丁慶澤 金將溢

摘? 要： 自從提出多普勒技術(shù)測(cè)量海流原理后，海洋科技工作者一直把它作為高新技術(shù)進(jìn)行研究。聲學(xué)多普勒海流剖面儀（ADCP）的問世被認(rèn)為是海洋測(cè)流技術(shù)的重大突破，文章介紹了ADCP窄帶測(cè)流和寬帶測(cè)流的原理與方法，簡(jiǎn)要闡述了窄帶與寬帶ADCP各自的優(yōu)缺點(diǎn)，同時(shí)介紹了多普勒效應(yīng)和多普勒時(shí)間膨脹的概念。

關(guān)鍵詞： ADCP; 窄帶測(cè)流; 寬帶測(cè)流; 多普勒效應(yīng); 時(shí)間膨脹

中圖分類號(hào)：TB565+.2? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ?文章編號(hào)：1006-8228（2021）03-14-03

Research on the principle of ADCP current measurement

Ding Qingze， Jin Jiangyi

（Hangzhou applied acoustic research institute， Hangzhou， Zhejiang 310023， China）

Abstract： Since the introduction of the Doppler technique to measure the ocean current， marine scientists have been studying it as a new and high technology. The advent of Acoustic Doppler Current Profiler （ADCP） is regard as an important breakthrough of ocean current measurement technology. In this paper， the basic principle of ADCP narrowband and wideband current measurement is introduced， and the advantages and disadvantages of narrowband and wideband ADCP are briefly described， meanwhile， the concepts of Doppler effect and Doppler time dilation are introduced as well.

Key words： ADCP; narrowband current measurement; wideband current measurement; Doppler effect; Doppler time dilation

0 引言

在海洋-聲學(xué)-處理三位一體的關(guān)系中，海洋環(huán)境與聲傳播的耦合屬于上游。因此，海洋環(huán)境特性一直是水聲研究領(lǐng)域的重要方向，其流場(chǎng)分布也一直是海洋科技工作者所關(guān)注的焦點(diǎn)之一。隨著科技的發(fā)展，對(duì)海流測(cè)量的要求也逐步提高，如何快速、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、大范圍測(cè)量海流是海流測(cè)量技術(shù)發(fā)展的主要方向。自從提出采用多普勒技術(shù)測(cè)量海流的原理后，海洋科學(xué)工作者一直把它作為高新技術(shù)進(jìn)行研究。聲學(xué)多普勒流速剖面儀（ADCP：Acoustic Doppler Current Profiler）的問世被認(rèn)為是海洋測(cè)流技術(shù)的重大突破，并且國(guó)際海委會(huì)已經(jīng)把ADCP列為四種先進(jìn)的海洋觀測(cè)儀器之一。

以信號(hào)檢測(cè)技術(shù)為特征，ADCP的研究和發(fā)展經(jīng)歷了如下三個(gè)階段[1]：

⑴ 以鎖相式頻率跟蹤器為特征，代表產(chǎn)品如日本古野公司的CI-30型;

⑵ 以復(fù)相關(guān)技術(shù)作為計(jì)算信號(hào)多普勒頻移的手段，代表產(chǎn)品如美國(guó)RD儀器公司的窄帶聲學(xué)多普勒流速剖面儀（NBADCP）;

⑶ 以寬帶脈沖對(duì)相干技術(shù)為特征，代表產(chǎn)品如RD儀器公司的寬帶聲學(xué)多普勒流速剖面儀（BBADCP）。

以換能器陣形式為特征，ADCP的研究和發(fā)展主要有如下兩種類型：

一種類型是換能器陣由三個(gè)或四個(gè)相同的換能器按一定的結(jié)構(gòu)形式（如JANUS）構(gòu)成，多見于90年代以前的ADCP產(chǎn)品;

另一種類型是換能器陣是相控?fù)Q能器陣，研制其目的是在不增大換能器陣的體積和重量的基礎(chǔ)上把發(fā)射頻率降下來，從而擴(kuò)大測(cè)量范圍。

本文僅介紹NBADCP和BBADCP的測(cè)流原理。

1 NBADCP測(cè)流原理

1.1 窄帶信號(hào)的多普勒頻率變化

當(dāng)兩列火車迎面駛過時(shí)，火車的鳴叫聲由高亢變低沉，也就是說，火車迎面駛來時(shí)，頻率變高;火車背向駛離時(shí)，頻率變低。

這種因波源或觀察者相對(duì)于傳播介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)而使觀察者接收到的波的頻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為“多普勒效應(yīng)”。

1.2 利用多普勒效應(yīng)的NBADCP測(cè)流原理

假定波源發(fā)射的波的頻率為單頻信號(hào)，為簡(jiǎn)單起見，只討論運(yùn)動(dòng)發(fā)生在波源與觀測(cè)者的連線上的多普勒效應(yīng)。設(shè)波源相對(duì)于介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)速度為[u]，以趨近于觀測(cè)者為正，反之為負(fù);觀測(cè)者相對(duì)于介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)速度為[v]，以趨近于波源為正，反之為負(fù)。以[f0]表示波源的發(fā)射頻率，[f1]表示觀測(cè)者接收到的頻率，[c]表示波在介質(zhì)中的傳播速度，則：

[f1=c+vc-u×f0]? ⑴

頻率變化量為

[?f=f1-f0=v+uc-u?f0]? ⑵

所以，如果[?f]的測(cè)量值已得到，則可以通過測(cè)量[u]和[v]中的任一個(gè)，再利用⑵式求得另外一個(gè)量。

窄帶ADCP就是運(yùn)用上述原理來測(cè)量海流速度的。它向海水介質(zhì)中發(fā)射一個(gè)固定頻率的定向聲脈沖信號(hào)，并接收從海水中的無(wú)處不在的散射體反射回來的回波信號(hào)。這些散射體在海水中隨著海水的流動(dòng)而流動(dòng)，所以利用反射回來的信號(hào)計(jì)算得到的散射體的速度就是海流速度。若運(yùn)動(dòng)不是在波源與觀測(cè)者的連線上，則須將[u]和[v]在連線上投影，當(dāng)然求得的速度值也是在該連線上的投影分量。

當(dāng)[u?c]時(shí)，⑵式變?yōu)椋?/p>

[?f≈v+uc?f0]? ⑶

即：

[u+v≈cf0??f]? ⑷

假設(shè)：聲波發(fā)射方向和接收方向與海流方向的夾角均為[θ]，如圖2所示。

則：

[u+v≈cf0cosθ??f]? ⑸

一般情況下，海流速度在一定范圍內(nèi)可以認(rèn)為是不變化的，所以，可將海流速度定義為東西方向、南北方向和垂線方向的三維速度矢量。為測(cè)量這三個(gè)方向上的速度矢量，ADCP通常同時(shí)向海水中的東、西、南、北四個(gè)方向上同時(shí)發(fā)射與垂線成夾角為[φ]的四個(gè)脈沖信號(hào)，如圖3所示，該波束結(jié)構(gòu)稱為JANUS結(jié)構(gòu)[2]：

其工作示意圖如圖4所示。

設(shè)ADCP的發(fā)射聲波頻率為[f0，f1、f2、f3]和[f4]分別為南、北、東和西四個(gè)方向上波束的回波頻率，[v]為船的南、北方向水平航行速度分量（本質(zhì)上是船相對(duì)于海面的速度分量），則利用[f1]和[f0]可列出如下等式：

[us，n+vsinφ+us，n+vsinφ=f1-f0f0?c] ⑹

同樣地，利用[f2]和[f0]可列出下面的等式：

[-us，n+vsinφ+-us，n+vsinφ=f2-f0f0?c] ⑺

將式⑹和式⑺合并，可以得到南、北方向上的海流速度分量為：

[us，n=f1-f24f0?sinφ?c]? ? ⑻

同樣地，可以求得東、西方向和垂線方向上的海流速度分量分別為：

[ue，w=f4-f34f0?sinφ?c]? ⑼

[uerec=2f0-f1-f24f0cosφ?c=2f0-f3-f44f0cosφ?c]? ⑽

注意：以上求得的各個(gè)方向上的海流速度分量實(shí)際上是某一深度單元或者說是某一分層的速度分量。上述討論的是NBADCP的多普勒測(cè)流原理。但是由于其測(cè)流范圍小，單次測(cè)量誤差較大，因而NBADCP的應(yīng)用越來越少，取而代之的是BBADCP，下一節(jié)將討論其測(cè)流原理。

2 BBADCP測(cè)流原理

2.1 寬帶信號(hào)的多普勒時(shí)間膨脹

為簡(jiǎn)單起見，仍然以單頻脈沖信號(hào)為例來說明多普勒時(shí)間膨脹概念。設(shè)單頻脈沖信號(hào)的頻率為[f0]，脈寬為[t0]，則該脈沖信號(hào)所含有的振蕩周期數(shù)為[n0=f0×t0]，當(dāng)波源和觀察者相對(duì)于介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)速度[u=0]、[v=0]，則觀察者觀察到的脈沖信號(hào)頻率仍然為[f0]，脈寬仍然為[t0]，如圖5所示;當(dāng)波源或觀測(cè)者相對(duì)于傳播介質(zhì)的速度[u]和[v]至少有一個(gè)不為0時(shí)，則觀測(cè)者觀測(cè)到的脈沖信號(hào)頻率為：

[f1=c+vc-u?f0]? ⑾

相應(yīng)的脈沖寬度為：

[t1=n0f1=f0×t0f1=c-uc+v?t0]? ⑿

由⑿式可以看出，觀測(cè)者觀測(cè)到的脈沖信號(hào)的脈沖寬度與[u]、[v]、[c]和[t0]有關(guān)，而與[f0]無(wú)關(guān)。這一結(jié)論同樣適用于寬帶脈沖信號(hào)。這種因波源或觀測(cè)者相對(duì)于傳播介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)而使得觀測(cè)者接收到的脈沖信號(hào)的寬度發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為“多普勒時(shí)間膨脹”[3]。

如圖5所示：

2.2 利用多普勒時(shí)間膨脹的BBADCP測(cè)流原理

BBADCP采用圖3的結(jié)構(gòu)向四個(gè)方向同時(shí)發(fā)射一對(duì)寬帶脈沖信號(hào)，設(shè)該脈沖信號(hào)的時(shí)間間隔為[t0]，[t1]、[t2]、[t3]、[t4]分別為南、北、東、西四個(gè)方向上的回波脈沖對(duì)的時(shí)間間隔。

按照上述計(jì)算方法，可以得到海流速度在南、北方向上的速度分量為[4]：

[us，n=t2-t14t0?sinφ?c]? ?⒀

在東、西方向上的速度分量為：

[ue，w=t3-t44t0?sinφ?c]? ⒁

在垂線方向上的速度分量為：

[uerec=2t0-t1-t24t0cosφ?c=2t0-t3-t44t0cosφ?c]? ⒂

由上述可知，寬帶信號(hào)海流測(cè)量的關(guān)鍵在于如何精確測(cè)量回波信號(hào)的多普勒時(shí)間膨脹，涉及信號(hào)的形式和處理等。從數(shù)學(xué)角度來看，寬帶信號(hào)的時(shí)間膨脹和窄帶信號(hào)的頻率變化本質(zhì)上是一致的。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文主要介紹了NBADCP和BBADCP的測(cè)流原理。目前，工業(yè)界對(duì)ADCP的發(fā)展方向是趨于小型化且采用相控陣的寬帶ADCP技術(shù)[5]。目前，根據(jù)上述測(cè)流原理，國(guó)內(nèi)科研院所已完成寬帶相控陣ADCP（BBPAADCP）相關(guān)產(chǎn)品研制與海上試驗(yàn)，測(cè)流精度可達(dá)到[±1%+1cm/s]范圍之內(nèi)。相對(duì)于窄帶方法，寬帶多普勒海流計(jì)可以獲得更高的單次測(cè)量精度，具有更強(qiáng)的抗干擾性。該測(cè)流原理為國(guó)產(chǎn)寬帶相控陣ADCP提供了理論依據(jù)與重要參考，并成功應(yīng)用于高精度海流計(jì)的信號(hào)處理算法軟件，為后續(xù)產(chǎn)品研制開發(fā)提供一定理論參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)（References）：

[1] 沈斌堅(jiān)，唐義政，胡益群，耿濤.國(guó)產(chǎn)寬帶相控陣聲學(xué)多普勒海流剖面儀[J].聲學(xué)與電子工程，2005.77（1）：20

[2] 王秀波.寬帶多普勒測(cè)流技術(shù)研究[D].哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文，2005.

[3] R Lee Gordon. Acoustic Doppler Current Profiler Principles of Operation-A Practical Primer[M].Second Edition for Broadband ADCPs. San Diego：RD Instruments，1996.

[4] 張道平.寬帶多普勒測(cè)流儀信號(hào)特征分析[J].海洋技術(shù)，2001.20（1）：78

[5] DOISY Y.Theoretical accuracy of doppler navigation sonar and acoustic doppler current profilers[J].IEEE Journal of Oceanic Engineering，2004.29（2）：430