Введение
Прибор для измерения скорости течения воды. Акустический допплеровский профилирующий измеритель течения (ADCP) – это гидроакустический измеритель течения, аналогичный сонару, используемый для измерения скорости течения воды в диапазоне глубин, основанный на эффекте Доплера звуковых волн, рассеивающихся от частиц в толще воды. Термин ADCP является обобщающим для всех акустических профилировщиков течения, хотя аббревиатура происходит от серии приборов, представленной компанией RD Instruments в 1980-х годах. Диапазон рабочих частот ADCP составляет от 38 кГц до нескольких мегагерц. Аналогичным устройством является SODAR, который работает в воздухе и использует те же принципы для профилирования скорости ветра.
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.
Принцип работы
ADCP содержат пьезоэлектрические преобразователи для передачи и приема звуковых сигналов. Время прохождения звуковой волны дает оценку расстояния. Сдвиг частоты эхосигнала пропорционален скорости воды вдоль акустического пути. Для измерения трехмерных скоростей требуется как минимум три луча. В реках актуальна только двухмерная скорость, поэтому ADCP обычно оснащаются двумя лучами. В последние годы функциональность ADCP расширилась (в частности, добавлены измерения волн и турбулентности), и доступны системы с 2, 3, 4, 5 или даже 9 лучами. Другие компоненты ADCP включают электронный усилитель, приемник, таймер для измерения времени прохождения сигнала, датчик температуры, компас для определения направления и датчик крена/рыскания для определения ориентации. Для определения сдвига Доплера необходимы аналого-цифровой преобразователь и цифровой сигнальный процессор для дискретизации возвращаемого сигнала. Датчик температуры используется для оценки скорости звука в положении прибора на основе уравнения состояния морской воды, которая затем применяется для масштабирования сдвига частоты и получения значений скорости воды. Эта процедура предполагает, что соленость имеет предварительно заданное постоянное значение. Наконец, результаты сохраняются во внутренней памяти или передаются в режиме реального времени во внешнее программное обеспечение для отображения.
Методы обработки
Для расчета доплеровского сдвига и, следовательно, скорости воды вдоль акустических лучей используются три основных метода. Первый метод использует монохроматический передающий импульс и называется "некогерентным" или "узкополосным". Этот метод надежен и обеспечивает хорошее качество профилей средней скорости, но имеет ограниченное пространственно-временное разрешение. Если передающий импульс состоит из повторяющихся кодированных элементов, метод называется "кодированием с повторением последовательности" или "широкополосным". Этот метод улучшает пространственно-временное разрешение в 5 раз (обычно). Коммерчески этот метод был защищен патентом США 5615173 до 2011 года. Метод импульсной когерентности основан на последовательности передаваемых импульсов, при котором предполагается, что эхо от последующих импульсов не вызывает взаимных помех. Этот метод применим только для очень коротких диапазонов профилирования, но соответствующее улучшение пространственно-временного разрешения составляет около 1000.
Приложения
В зависимости от способа крепления различают АДЦП, направленные вбок, вниз и вверх. АДЦП, установленный на дне, может измерять скорость и направление течений с постоянными интервалами до самой поверхности. При креплении к стене или опоре моста в реках или каналах он способен измерять профиль течения от берега до берега. В очень глубоких водах их можно опускать на кабелях с поверхности. Основное применение – океанография. Приборы также могут использоваться в реках и каналах для непрерывного измерения расхода воды. Устанавливаемые на якорные системы в толще воды или непосредственно на морское дно, они позволяют проводить исследования водных течений и волн. Они могут оставаться под водой годами, при этом ограничивающим фактором является срок службы аккумуляторной батареи. В зависимости от условий эксплуатации прибор обычно может питаться от берега, используя тот же кабель для передачи данных. Замена стандартных щелочных аккумуляторов на литиевые позволяет увеличить продолжительность работы в три раза.
Отслеживание дна
Настраивая окно, в котором вычисляется эффект Доплера, можно измерить относительную скорость между прибором и дном. Эта функция называется "отслеживание дна" (bottom track). Процесс состоит из двух этапов: сначала определяется положение дна по акустическому эхосигналу, а затем вычисляется скорость на основе окна, центрированного вокруг этого положения. Когда АДЦП установлен на движущемся судне, скорость отслеживания дна может быть вычтена из измеренной скорости воды. В результате получается профиль чистого течения. Отслеживание дна является основой для исследований водных течений в прибрежных районах. В глубоких водах, где акустические сигналы не достигают дна, скорость судна оценивается на основе более сложной комбинации данных о скорости и курсе, получаемых от GPS, гирокомпаса и других приборов.
Измерения выбросов
В реках АДСП используется для измерения общего расхода воды. Метод требует, чтобы судно с установленным по борту АДСП пересекало реку от одного берега к другому, непрерывно проводя измерения. Используя функцию отслеживания дна, определяется траектория судна и оценивается площадь поперечного сечения после корректировки с учетом площадей левого и правого берегов. Расход затем вычисляется как скалярное произведение между вектором траектории и вектором скорости течения. Этот метод применяется гидрографическими службами по всему миру и является важной составляющей гидравлических кривых зависимости расхода от уровня воды, используемых во многих местах для непрерывного мониторинга расхода реки.
Допплеровский журнал скорости (DVL)
Для подводных аппаратов функция отслеживания рельефа дна может использоваться как важный компонент в системах навигации. В этом случае скорость аппарата комбинируется с начальным определением местоположения, показаниями компаса или гироскопа, а также данными от датчика ускорения. Набор датчиков объединяется (как правило, с использованием фильтра Калмана) для оценки местоположения аппарата. Это может помочь в навигации подводных лодок, автономных и дистанционно управляемых подводных аппаратов.
Измерения волн
Некоторые АДКП могут быть настроены для измерения высоты и направления поверхностных волн. Высота волны оценивается вертикальным лучом, который измеряет расстояние до поверхности, используя эхо от коротких импульсов и простые алгоритмы определения максимумов. Направление волны определяется путем перекрестной корреляции оценок скорости вдоль луча и измерения высоты волны вертикальным лучом. Измерения волн обычно доступны для приборов, установленных на дне моря, но недавние усовершенствования позволяют устанавливать прибор также на вращающиеся подводные буи.
Турбулентность
ADCP с импульсно-когерентной обработкой сигнала способны оценивать скорость с точностью, необходимой для разрешения мелкомасштабных движений. Как следствие, возможно оценивать параметры турбулентности с помощью правильно настроенных ADCP. Типичный подход заключается в аппроксимации скорости вдоль луча структурой Колмогорова, что позволяет оценить скорость диссипации. Применение ADCP для измерения турбулентности возможно как при стационарных измерениях, так и с движущихся подводных аппаратов, таких как глайдеры или подводные буи.
Преимущества и недостатки
Два основных преимущества АДКП – отсутствие движущихся частей, подверженных обрастанию, и возможность дистанционного зондирования, когда один стационарный прибор может измерять профиль течения на расстояниях, превышающих 1000 м. Эти особенности позволяют проводить долгосрочные измерения океанских течений на значительной части водной толщи. С начала 1980-х годов в мировых океанах было использовано множество АДКП, и этот прибор сыграл важную роль в углублении нашего понимания мировой океанской циркуляции. Главный недостаток АДКП – потеря данных вблизи границы. Этот механизм, часто называемый интерференцией боковых лепестков, охватывает 6–12% водной толщи, и для приборов, направленных вверх к поверхности, потеря информации о скорости вблизи поверхности является существенным недостатком. Стоимость также является фактором, но обычно она незначительна по сравнению со стоимостью судна, необходимого для безопасной и профессиональной установки. Как и любой акустический прибор, АДКП вносит вклад в шумовое загрязнение океана, которое может мешать навигации и эхолокации китообразных. Степень воздействия зависит от частоты и мощности прибора, но большинство АДКП работают в диапазоне частот, где шумовое загрязнение не считается серьезной проблемой.