声学多普勒海流计的近期发展综述
2022-06-08
刘长乐1,2 刘有刚2 尹训强3
（1.中国海洋大学，山东 青岛 26600，2.国家海洋局北海海洋工程勘察研究院，山东 青岛 266033，
3.国家海洋局第一海洋研究所，山东 青岛 266033）
【摘 要】声学多普勒海流计是目前国际上流速测量采用的主要设备，此类仪器利用声学多普勒原理进行流速剖面测量，具有传统测量手段无法比拟的特点。本文对声学多普勒海流计工作原理与近期发展进行了总结，并简单归纳了声学多普勒海流计在应用中应注意的问题。
教育期刊网 http://www.jyqkw.com
关键词 多普勒；海流；波浪；发展
作者简介：刘长乐（1978—），男，学士，高级工程师，主要从事物理海洋调查与研究。
刘有刚，硕士，教授级高工。
0 研究背景
海流是海洋水文的主要要素之一，海流的测量是近海和远洋调查的重要内容之一。自从1905年制造出首台艾克曼海流计以来，经过一百多年的历史，测流仪器已经发展到上百种。声学海流计是近代发展起来的、以声学多普勒效应为测量原理的新型物理海洋观测仪器。
由于声学海流计具有不破坏流场，可测瞬时流，能自动校准，能获得高精度，能测低流速等机械转子式海流计所不具备的优点，自从它出现以后，很多国家都很重视。近些年来，国内若干单位也进行了这方面仪器的研制。
声学测流仪器按其工作原理可划分为多普勒流速剖面仪、单点式多普勒流速计，本文仅讨论第一种。
1 近期发展
近三十年来，以美国RDI公司和挪威Nortek公司为首的数家设备制造厂商在声学多普勒海流计从实验室走向野外观测方面做出了卓有成效的工作。
1981年起，美国RDI公司先后推出了三代ADCP（声学多普勒海流剖面仪），其中1981年推出第一代窄带ADCP，1991年推出第二代即宽带ADCP，在第一代的基础上提高了流速测量的空间和时间分辨率，1995年推出第三代即小型化、低成本ADCP，目前，该公司已成为多普勒海流剖面仪行业的标杆，尤其是其拥有世界领先的底跟踪专利技术，根据应用海域深度不同，分别生产制造了Mariner、Sentinel、Ocean Surveyor等系列产品，具备精确走航海流剖面观测能力，使其成为全球最大的ADCP生产厂商，其生产的超过5000台ADCP在世界各地得到了广泛应用。
1996年，Nortek公司在挪威首创可自动标定的集成软件，通过gps在深水考察船上提供高质量的流速剖面测量；2001年，生产制造了可以进行潮位、海流剖面和波浪同时观测的设备；2006年，采用水表面跟踪和流速数据，开发出一种新型波浪数据处理方法，结合压力数据，可以在三维能谱中很好的分辨风浪和涌浪大小和方向；2009年，首创采用Z-cell（零测量层）测量技术，即在仪器探头的水平层，由3个独立的2MHz传感器测量流速，这样就克服了声学多普勒剖面海流计无法测量其所在深度海流的缺点，基本消除了声学多普勒剖面海流计的声学盲区。
2 优越性与局限性
2.1 优越性
2.1.1 高效性
常规海流计采用点采集模式，对测量水深要逐点进行，观测一次要持续20min左右，多普勒海流剖面仪是剖面模式，设置完成后，系统自动采集记录，无须工作人员跟踪，节省人力。
2.1.2 连续性
常规海流计测量要逐点进行，不能一次观测所有水深的流速数据，相互之间有一定的时间间隔，并经常受风浪等海况影响；多普勒海流剖面仪采用剖面测量模式，一次数据采集即可完成所有水深的流速测定，而且设备固定安装于海底，系统根据设置时间自动采集记录，保证数据连续、完整。
2.1.3 抗外界干扰性
常规海流计工作时受海况影响较大，并会影响测量精度，有时甚至导致测量数据错误；多普勒海流剖面仪安放在海底，风浪对海底设备造成影响很小。
2.2 局限性
2.2.1 安装不便
由于多普勒海流剖面仪安装在海底，安装及安装后保持稳定需要必要的人工干预。
2.2.2 底层数据缺失
由于设备安装及盲区的影响，即使使用具备Z-cell技术的设备，底层1m以内的数据也无法采集，在某些有特殊要求的观测项目中，需要配合其他设备以保证数据完整。
2.2.3 盲区及“旁瓣”区
由于设备工作原理限制，在近仪器处及近水面处数据质量差甚至数据缺失，要求对数据进行补充或相关修正计算[7]。
2.2.4 设置相对复杂
观测前要针对不同的工作内容和要求进行方案设计与设备设置，对各参数要严格无误。
3 结束语
经过多年的发展，声学多普勒海流计已发展出适用于不同观测任务的多种类型、型号，在实际应用中也证明其具有常规设备无法比拟的优越性，更适合在海洋科技高速发展的今天对各种环境下水文数据采集的要求，并展现出其在其他领域如悬浮泥沙声学观测[7]、河流流量测量[8]等方面的应用前景，多普勒技术的应用，各类高科技声学多普勒海流计产品的研制，为海洋工作者提供了更多更好的选择，但无论如何设备必须由人来操作，仪器性能的优越发挥终究离不开现场技术人员的专业水平和精心操作，这也要求海洋工作者要不断学习，熟练掌握运用先进设备的技术。
教育期刊网 http://www.jyqkw.com
参考文献
［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］张叔英，李允武，悬浮泥沙声学观测的原理分析[J].声学学报，1999，24（3）：5.
［7］姚章民.声学多普勒水流剖面仪在河流流量测量中的应用[J].人民珠江，2002（6）.
［责任编辑：曹明明］