海洋论坛▏海流探测仪器与技术研究现状及展望 - ADV声学多普勒流速仪

阳阳的爸 · 发表于其他海洋设备 2024-10-8 23:53:11

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海流探测作为海洋监测领域关注的焦点之一，主要目的在于掌握海流的特性，研究其时空变化和分布，找出其活动规律。精准的海流数据可以直接服务于科研、国防、渔业、海运和海洋工程建设、海洋灾害预警等方面。

海流探测技术的发展伴随着观测手段和探测仪器的革新，人类对海流的探测经历了最初的漂浮法测流，到1905年世界首台机械式海流计——厄克曼海流计诞生，正式步入海流探测仪器的起步阶段。继而出现的电磁式海流计实现了较高的测流精度与三维测流，进一步推动了海流计的发展。20世纪60年代末，人们开始使用光作为探测介质测量流速与流量，同一时期光纤应运而生，LYLE等研发了一种基于光纤的涡街流量计，但由于当时光纤技术的局限性以及高成本激光器，该方法并未得到大规模应用。直至20世纪70年代末至80年代初首台声学多普勒流速剖面仪问世，实现了高精度、非接触式、剖面三维海流流速测量。自此，海流探测仪器进入了飞速发展阶段，以声学式海流计为代表，向着针对不同尺度、深度、精度和环境的探测发展。当前，海流探测仪器与计算机、卫星、激光、光纤传感等技术结合，向着更高精度、智能化、集成化的方向发展，极大地推动了人类对海洋研究与开发的进程。

海流探测仪器按照测量原理主要分为以下6类：传统的机械式、电磁式、声学多普勒式、声学时差式海流计以及光纤光栅型、光纤干涉型海流计。本文将对这几种海流探测仪器的传感原理、优缺点、应用领域、发展现状等进行简单介绍，并对未来海流探测仪器的发展趋势进行展望。

一、传统海流测量仪器

⒈机械式海流计

机械式海流计也称旋桨海流计，是依据转子或旋桨受水流推动产生的转速来测量流速，并依据磁罗盘确定流向。机械式海流计是人类最早应用的海流观测仪器，为海流观测作出了巨大贡献。

机械式海流计的优点主要包括功耗低、结构简单、价格低廉。其缺点是只能测一维流速；由于机械转子惯性大，在低流速下会存在转子或旋桨停转的情况，因此无法测量低流速或快速变化的湍流；这种接触式测流会干扰流场，导致测流精度降低；此外，机械式海流计的运动部件在海水中容易发生锈蚀、卡死等故障。机械式海流计常安装或悬挂在定点测流架、锚碇船、浮标等承载工具上进行定点测流，在近岸、浅水区域以及特定的海洋工程中较为适用，但在深海环境和需要长期监测的应用中，不如声学或光学等测流仪器理想。目前，机械式海流计常被应用于对测流精度要求不高的场合以及其他类型海流计的标定，在设备功耗、数据采集准确度、可靠性以及测流实时性等方面还需进一步加强。

机械式海流计的代表产品是中国海洋大学研制的SLC-2型机械海流计(图1)，流速测量精度为满量程的±1.5%，流向精度为±4°，代表了当前国内机械式海流计的发展水平。国内从事机械式海流计研究较多的单位有：国家海洋局海洋技术研究所、中国科学院海洋研究所、中国海洋大学等，国外有：美国WoodsHole海洋研究所、美国Scripps海洋研究所、英国Valeport公司、挪威Aanderaa公司等。

图1中国海洋大学SLC9-2型机械式海流计

⒉电磁式海流计

电磁式海流计运用法拉第电磁感应原理，通过测量海水流过磁场时所产生的感应电动势来测海流，是上层海洋和深海锚定中常使用的测流设备。电磁海流计可分为地磁场电磁海流计和人造磁场电磁海流计两类，后者的应用更加广泛。

与传统的机械式海流计相比，电磁式海流计测流精度较高，且可以测二维流速，没有机械磨损部件，具有体积小、质量轻、使用灵活、测流精度较高、鲁棒性好等突出优点。其缺点主要是易受电磁干扰、能耗高和易损坏。电磁式海流计在5～20Hz的低频宏观湍流中频率响应良好，但在大湍流环境中测量误差较大，故适用于测量表面波控碎波区和内陆架等环境中的流速，不适用于近底浅水环境和近岸沉积物运输等大湍流强度场合的流速测量。电磁式海流计适用于定点测流方式，也可以搭载航船、无人潜航器等移动载体进行走航测流。在深海环境中应用时，需要对电子设备进行特殊设计和保护。此外，受海水磁场变化与电导率影响，电磁海流计的电压零点与所测值极易浮动，从而影响测流精度，且每次使用前需校准，操作繁琐。因此，随着现代海流测量精度要求的不断提高，后期关于电磁海流计的研究成果较少。近年来，关于电磁式海流计的研究以应用为主，代表产品有德国HS-Engineers公司ISM-2001电磁式海流计(图2)，测流精度为±0.5%读数值+0.5%量程，流向测量精度达±1.5°，而国内尚无性能可靠的便携式商业化产品。目前，国外从事电磁海流计的研究机构主要有美国InterOceanSystems公司、英国Valeport公司、日本ALEC公司以及德国HS-Engineers公司，国内有中国长春气象仪器研究所、中国国家海洋技术中心、天津气象海洋仪器厂等。

图2HS-Engineers公司ISM-2001电磁式海流计

⒊声学多普勒式海流计

与前两种海流计相比，声学式海流计出现较晚，测流精度更高。声学多普勒式海流计利用多普勒频移原理，通过测量水中悬浮物反射声波的频率变化，从而推算出海水的速度。声学多普勒测流技术是近年来国内外流速测量领域研究的热点，其中关于声学多普勒海流剖面仪(ADCP)的研究最多，作为目前应用最广、世界上测量海流剖面和河道流量的最有效的仪器，被国际海洋学委员会列为4种先进的海洋观测仪器之一；而关于单点声学多普勒海流计的研究次之。

声学多普勒式海流计属于非接触式测流，可以实现流速、流向三维测量，不扰流，响应速度快，测量精度高，其中ADCP一次可以测量整个流速剖面，具有测流效率高、信息海量完整等特点。声学多普勒式海流计频率响应特性很好，特别适用于测量快速变化的湍流，尤其是声学多普勒流速仪(ADV)能对边界层做出精确测量。此类海流计可以通过定点与走航两种方式测流，相较前两种海流计，适用于更多种海洋环境，包括但不限于近岸与沿岸、开阔海域、表层海洋、深海等。然而这类海流计价格昂贵，且仍存在一定的测量盲区：由于其依赖于海洋中的散射体来测流速，故只能用于测量沿海等散射体浓度高于一定值的海域流速，在极深水和极地等散射体浓度过低的海水中无法应用。此外，海水温度、盐度、悬浮颗粒与多径传播等因素都会影响其测量精度。

中国从事多普勒测流技术研究的单位主要为科研院所：中国科学院声学研究所、哈尔滨工程大学水声工程实验室和杭州应用声学研究所等。美国TRDI公司、RTI公司与挪威Nortek公司、AADI公司是世界范围内ADCP研发的主导公司，代表产品如美国RDI公司WorkhorseMonitor系列ADCP(图3)，测流范围为0～20m/s，测流精度为±0.003m/s。ADV主要由美国Sontek公司和挪威Nortek公司研制。目前，国外一直主导着声学多普勒测流技术的发展。

图3RDI公司WorkhorseMonitor系列ADCP

⒋声学时差式海流计

声学时差式海流计也称声传播时间海流计，其原理是在声传播距离相同的条件下，通过测量逆流、顺流两次声传播的时间差计算出海水流速。使用几对换能器测得不同方向上的流速分量，再经矢量合成后得到二维或三维流速，可根据实际需要灵活调整，从而可以测量不同深度的海流速度，如果再结合罗盘使用还能得到大地坐标下流速的矢量值。其关键技术是精确测量每对换能器之间的声传播时间，精度要求一般在纳秒级。

声学时差式海流计无活动部件，性能可靠，可以进行定点与走航测流，能够测量三维流速，相较声学多普勒式海流计，有更高的测流精度。由于其原理建立在流体传播声波的基础上，声学时差式海流计测速不依赖海水中反射体、对气泡不敏感，属于透射型测量海流计，因此无测量盲区，特别适用于湍流、低速流、纯净流、碎波区的流速测量。此外，声学时差式海流计通常可以进行较远距离的测量，这使其在一些需要远距离监测的应用中具有优势，比如对大范围海域、河流与明渠的流速监测。其缺点主要为轻微扰流，海流流经换能器时所产生的尾流会对测量结果产生一定的影响。此外，传统的时差法测流采用几对收发一体超声波换能器，采样过程中需要交替控制超声波信号的发射与接收，处于间断性采样状态，因此在采样过程中，由于顺、逆流采样并不同时，会因流速波动产生较大误差，不能实现对海流的连续探测，测流的实时性较差。

代表产品有美国NOBSKA公司MAVS-5系列(图4)，测流范围为0～3m/s，测流精度为0.003m/s。国外从事声学时差海流计研究的机构主要有：美国WoodsHole海洋研究所、NOBSKA公司、FSI公司，以及挪威Sensorte公司，已经商业化的产品如：3D-ACM、2D-ACM、MAVS几乎占据市场。而我国对声学时差海流计的研究比较少，从事声学时差海流计的研究单位有哈尔滨工程大学、国家海洋技术中心等，但至今并没有出现商业化的声学时差海流计产品。

图4NOBSKA公司MAVS-5系列声学时差式海流计

二、光纤类海流测量仪器

随着光纤种类的丰富、光纤微加工技术以及光栅写制技术的成熟，基于各种光学原理的光纤流速传感器也在不断发展与更新，该类传感器在检测灵敏度、分辨率、信号传输距离等方面有显著优势。光纤类海流计按照原理可大致分为光纤光栅型与干涉型海流计两类，其工作原理基于监测在外部因素影响下变化的光谱响应，通过光信号解调得出海水流速(图5)。

图5光纤类海流计传感原理

⒈光纤光栅型海流计

光纤光栅型海流计以光纤光栅作为敏感元件，通过光纤光栅波长以及带宽的变化来感测外界流速变化。其中，光纤布拉格光栅(FBG)是应用最为广泛的海流传感器敏感元件，FBG对温度和应变的变化高度敏感，被测量引起二者的改变都会导致反射的中心波长发生变化。因此，光纤光栅传感技术应用于海水流速探测的思路有两种，分别是基于光纤光栅应变变化、基于光纤光栅温度变化来实现流速的测量。

⑴基于光纤光栅温度变化的流速传感器

目前大多数热光纤传感技术主要应用于风速测量，由于空气的热容量相对较低，因此可以在低激光功率下将光纤加热至高温。为了测量液体的流动，需要提高光到热能的转化效率，往往使用热吸收性涂覆层以及外部加热源。其工作原理如图6所示，纤芯中的FBG1用于温度与流速测量，该区域涂有高导热率的物质，当激光从光纤纤芯耦合到包层中时，这部分光纤被加热，以形成温度高于环境温度的“热线”，FBG2用于环境温度测量与补偿。加热后，布拉格波长λ1红移至λ1*，当外界流体流动时，加热区域冷却，λ1*蓝移至λ3，解调该偏移量(λ3–λ1*)即可计算出流速。

图6基于热线法的流速测量原理

2017年LIU等使用了特殊的Co2+掺杂多模光纤来创建热线区域，2020年NOVIKOVA等采用FBG阵列作为敏感元件，在辐射耦合区域涂敷银基胶来提高光热转化效率，该传感器灵敏度为697pm/(m/s)，可同时用于气体与液体流速测量。此类方法亦可实现对流向的同时测量，2023年KLISHINA等设计了一种流速传感器(图7)，通过锡铅合金将两根光纤封装起来，其中1根多模光纤用以增加输出辐功率，其上的锥形结构部分用来创建加热区域；另一根单模光纤包含3个FBG阵列作敏感元件，通过分析3个光栅的光谱特性来判断流向。在0.02～0.05m/s流速范围内水中进行测试，实验表明，对于两个正交方向上水流，布拉格波长偏移的差异超过两倍，可以明确地识别流动方向，实现了流速与流向同时测量。

图7流速传感器敏感元件示意图

⑵基于光纤光栅应变变化的流速传感器

靶式结构的光纤光栅流速传感系统如图8所示。当流体流经传感器时推动靶片，通过中间传力结构将受力传递给悬臂梁，悬臂梁产生形变并对该力进行放大，粘贴在上面的光纤光栅随之产生微小拉应变或压应变，导致光纤光栅中心波长产生漂移，通过光信号解调可得该波长漂移量，进而可以通过建立好的力学模型推导计算出流速。

图8靶式结构光纤布拉格光栅流速传感系统

由于微小应变带来的光信号变化不易解调，因此，通常用一对FBG对称粘在悬臂梁两侧表面，放大应变的同时进行温度补偿，可有效解决FBG的温度、应变交叉敏感问题。2023年DING等将包层光纤布拉格光栅固定在由弹簧和圆形靶片组成的悬臂梁结构中，所得传感器响应范围为0～87mm/s，温度灵敏度为9.5pm/℃，随着温度的升高，频谱强度几乎保持不变，温度串扰可以忽略不计。

在整个传感结构中光纤光栅并不直接接触流体，所以传力结构会对传感器性能造成很大影响。通过优化靶盘的形状与大小，控制悬臂梁的长度、材料与结构以及靶盘与悬臂梁的连接方式，可以进一步调整量程与灵敏度，来满足不同测流需求。2016年LIU等验证了取消中间传力结构，采用悬臂梁作为靶片的固定件以及受力敏感元件的可行性，实验表明一体化结构对流场的影响更小，组成紧凑、便于密封。2021年ZHANG等实现了一种可进行水流流向自适应监测功能和正向流速测量功能的测流系统，该系统测流范围为0.05～5m/s，但由于流速传递机构数量太多，引入的误差也更大。2022年HOU等综合采用了两侧加凸台、组合矩形梁、加大推力面3种方法来增大传递到FBG的应变，进而提高传感器的测量灵敏度，结构如图9所示。实验表明，大尺寸、小悬臂梁厚度的传感器具有更好的速度灵敏度。

图9传感器结构示意图

基于光纤光栅的流速传感技术优点是流速变化只体现在波长的变化上，不受光波强度、光纤连接与耦合损耗以及光波偏振态等因素的变化影响，因此抗干扰能力强，增加了流速测量的精确度以及测量结果的稳定性。但由于光纤光栅的性能特性取决于温度和应变，因此必须解决应变和温度的交叉敏感问题。此外，光栅作为此类流速传感器的核心，其精确制造成本昂贵；另一方面，灵敏度取决于解调设备的分辨率，从而增加了精确流速测量应用的成本，这限制了光纤光栅类流速传感器的商业应用。光纤光栅型海流计适用于不同深度的海洋，可以实现多点监测，尤其在需要长期、实时监测的环境中表现优异，如海底管道、海洋平台等海上结构物监测。由于需要较为复杂的安装和校准过程，通常定点测流，不适用于走航测流。

⒉光纤干涉型海流计

全光纤传感系统的提出以及激光技术的发展，促进了干涉型光纤海流计的出现。光纤干涉结构主要基于双光束或多光束干涉原理，光束之间的相位差易受光纤应变的影响，因此可以感测海水流速变化。光纤干涉型海流计主要利用不同类型的干涉仪实现光学干涉，典型的干涉结构包括：Fabry-Perot干涉仪(FPI)、Michelson干涉仪(MI)、Mach-Zehnder干涉仪(MZI)。

⑴光纤Fabry-Perot流速传感器

FPI与光纤集成始于20世纪80年代，光纤FP结构是一种被广泛应用的光纤无源器件，其结构如图10所示。通过采用薄膜技术在光纤端面或内部形成FP腔，外界物理量通过改变FP腔长来改变其输出光信号，通过监测输出光信号的相位变化即可达到对流速测量的目的。FPI用于流速传感器具有结构紧凑、稳定性高、不需要参考臂等优势。

图10Fabry-Perot光纤干涉仪基本结构

光纤FP结构常用于精确测量微流体及气体的流动，用于感测流速时，关键是构造FP腔的两个反射面，ISLAM等总结了在光纤内构造FP腔的主要方法。2016年ZHOU等使用一对刻在单模光纤中的FBG来形成FP腔，在两个FBG之间熔接了掺钴光纤充当加热元件来增加FP腔的光程。LI等研究了一种类似的流量传感器，用于微流体流量测量。2019年COSTA等将一小段远端涂有金膜的多模光纤熔接到单模光纤的一端，单模光纤纤芯中的光在多模光纤中扩展为多种模式，通过多模干涉引入相位差。

干涉条纹的质量取决于FP腔的长度以及腔内介质的性质，这种特性用以研发与改进光纤流速传感器的性能。2016年LIU等针对湍流探测研究了一种基于激光加热硅FPI阵列的光纤矢量流量传感器(图11)，硅柱的两个平坦表面构成FP腔，实验证明流速响应与加热激光功率线性相关，并且实现了温度部分自补偿。2021年ZHANG等提出了一种基于FPI与FBG级联的热线流量计，这种结构具有稳定的FBG光谱，且因FPI结构而具有较大的温度范围，可实现低流量测量，可以通过将多个传感器组成阵列来测量流向，在石油工业中具有很大应用潜力。

图11光纤矢量传感器端头示意图

⑵光纤Mach-Zehnder与Michelson流速传感器

光纤MZI是一种双光束干涉结构(图12)，传统的MZI由两个光纤耦合器连接构成，分别用于光的耦合与复耦合。当传感臂中的光感测流速后，输出的光信号会发生变化，而参考臂中的传输光不受外界影响。因此，通过分析干涉谱的漂移量与干扰信号的变化关系即可实现对外部环境的传感测量。光纤MI理论原理与MZI基本一致，但MI属于反射型，是由一个定向耦合器和两根端面镀高反射膜的光纤构成(图13)。多数情况下经调节后两个反射端面被固定，而传感光纤臂自身作为光敏感器件，此时MI和MZI的相位调制机理完全相同，唯一不同点是激光发射与检测是否在同一端。

图12Mach-Zehnder光纤干涉仪基本结构

图13Michelson光纤干涉仪基本结构

2008年YUAN等将双芯光纤的一端涂敷银反射面，另一端与单芯单模光纤熔接来构建MI结构，所得测流动态范围为0～6mm/s。2021年HOU等通过电弧放电技术实现了一种基于MI的全光纤靶式流速传感器，入射光经过花生形结构分成两束，分别在悬臂梁的纤芯和包层中传播，再通过球形靶反射分裂光束，最后由花生形结构将光束重新耦合到光纤纤芯中产生迈克尔逊干涉。流速测量灵敏度为1.30nm/(cm/s)，检测限为0.015cm/s，该传感器在深海流速测量与高精度液体流速测量方面中具有广阔应用前景。2019年SUN等提出了一种基于MZI的级联蝶形锥结构的光纤测流传感器(图14)，整个传感器由3段锥形单模光纤熔接成两个蝴蝶结结构制作而成，该传感器测流范围是0.66～10.6mm/s，测流误差为8%。该结构易于制造，但是在流速频繁变化的情况下测量受限。这两类传感器具有结构紧凑、成本低、流速测量灵敏度高等优点，其敏感元件由光纤本身构成，因此传感器的探头可以灵活多变，容易制作并投入使用。

图14基于MZI的级联蝶形锥结构

相较于光纤光栅类海流计，基于干涉原理的海流计在实现方式、分辨率、灵敏度、测流精度等方面表现出明显优势，且有更快的响应速度和更高的实时性，适用于对测流精度要求较高的场合。此外，因其干涉效应对速度变化较慢的流体更敏感，因此更适用于低流速海域以及探测微观尺度的海流。由于此类传感器属于相位调制的干涉式光纤传感器，光源产生的噪声对干涉结构有明显影响，所以对光源和光的质量要求很高，增加了应用成本。对于光纤FPI结构，FP腔尺寸和薄膜厚度的精确控制是制约传感器性能的难点。对于光纤MZI与MI结构，有效提高灵敏度的同时需要增加光纤长度，但会导致稳定性变差。此外，特殊光纤材料的应用亦需要考虑多个参数之间的交叉敏感问题。

三、总结与展望

各类海流计各具特色，在应用中将会保持以声学式海流计为主、多种类型海流计并存的局面，协同为海洋科学研究和海洋工程应用提供数据支持。传统海流计中，机械式海流计已不再作为主流的测流产品，电磁式海流计常应用于表层海洋流速探测，声学类海流计精度最高，其中声学多普勒式海流计测流效率最高，声学时差式海流计适用范围最广，优势明显，有较大的发展潜力。但目前市售传统海流计产品存在价格高昂，低流速下测流准确度与灵敏度低等缺点，而光纤类海流计因其灵敏度高、结构紧凑、成本低廉、抗磁电干扰、可以多路复用以及远程控制、适应性强等优势，有望弥补传统海流计的不足。但目前大多数光纤海流计还停留在试验研究阶段，下一步的工作将继续针对光纤解调技术的局限性，发展光纤类海流计的复用技术，优化光纤类海流计的性能，实现光纤类海流计的实用化、产业化。

关于未来海流计发展趋势总结如下：

⑴应用领域进一步拓展。除了应用于海洋探测领域，还可应用于河流水文监测、管道内液体流速或流量测量，甚至极端温度环境下和强电磁干扰区域内流体探测。此外，针对原油等易燃易爆液体、腐蚀性化学液体、医学领域微流体等特殊液体的流速、流量测量开发特殊海流计。

⑵性能进一步提高。未来海流计将不断提升精度和分辨率以更准确地捕捉流场的微小变化，不断扩大测流量程以监测更广阔的海域范围，满足科研和工程需求。此外，未来海流计将更加注重环境友好和低能耗，提高海流计的可持续性和使用寿命。

⑶智能化、自动化以及远程监测。通过集成先进的数据处理算法和人工智能技术，实现数据实时处理与传输、分析、预测，提高测流效率和准确性。未来海流计也将更加注重发展远程监测能力，通过无人化平台或者遥控技术，实现对远海或深海海流的长期监测。

⑷多模态发展。结合多种不同类型的传感器，如声学传感器、激光传感器等，以获取多维度、多层次的海流信息，提高监测精度和可靠性；同时监测多个参数，如流速、温度、盐度、溶解氧等，实现对海洋环境多参数的综合监测，为海洋探测提供更丰富的数据支持。

⑸海流计类型多样化。伴随着水声技术、遥感技术、激光技术、图像处理技术、数字信号处理等技术的完善，新型海流计不断涌现，如遥测海流计、激光多普勒测速仪、粒子图像测速仪、倾角法海流计等。这里我们提出一种基于连续时差法的光致超声测流方法：基于光致超声原理，在光纤末端密封一小段充满高吸收性液体的薄壁塑料管构成光纤超声发射头，激光经光纤传输，从光纤末端向海水中激发出全向超声脉冲，水中的4个超声波接收器与发射器构成正四棱锥结构排布，同时接收超声信号。由于超声在顺、逆流中传播时间不同，通过测量长度相等的4条声轴上声传播时间，建立流速与声传播时间的关系，即可推导计算出二维平面内两个正交方向上的流速分量。这种方法提高了采样效率，克服了传统声学时差法测流实时性较差的缺点，同时发挥了光纤的优势，延长了海流探测范围，控制方便，操作灵活，是未来的发展方向之一。

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END

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【作者简介】文/康文慧徐东昕赵强曲轶张文谢栋樑，分别来自海南师范大学物理与电子工程学院、海南省激光技术与光电功能材料重点实验室、海南省院士团队创新中心、齐鲁工业大学(山东省科学院)海洋仪器仪表研究所、中国人民解放军国防科技大学气象海洋学院。第一作者康文慧，1998年出生，女，山西忻州人，硕士研究生，主要从事光纤海洋测流传感器方面的研究；通讯作者赵强，1982年出生，男，山东济南人，博士，副教授，主要从事光纤光栅、光纤传感器在海洋观测中的应用方面的研究。本文受基金项目赞助，国家自然科学基金(62274048, 62064004,62174046)、泰山学者工程专项经费项目(TS20190951)、崂山实验室科技创新项目(LSKJ202204703)、海南师范大学大学生创新创业开放基金(榕树基金)(RSYH20231165812X)。文章来自《海洋科学》（2024年第6期），参考文章略，版权归出版单位与作者所有，用于学习与交流，转载也请备注由“溪流之海洋人生”微信公众平台编辑与整理。

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