Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Су ағынының жылдамдығын өлшеуге арналған құрал. Акустикалық доплерлік ағын профилі (АДАП) – су бағанасындағы бөлшектерден кері шашыраған дыбыс толқындарының Доплер эффектісін пайдаланып, белгілі бір тереңдікте су ағынының жылдамдығын өлшеуге қолданылатын, сонарға ұқсас гидроакустикалық ағын өлшегіш. АДАП термині – барлық акустикалық ағын профильдеушілерді білдіретін жалпы атау, бірақ бұл аббревиатура 1980 жылдары RD Instruments компаниясы ұсынған құралдар сериясынан шыққан. АДАП-тың жұмыс жиіліктері 38 кГц-ден бірнеше мегагерцке дейін жетеді. Осыған ұқсас құрылғы – SODAR, ол ауада жұмыс істейді және желдің жылдамдығын өлшеу үшін сондай-ақ принциптерді қолданады.
Meter used to measure water current velocities
An acoustic doppler current profiler (ADCP) is a hydroacoustic current meter similar to a sonar, used to measure water current velocities over a depth range using the Doppler effect of sound waves scattered back from particles within the water column. The term ADCP is a generic term for all acoustic current profilers, although the abbreviation originates from an instrument series introduced by RD Instruments in the 1980s. The working frequencies range of ADCPs range from 38 kHz to several megahertz. A similar device is a SODAR, which works in the air and uses the same principles for wind speed profiling.
Жұмыс принципі
ADCP-лерде дыбыс сигналдарын тарату және қабылдау үшін пьезоэлектрлік түрлендіргіштер болады. Дыбыс толқындарының жүріс уақыты қашықтықты бағалауға мүмкіндік береді. Эхоның жиілік өзгерісі акустикалық траектория бойындағы су жылдамдығына пропорционал. 3D жылдамдықтарды өлшеу үшін кем дегенде үш сәуле қажет. Өзендерде тек 2D жылдамдық маңызды, сондықтан ADCP-лерде әдетте екі сәуле болады. Соңғы жылдары ADCP-лерге қосымша мүмкіндіктер (әсіресе толқын және турбуленттілік өлшемдері) енгізілді, сондықтан 2, 3, 4, 5 тіпті 9 сәулелі жүйелерге тап болуға болады. ADCP-нің басқа да құрамдас бөліктері: электрондық күшейткіш, қабылдағыш, жүріс уақытын өлшейтін сағат, температура сенсоры, бағытты анықтау үшін компас және бейімделу/құлау сенсоры. Допплерлік ығысуды анықтау үшін кері қайтатын сигналды дискретизациялау үшін аналог-цифрлық түрлендіргіш және цифрлық сигналды өңдеуші қажет. Температура сенсоры теңіз суының күй теңдеуін пайдаланып құрал орналасқан жердегі дыбыс жылдамдығын бағалау үшін қолданылады, содан кейін жиілік ығысуын су жылдамдықтарына аудармалау үшін пайдаланылады. Бұл процедура тұздылықтың алдын ала орнатылған тұрақты мәніне ие деп есептейді. Ақырында, нәтижелер ішкі жадқа сақталады немесе сыртқы дисплей бағдарламалық қамтамасына тікелей жіберіледі.
ADCPs contain piezoelectric transducers to transmit and receive sound signals. The traveling time of sound waves gives an estimate of the distance. The frequency shift of the echo is proportional to the water velocity along the acoustic path. To measure 3D velocities, at least three beams are required. In rivers, only the 2D velocity is relevant and ADCPs typically have two beams. In recent years, more functionality has been added to ADCPs (notably wave and turbulence measurements) and systems can be found with 2,3,4,5 or even 9 beams. Further components of an ADCP are an electronic amplifier, a receiver, a clock to measure the traveling time, a temperature sensor, a compass to know the heading, and a pitch/roll sensor to know the orientation. An analog to digital converter and a digital signal processor are required to sample the returning signal in order to determine the Doppler shift. A temperature sensor is used to estimate the sound velocity at the instrument position using the seawater equation of state, and uses this to estimate scale the frequency shift to water velocities. This procedure assumes that the salinity has a preconfigured constant value. Finally, the results are saved to internal memory or output online to an external display software.
Өңдеу әдістері
Допплер ауысуын және осылайша акустикалық сәулелер бойымен су жылдамдығын есептеу үшін үш негізгі әдіс қолданылады. Бірінші әдіс монохроматикалық тарату импульсін пайдаланады және "когерентсіз" немесе "тар жолақты" деп аталады. Бұл әдіс сенімді және жақсы сапалы орташа ағын профильдерін қамтамасыз етеді, бірақ кеңістік-уақыт ажыратымдылығы шектеулі. Егер тарату импульсі қайталама элементтерден тұрса, онда бұл әдіс "қайталама тізбек кодтау" немесе "көп жолақты" деп аталады. Бұл әдіс кеңістік-уақыт ажыратымдылығын шамамен 5 есеге жақсартады. Коммерциялық тұрғыдан бұл әдіс 2011 жылға дейін АҚШ патенті 5615173 арқылы қорғалған. Импульстан импульсқа когерентті әдіс, беріліс импульстерінің тізбегін пайдаланады, онда келесі импульстерден келетін эхо бір-біріне бөгет жасайды деп есептеледі. Бұл әдіс тек өте қысқа профильдеу қашықтықтарында ғана қолданылады, бірақ кеңістік-уақыт ажыратымдылығының тиісті жақсаруы 1000 шамасына жетеді.
Three common methods are used to calculate the Doppler shift and thus the water velocity along the acoustic beams. The first method uses a monochromatic transmit pulse and is referred to as "incoherent" or "narrowband". The method is robust and provides good quality mean current profiles but has limited space time resolution. When the transmit pulse consists of coded elements that are repeated, the method is referred to as "repeat sequence coding" or "broadband". This method improves the space time resolution by a factor of 5 (typical). Commercially, this method was protected by US patent 5615173 until 2011. The pulse to pulse coherent method relies on a sequence of transmit pulses where the echo from subsequent pulses are assumed not to interfere with each other. This method is only applicable for very short profiling ranges but the corresponding improvement in space time resolution is of order 1000.
Қолданбалар
Қондырғысына байланысты, ADCP-ні бір жаққа қаратылған, төменге қаратылған және жоғарыға қаратылған деп ажыратуға болады. Төменге орнатылған ADCP ағымның жылдамдығы мен бағытын тең интервалдармен бетке дейін өлшеуге мүмкіндік береді. Өзендер мен каналдардың қабырғасына немесе көпір тірегіне бүйірінен орнатылған болса, жағадан жағаға дейін ағым профилін өлшеуге болады. Өте терең суларда оларды жер бетінен кабельдер арқылы түсіруге болады. Басты қолданылуы – океанография. Бұл құралдарды өзендер мен каналдардағы су ағынын үздіксіз өлшеу үшін де пайдалануға болады. Су қабатында немесе тікелей теңіз түбіне орнатылған ADCP-лер су ағыны мен толқындарды зерттеуге мүмкіндік береді. Олар бірнеше жыл бойы су астында тұра алады, мұндағы шектеу фактор – аккумулятордың қызмет ету мерзімі. Орнату ерекшеліктеріне байланысты құралды әдетте жағалаудан қуаттандыруға болады, сондай-ақ деректерді жіберу үшін сол кабельді пайдалануға болады. Стандартты сілтілік аккумуляторларды литийлік аккумуляторлармен алмастыру арқылы жұмыс уақытын үш есеге ұзартуға болады.
Depending on the mounting, one can distinguish between side looking, downward and upward looking ADCPs. A bottom mounted ADCP can measure the speed and direction of currents at equal intervals all the way to the surface. Mounted sideways on a wall or bridge piling in rivers or canals, it can measure the current profile from bank to bank. In very deep water they can be lowered on cables from the surface. The primary usage is for oceanography. The instruments can also be used in rivers and canals to continuously measure the discharge. Mounted on moorings within the water column or directly at the seabed, water current and wave studies may be performed. They can stay underwater for years at a time, the limiting factor is the lifetime of the battery pack. Depending on the nature of the deployment the instrument usually has the ability to be powered from shore, using the same umbilical cable for data communication. Deployment duration can be extended by a factor of three by substituting lithium battery packs for the standard alkaline packs.
Төменгі жолды бақылау
Допплерлік ығысты есептейтін терезені реттеу арқылы құрал мен төменгі жағы арасындағы салыстырмалы жылдамдықты өлшеуге болады. Бұл мүмкіндік "төменгі траектория" деп аталады. Процесс екі кезеңнен тұрады: біріншіден, дыбыстық эходан төменгі жақтың орны анықталады, содан кейін төменгі жақтың орнына ортақталған терезеден жылдамдық есептеледі. ADCP қозғалатын кемеге орнатылғанда, өлшенген су жылдамдығынан төменгі траекторияның жылдамдығын шегеруге болады. Нәтижесінде таза ағымдық профилі алынады. Төменгі траектория жағалау аймақтарындағы су ағымдарын зерттеу үшін маңызды негіз болып табылады. Акустикалық сигналдар төменгі жаққа жетпейтін терең суларда, кеменің жылдамдығы GPS, гироскоп және т.б. деректерінен алынған жылдамдық және бағыт туралы күрделі ақпараттардың комбинациясы арқылы бағаланады.
By adjusting the window where the Doppler shift is calculated, it is possible to measure the relative velocity between the instrument and the bottom. This feature is referred to as bottom track. The process has two parts; first identify the position of the bottom from the acoustic echo, then calculating the velocity from a window centered around the bottom position. When an ADCP is mounted on a moving ship, the bottom track velocity may be subtracted from the measured water velocity. The result is the net current profile. Bottom track provides the foundation for surveys of the water currents in coastal areas. In deep water where the acoustic signals cannot reach the bottom, the ship velocity is estimated from a more complex combination of velocity and heading information from GPS, gyro, etc.
Ағындыларды өлшеу
Өзендерде ADCP жалпы су тасымалын өлшеу үшін қолданылады. Бұл әдіс ADCP орнатылған кемеге бір жағалаудан екінші жағалауға кесіп өтуді және осы уақытта үздіксіз өлшеуді талап етеді. Кеменің қозғалысын тіркеу мүмкіндігі арқылы, кеменің жолы және көлденең қиманың ауданы сол және оң жағалауларға түзетулер енгізілгеннен кейін анықталады. Ағын мөлшері кеме қозғалған жолдың векторы мен ағын жылдамдығының векторлық көбейтіндісі ретінде есептеледі. Бұл әдіс әлемнің түкпір-түкпіріндегі гидрографиялық зерттеу ұйымдары қолданып келеді және көптеген жерлерде өзен ағынын үздіксіз бақылау үшін пайдаланылатын ағын-су деңгейі қисықтарының маңызды бөлігі болып табылады.
In rivers, the ADCP is used to measure the total water transport. The method requires a vessel with an ADCP mounted over the side to cross from one bank to another while measuring continuously. Using the bottom track feature, the track of the boat as well as the cross sectional area is estimated after adjustment for left and right bank areas. The discharge can then be calculated as the dot product between the vector track and the current velocity. The method is in use by hydrographic survey organisations across the world and forms an important component in the stage discharge curves used in many places to continuously monitor river discharge.
Допплер жылдамдығы журналы (DVL)
Су асты кемелері үшін түптің қадағалау мүмкіндігі навигациялық жүйелердің маңызды құралы болып табылады. Мұндай жағдайда, көліктің жылдамдығы бастапқы координаттар, компас немесе гироскоп көрсеткіштері, сондай-ақ үдеу сенсорынан алынған деректермен біріктіріледі. Сенсорлар жиынтығы (көбінесе Калман сүзгісі арқылы) көліктің орнын анықтау үшін қолданылады. Бұл теңіз асты кемелері, автономды және қашықтан басқарылатын су асты аппараттарын бағыттауға көмектеседі.
For underwater vehicles, the bottom tracking feature can be used as an important component in the navigation systems. In this case the velocity of the vehicle is combined with an initial position fix, compass or gyro heading, and data from the acceleration sensor. The sensor suite is combined (typically by use of a Kalman filter) to estimate the position of the vehicle. This may help to navigate submarines, autonomous, and remotely operated underwater vehicles.
Толқын өлшеуіштері
Кейбір АДКЖ-ны (ADCP) беттік толқындардың биіктігі мен бағытын өлшеу үшін конфигурациялауға болады. Толқын биіктігі тік сәуле арқылы бағаланады, ол қысқа импульстардың қайшысын пайдаланып бетке дейінгі қашықтықты өлшейді және қарапайым максимумды анықтау алгоритмдерін қолданады. Толқын бағыты сәуле бойындағы жылдамдық бағаларын және тік сәуледен алынған толқын биіктігі өлшемін өзара салыстыру арқылы анықталады. Толқын өлшеулері көбінесе теңіз түбіне орнатылған құралдар үшін қолжетімді, бірақ соңғы жетістіктер құралды айналмалы суасты буйларына да орнатуға мүмкіндік береді.
Some ADCPs can be configured to measure surface wave height and direction. The wave height is estimated with a vertical beam that measures the distance to the surface using the echo from short pulses and simple peak estimation algorithms. The wave direction is found by cross correlating the along beam velocity estimates and the wave height measurement from the vertical beam. Wave measurements are typically available for seafloor mounted instruments but recent improvements permit the instrument to be mounted also on rotating subsurface buoys.
Турбуленттілік
Импульстік импульске сәйкестендірілетін АДКБ жылдамдықты кішкентай масштабтағы қозғалысты анықтауға қажетті дәлдікпен бағалай алады. Осының салдарынан, дұрыс конфигурацияланған АДКБ-дан турбуленттік параметрлерді бағалау мүмкін. Типик тәсіл – сәуле бойымен жылдамдықты Колмогоров құрылымдық конфигурациясына сәйкес келтіру арқылы диссипация жылдамдығын бағалау. АДКБ-ны турбуленттілік өлшеу үшін стационарлық орналастырудан пайдалануға болады, сондай-ақ оны су астындағы жылғыштар немесе су асты буялары сияқты қозғалатын құрылымдардан да жүзеге асыруға болады.
ADCPs with pulse to pulse coherent processing can estimate the velocity with the precision required to resolve small scale motion. As a consequence, it is possible to estimate turbulent parameters from properly configured ADCPs. A typical approach is to fit the along beam velocity to the Kolmogorov structure configuration and thereby estimate the dissipation rate. The application of ADCPs to turbulence measurement is possible from stationary deployments but can also be done from moving underwater structures like gliders or from subsurface buoys.
Артықшылықтары мен кемшіліктері
АДКЖ-ның екі басты артықшылығы – биологиялық өсуге ұшырайтын қозғалмалы бөліктердің болмауы және қашықтықтан зондтау мүмкіндігі, оның арқасында бір ғана тұрақты құрал 1000 метрден астам қашықтықтағы ағым профилін өлшеуге қабілетті. Бұл мүмкіндіктер мұхит ағыстарын су қабатының маңызды бөлігінде ұзақ мерзімді өлшеуге мүмкіндік береді. 1980-ші жылдардың ортасынан бері әлемдік мұхиттарда мыңдаған АДКЖ қолданылып келеді және бұл құрал әлемдік мұхит айналымын түсінуде маңызды рөл атқарып келеді. АДКЖ-ның негізгі кемшілігі – шекараға жақын деректердің жоғалтылуы. Бұл механизм, көбінесе «жанама кедергі» деп аталады, су қабатының 6–12% -ын қамтиды. Ал құрал бетке қарай бағытталған жағдайда, бетке жақын жердегі жылдамдық туралы ақпараттың жоғалтылуы маңызды кемшілік болып табылады. Құны да маңызды, бірақ қауіпсіз және кәсіби орнатуды қамтамасыз етуге қажетті кеме құны көбінесе одан әлдеқайда жоғары болады. Кез келген акустикалық құрал сияқты, АДКЖ да мұхиттағы шу ластануына себеп болады, бұл киттердің навигациясына және эхолокациясына кедергі келтіруі мүмкін. Әсері құралдың жиілігі мен қуатына байланысты, бірақ көптеген АДКЖ шу ластануының айқын проблема емес жиілік диапазонында жұмыс істейді.
The two major advantages of ADCPs is the absence of moving parts that are subject to biofouling and the remote sensing aspect, where a single, stationary instrument can measure the current profile over ranges exceeding 1000 m. These features allow for long term measurements of the ocean currents over a significant portion of the water column. Since the start in the mid 1980s, many thousand ADCPs have been used in the world oceans and the instrument has played a significant role in our understanding of the world ocean circulation. The main disadvantage of the ADCPs is the loss of data close to the boundary. This mechanism, often referred to as a sidelobe interference, covers 6–12% of the water column and, for instruments looking up toward the surface, the loss of velocity information close to the surface is a real disadvantage. Cost is also a concern but is normally dwarfed by the cost of the ship required to ensure a safe and professional deployment. As any acoustical instrument, the ADCP contributes to noise pollution in the ocean which may interfere with cetacean navigation and echolocation. The effect depends on the frequency and the power of the instrument but most ADCPs operate in a frequency range where noise pollution has not been identified to be a serious problem.