磁海流計(jì)在表面邊界層海流觀測(cè)中表現(xiàn)良好；從成本方面看，機(jī)械海流計(jì)價(jià)格最低，在測(cè)流精度要求不高的場(chǎng)合有優(yōu)勢(shì)。因此，每類(lèi)海流計(jì)都有各自的特點(diǎn)和適用場(chǎng)合，見(jiàn)表1。聲學(xué)多普勒海流計(jì)仍將是未來(lái)的主流測(cè)流設(shè)備，聲學(xué)時(shí)差海流計(jì)優(yōu)勢(shì)明顯，有較大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

表1 各類(lèi)海流計(jì)優(yōu)缺點(diǎn)比較

未來(lái)海流計(jì)發(fā)展將呈現(xiàn)以下特點(diǎn)。

1)海流計(jì)發(fā)展將呈現(xiàn)專(zhuān)用化。聲學(xué)多普勒海流計(jì)正向?qū)Ｓ没较虬l(fā)展，針對(duì)油氣開(kāi)發(fā)、海洋漁業(yè)、近岸海洋工程、可再生能源、導(dǎo)航安全、河流水文監(jiān)測(cè)等應(yīng)用設(shè)計(jì)專(zhuān)用海流計(jì)。

2)儀器體積將逐漸小型化。海流計(jì)通常作為一個(gè)獨(dú)立的儀器外掛在海洋測(cè)流平臺(tái)上，若能將其簡(jiǎn)化成一個(gè)測(cè)流傳感器，同時(shí)將電子艙集成在載體內(nèi)部，那么將會(huì)大大減輕載體負(fù)擔(dān)，這一點(diǎn)尤其對(duì)基于AUV、水下滑翔機(jī)等移動(dòng)平臺(tái)的流速測(cè)量有重要意義。

3)海流計(jì)布放方式更加多樣化。目前，海流計(jì)能夠布放在浮標(biāo)、潛標(biāo)、海床基、水下機(jī)器人、調(diào)查船及海洋工程結(jié)構(gòu)物等平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)測(cè)流或向上、向下、向兩側(cè)等形式的剖面測(cè)量，隨著新型海洋測(cè)流平臺(tái)和應(yīng)用需求的出現(xiàn)，將會(huì)出現(xiàn)更加多樣的布放形式。

4)海流計(jì)性能將會(huì)進(jìn)一步提高。海流計(jì)作為重要的海洋觀測(cè)儀器一直是海洋工作者研究的課題，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，海流計(jì)的測(cè)流精度將會(huì)更高，功耗將會(huì)更低，剖面作用距離將會(huì)更大，可靠性將會(huì)更高。

6 總結(jié)

綜上所述，國(guó)外一直主導(dǎo)著測(cè)流技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展在海流計(jì)研制方面已取得了可喜的成績(jī)，但與國(guó)外仍存在一定的差距?？傮w來(lái)講，各類(lèi)海流計(jì)都有其優(yōu)缺點(diǎn)，適用于不同的場(chǎng)合和應(yīng)用需求，海流計(jì)正在向著專(zhuān)用化、小型化、布放形式多樣化、高性能、低成本的方向發(fā)展。

[1] JENKINS A D, BYE J A T. Some aspects of the work of V.W. Ekman [J]. Polar record, 2006,42(220):15-22.

[2] 惠紹棠,霍樹(shù)梅.中國(guó)海洋儀器設(shè)備研究發(fā)展的歷史回顧[J].海洋技術(shù),1998,17(4):1-6.

[3] 張正惕,楊世倫,谷國(guó)傳.我國(guó)海洋測(cè)流儀器的發(fā)展與現(xiàn)狀[J].海洋技術(shù),1999,18(2):17-21.

[4] HOSEGOOD P, HAREN H V. Ekman-induced turbulence over the continental slope in the Faeroe-Shetland Channel as inferred from spikes in current meter observations[J]. Deep-sea research I, 2003,50(5):657-680.

[5] OBERG K, MUELLER D S. Validation of streamflow measurements made with acoustic Doppler current profilers [J]. Journal of hydraulic engineering, 2007,133(12):1421-1432.

[6] REHMEL M. Application of acoustic doppler velocimeters for streamflow measurements[J]. Journal of hydraulic engineering, 2007,133(12):1433-1438.

[7] YOUNG F B, GERRARD H, JEVONS W. On electrical disturbances due to tides and waves[J]. Philosophical magazine series 6, 1920,40(235):149-159.

[8] GUELKE R W, SCHOUTE-VANNECK C A. The measurement of sea-water velocities by electromagnetic induction[J]. Journal of power engineering, 1947,94(37):71-74.

[9] ROSHKO A. Experiments on the flow past a circular cylinder at very high Reynolds number[J]. Journal of fluid mechanics, 1961,10(3):345-356.

[10] CUSHING V. Electromagnetic water current meter [C]. Proceedings of the OCEANS 76 Conference, Washington DC：1976.

[11] AUBREY D G, TROWBRIDGE J H. Kinematic and dynamic estimates from electromagnetic current meter data [J]. Journal of geophysical research, 1985,90(C5):9137-9146.

[12] BEARDSLEY R, BRISCOE M, SIGNELL R, et al. A VMCM S4 current meter intercomparison on a surface mooring in shallow water [C]. Proceedings of the 1986 IEEE Third Working Conference on Current Measurement, 1986:7-12.

[13] MACVICAR B, BEAULIEU E, CHAMPAGNE V, et al. Measuring water velocity in highly turbulent flows: field tests of an electromagnetic current meter (ECM) and an acoustic doppler velocimeter (ADV) [J]. Earth surface processes and landforms, 2007,32(9):1412-1432.

[14] 海洋儀器研究所205組.HLL2：A型電磁海流計(jì)及其使用的幾個(gè)問(wèn)題[J].海洋技術(shù),1980(1):1-13+60.

[15] 王鳳玲.基于傾角法的海流計(jì)設(shè)計(jì)[D].青島：中國(guó)海洋大學(xué),2008.

[16] IGETA Y, KITADE Y, MATSUYAMA M. Characteristics of coastal-trapped waves induced by typhoon along the southeast coast of Honshu, Japan [J]. Journal of oceanography, 2007,63(5):745-760.

[17] ROBIN N, LEVOY F, MONFORT O. Bar morphodynamic behaviour on the ebb delta of a macrotidal inlet (Normandy, France)[J]. Journal of coastal research, 2007,23(6):1370-1378.

[18] AAGAARD T, KROON A, HUGHES M G, et al. Field observations of nearshore bar formation[J]. Earth surface processes and landforms, 2008,33(7):1021-1032.

[19] WANG A, GAO S, CHEN J, et al. Sediment dynamic responses of coastal salt marsh to typhoon “KAEMI” in Quanzhou Bay, Fujian Province, China [J]. Chinese science bulletin, 2009,54(1):120-130.

[20] KOCZY F, KRONENGOLD M, LOEWENSTEIN J. A Doppler current meter [M]. New York: Plenum Press, 1963.

[21] 王長(zhǎng)紅,朱敏,何平,等.聲相關(guān)流速剖面儀(ACCP)原理樣機(jī)研制[C].武漢：中國(guó)聲學(xué)學(xué)會(huì)1999年青年學(xué)術(shù)會(huì)議,1999.

[22] 朱光文.我國(guó)海洋探測(cè)技術(shù)五十年發(fā)展的回顧與展望(一)[J].海洋技術(shù),1999,18(2):2-17.

[23] 馬淳燕.寬帶相控多普勒測(cè)速技術(shù)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué),2009.

[24] KAWANAMI S, OKIMOTO K, MUSHIAKE M. Doppler measuring device for water current meter, has barycentric frequency determiner determining barycentric frequency of received echo signal, and Doppler shift determiner determining Doppler shift[P]. Japan: GB2437619-A, 2007-10-31.

[25] HAN N, FANG S. A combined pulse modulation-processing method for ADCP applications[J]. Flow measurement and instrumentation, 2015,45:75-81.

[26] 馬海濤,彭東立,王華亮,等.寬帶多普勒技術(shù)中模糊速度處理方法改進(jìn)[J].聲學(xué)學(xué)報(bào),2011,36(2):226-230.

[27] 曾潮生,聊洪榮,林于平,等.SLY1-1型聲學(xué)多普勒海流計(jì)[J].臺(tái)灣海峽,1987,6(2):188-194.

[28] 鄧昌閭.LSW-1型超聲多普勒流速儀[J].水文,1991(6):44-45.

[29] 李文彬.基于聲學(xué)多普勒海流計(jì)數(shù)據(jù)采集控制技術(shù)研究[D].天津：國(guó)家海洋技術(shù)中心,2008.

[30] 范寒柏,李瑞琪,趙文成,等.點(diǎn)式聲學(xué)多普勒海流計(jì)研究設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2015(11):38-41.

[31] 盧浩,王兵,張會(huì)強(qiáng),等.粗糙元展向和流向間距不同的壁湍流ADV實(shí)驗(yàn)研究[C].廣州：第八屆全國(guó)實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議,2010.

[32] 何奇峰.超聲多普勒流速儀(ADV)的應(yīng)用研究[D].北京：清華大學(xué),2013.

[33] 呂升奇,袁禮偉,薛苑.水體顆粒特性對(duì)ADV信號(hào)強(qiáng)度的影響研究[J].人民長(zhǎng)江,2015,46(4):78-81.

[34] DICKEY F, EDWARD J A. Velocity measurement using correlation sonar[C]. Proceedings of the IEEE Conference on Position Location and Navigation, 1978:255-264.

[35] BRADLEY S, DEINES K, ROWE F. Acoustic correlation current profiler[C]. Proceedings of the IEEE Fourth Working Conference on Current Measurement, 1990:306-313.

[36] VAN UNEN R F, KAMMINGA S D, NIJVELDT D. Results of a high-resolution correlation current profiler [C]. OCEANS'97 MTS/IEEE Conference Proceedings, 1997:477-482.

[37] 王長(zhǎng)紅,邱薇,汪玉玲,等.大深度聲相關(guān)流速剖面儀樣機(jī)研制[C].桂林：中國(guó)聲學(xué)學(xué)會(huì)2002年全國(guó)聲學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議,2002.

[38] 朱維慶,馮雷,王長(zhǎng)紅,等.聲相關(guān)流體速度測(cè)量理論和信號(hào)處理方法[J].聲學(xué)學(xué)報(bào),2007,32(2):144-150.

[39] 龔麗輝,馮雷,王長(zhǎng)紅,等.利用聲相關(guān)流速剖面儀觀測(cè)深水散射層[J].聲學(xué)技術(shù),2008,27(6):807-811.

[40] GYTRE T. Ultrasonic measurements of ocean currents down to 1 mm/sec[C]. Wales：Conference Proceeding 32 of the IERE Conference on Instrumentation in Oceanography,1975 .

[41] WILLIAMS A J, TOCHKO J S. An acoustic sensor of velocity for benthic boundary layer studies[J]. Bottom turbulence, 1977(19): 83-97.

[42] WILLIAMS A J, MORRISON A T, IRISH J D. Vector averaging in a wave field[C]. 2013 MTS/IEEE OCEANS-Bergen, 2013:1-8.

[43] THWAITES F T, WILLIAMS III A J. BASS measurements of currents, waves, stress, and turbulence in the North Sea bottom-boundary layer[J]. IEEE journal of oceanic engineering, 2001,26(2):161-170.

[44] WILLIAMS A J. Bottom boundary layer wave measurements for particle studies[C]. Singapore： OCEANS 2006-Asia Pacific,2006.

[45] WILLIAMS A J. Current measurement by differential acoustic travel-time reviewed[C]. Tallinn： 2014 IEEE/OES Baltic International Symposium (BALTIC),2014.

[47] BROWN N L. A simple low cost acoustic current meter[C]. Brighton： Proceedings of Oceanology International,1992.

[48] 雷亞輝,王之海,王向紅.時(shí)間電壓轉(zhuǎn)換技術(shù)在超聲流速計(jì)中的應(yīng)用[J].應(yīng)用科技,2010,37(8):23-25+30.

[49] 翟錫亮.聲傳播時(shí)間海流計(jì)的技術(shù)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué),2008.

[50] 韋祥楊.時(shí)差法三維流速測(cè)量技術(shù)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué),2009.

(1.中國(guó)海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東 青島 266100；2.中國(guó)海洋大學(xué)物理海洋教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266003)

On Development Course and Trend of the Current Meter

SONG Da-Lei1, ZHOU Xiang-Jian1, CHEN Zhao-Hui2, ZHOU Li-Qin1, ZHENG Jin-Ming1

(1.College of Engineering, Ocean University of China, Qingdao Shandong 266100, China;2.Key Laboratory of Physical Oceanography, Ocean University of China, Qingdao Shandong 266003, China)

The development history and research status of the domestic and overseas current meter were summarized from aspects of mechanical current meter (MCM), electromagnetic current meter (EMCM), acoustic Doppler current meter (ADCM) and acoustic time difference current meter. The technical characteristics and applicable occasions of the current meter were analyzed comparatively. The paper expounds the range of application, looks forward to the development trend, in order to provide reference for the design and research of current meter.

current measurement; MCM; EMCM; ADCM; acoustic time difference current meter

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.01.024

2016-11-16

國(guó)家自然科學(xué)基金(41527901)

宋大雷(1971—)，男，博士，教授研究方向:海洋觀測(cè)儀器檢測(cè)技術(shù)

P716

A

1671-7953(2017)01-0093-08

修回日期：2016-11-28