|
声学海流计有声学矢量平均海流计、声学多普勒海流计、声学多普勒海流剖面仪、声相关海流剖面仪。声学矢量平均海流计通常有三个换能器，用三个分量的矢量合成得出海流矢量（流速和流向）。声学多普勒海流计利用海水中运动散射体的后向散射声信号的多普勒频移原理来测量流速。声学多普勒海流剖面仪和声相关海流剖面仪可以同时给出某一深度范围内流速和流向的分层分布，例如一次测量可以得到128层的海流，其流速和流向是某一厚度层水体运动速度矢量的平均值。 声学海流计利用声波在海水中的传播特性来测量海流。声波是机械波，产生的多普勒频移效应来测定流速的。其优点是能连续记录，仪器无机械活动部件，无摩擦，无滞后现象，测量感应时间快，不影响流场测量，可测微弱海流，声速可自动校准，测量更可靠。由于声学海流计种类繁多，下面来介绍工作中常用的两款声学海流计，分别为UCM－60L超声测流仪和船用浅海型多普勒海流剖面仪（ADCP）。
一、UCM－60L超声测流仪 ⒈ 用途及特点 UCM-60L是一种声学矢量平均海流计，它通过测量超声波在水体中往返传播的时间差来测量流速。声速与海水介质的温度有关，因此要进行温度误差修正。除了声学换能器以外，仪器中还装有温度、电导率、压力、倾斜、方位等传感器。温度和倾斜传感器主要用于测量结果的误差修正，方位传感器用于确定流向。该仪器可分为直读式和自记式两种工作方式，通过软件控制，用户可通过定义一些参数和编程来操纵仪器，如更换采样速率、采样时间、数据平均时间、启动时间等。主要测量流速、流向、声速、温度、电导率、深度（压力）、倾斜等环境和状态参数，并给出海水计算盐度和密度等环境参数。 测流仪由主机(即水下测量探头)、通讯电缆、终端三部分组成。主机结构紧凑，所有的传感器、数据记录设备、微处理器、供电电池等均集中在直径100mm，长650mm的不锈钢耐压圆筒内，测量要素的探测、信号处理均在主机内完成。整机无转动部件，机械磨损小。直读方式的配置提供了与外部终端的双向通讯口，数据实时输出；自记方式的配置中，信号处理后的数据被存在FLASH－RAM中，不打开主机就可进行数据的回放。 ⒉ 主要技术指标 流速：速度矢量(三维：X，Y，Z) 量程(可编程)0～±3m/s；0～±6m/s 分辨率(根据量程)1mm/s；2mm/s 精度(通常情况)±5mm或满量程的1％ 精度(最坏情况)±5mm/s(平均值)或满量程的3％ 声速：量程1388～1580m/s 分辨率2.0m/s 精度5m/s 温度：量程－5～45℃ 分辨率0.01℃ 精度0.1℃(可选0.02) 响应时间<1.0s(在流速lm/s，可选60ms) 压力：量程0～20×10-5Pa(0～20bar)(标准) 分辨率满量程0.04％ 精度小于满量程0.2％ 响应时间<50ms 罗盘：分辨率1° 精度±1° 向应时间0.05s 倾斜度：量程±30° 分辨率1° 精度为读出值的10％ 响应时间τ<0.05s 处理器：INTEL80C196NT ⒊ 测量原理 UCM－60L测流仪是根据时差法设计的。一超声波沿确定路线发射，与此同时另一超声波沿该路线的相反方向发射。声波在该路线的传播时间是流速在该路线上分量的函数。所以，通过两个同时发射且方向相反的声波在同一路线上的传播时间差即可得出流速在该路线一的分量(见下图所示)。若换能器放在流动的液体中，设相互距离为L(声路径的长度)，迎流方向的传播时间为t1，顺流方向的传播时间为t2，时间差为Δt，液体中的声速为C，沿声路径的平均流速为V。由于流速V与声速C相比是小量，略去它们的二阶小量，则：Δt＝t2－t1≈≈(2×L×V)/C2，即：V=C2Δt/2L，已知声速和距离，测得时间差Δt，即得流速分量。三个流速分量的矢量合成即是流速矢量。
UCM－60L测流仪流向探测，是用三维磁通门罗盘测量仪器轴向与正北N方向的磁偏差，确定流速的真方向(见下图所示)。而水流方向与测流仪轴向之间的夹角，则通过呈十字型布置的四组超声波换能器测得的流速分量经矢量合成计算而得到。 温度传感器是装在仪器筒底部的铂电阻。深度(或压力)传感器是压敏电阻。倾斜传感器测量仪器在水中的倾斜程度，用于流向修正。
自选项由客户根据需要自选，如增装电导率、溶解氧等传感器，使仪器具有多功能。 UCM－60L测流仪受软件控制。一个16位的微处理器控制各传感器采集数据，它包括一个双向UART(双工串口)，用以处理双向数据传输。罗盘的模拟信号通过A／D转换成数字量并被微处理器处理；声速以数字信号形式输出。微处理器根据预定的采样时间及积分时间不停地做数据平均，计算流速、流向，根据不同的工作方式向终端传输数据或把数据存在FLASH－RAM中。 ⒋ 使用注意事项 ⑴主机工作电源的选择与安装 主机工作电源由12V直流电源提供，是由8节1.5V标准碱性电池串联而成。内部实时时钟由锂电池作为后备电池，可工作5年。为保证测流仪工作正常，必须保证每节电池空载压为1.5V，且供电正常。当使用自记方式工作时，更要注意电池的性能，以防因电池的提前耗尽，使仪器过早停止工作而产生缺测。 UCM－60L测流仪的电池盒由用户自己焊接制作，因此在制作时应确保质量。正负极之间焊接牢固，避免虚焊，上下两组4节电池应固定坚固，不要松动，否则会影响供电效果。制作完成后应测量电池组的输出电压。 在将仪器与终端连接，进行编程和检查系统、回放数据时，为节省电池，应采用直流14V外部电源。 由于水文实验的目的不同，使用的工作参数不同，电池的使用周期也会不同，此时要注意检测电池状态，确保数据采集正常。 ⑵仪器使用前的检查、编程及试运行 主机密封检查；用终端和通讯电缆对主机进行编程、状态检查；试运行。在仪器状态检查中应注意内部实时时钟与工作人员的外部时间应保持一致，以防因时间不合而导致缺测或漏测。 在配置仪器时，因应用不同而有不同的配置。流速范围的选择是重要的，如在杭州湾内的强流区，流速超过8节，因此流速范围应选0～6m/s；而在一般海区，流速范围应选0～3m/s，以免降低精度。当使用几个测流仪通过一根通信电缆连接而进行同一剖面不同层次测量时，应定义各个仪器的地址，并记录在工作日志上。根据测量目的选择输出通道，如在码头区域进行流场检测时，可关闭其他通道，仅选流速、流向、压力通道，以提高电池的利用率和仪器测量精度；若通过通讯电缆实时测量时，应将屏幕状态打开。容易忽视的是方向选择，UCM－60L测流仪提供两种方向输出，即相对正北方向的流速和相对仪器轴向的流速，一般应选相对正北方向的流速。 ⑶编程中时间间隔的设置 时间间隔包括启动时刻、启始间隔、停止时刻、观察次数、采样周期，这是控制测流仪测量的关键，任何疏忽都会使测量结果失效。“停止时刻”的设置一般仅适用于当测流仪用于锚锭方式长时间观测时。在进行海上准同步多站次的海洋调查时，更要注意时间间隔的设置。“启动时刻”设置不能过早，以免错过时间；也不能到站后才进行设置，这样会耽搁时间。仪器下水要有时间提前量，测流仪到达第一个预定水层的时间应与启动时刻大致相同。 ⑷仪器附件选择与配置 UCM－60L测流仪从形式上可用于锚锭测量和剖面连续测量；从方式上可用于自记方式和直读方式，为此可选择一定附件与之相适应。当用于锚锭测量和较深海区剖面测量时，采用自记方式，此时使用UCM－60DL空插头，以保护通讯接头；当在浅海或江河中进行实时测量时。采用直读方式，此时要配置一根水下连接电缆，使主机与工作台上终端进行实时数据传输。 当在强流区进行测量时，由于流的作用，会使测流仪严重倾斜。倾斜度超过30度，就会严重影响测量结果。为此应加大重锤的重量，使倾斜度减小至允许的范围内，保证测量结果正确。 ⑸仪器使用的安全与维护 仪器使用的安全是指在仪器海上工作时，主要是在剖面连续测量时，仪器下放或回收过程中及在表、底层测量中，碰撞、损坏、丢失和触底等。剖面连续测量时一般仪器都靠近平台(如船舷)，在风大、浪高、流急情况下，当进行仪器下放或回收时，应用撑竿、搭钩控制仪器的摇晃，避免碰撞，表层测量时可适当增加入水深度，防止仪器出水而撞击工作平台；底层测量时可适当增加离底距离，并在测量过程中，密切注意水位变化。 因UCM－60L测流仪为不锈钢外壳，在海水作用下会产生电解。为保护主机每次施放仪器前要检查牺牲阳极是否安装完好。 测量工作结束后，不能忽视仪器的维护保养。外壳的淡水冲洗和擦干是必需的。当数据回放完成，仪器放回储藏室存放时，应取出内部的电池，并在筒内放置干燥剂。 ⑹测流仪终端的配置 UCM－60L测流仪所有处理工作均在主机内部完成，其完善的双工通讯口可与市场上的各种通用终端连接，进行设置和数据回放。数据输出为普通的ASCII字符，一般打印机就能打印，因此一台通用的计算机加一台普通打印机就可作为终端配置。
二、船用浅海型多普勒海流剖面仪（ADCP-600K） ⒈ 概述 船用多普勒海流剖面仪是一种新型的流场和悬浮物浓度场的测量设备。能如实反映流场的真实结构和揭示流体质点运动状态并能实时地给出流场和悬浮物浓度场的垂直分布。适用于浅海和江河湖泊的水流流速和流向剖面测量。是海洋调查及海洋工程等部门需要的测量设备。 本系统由五波束换能器阵、主电子箱、航向转换器、GPS接收机、计算机处理系统和电缆等几部分组成。 ⒉ 主要技术指标 ⑴ADCP技术指标 系统频率：600kHz 剖面深度：60m(水团反向散射强度－70dB时) 测速范围：±10m/s 精确度：±0.2％测量值土0.5cm/s(长期) 流向：360° 测层数：1③～128层 测层厚度：0.5～12m ⑵悬浮物浓度剖面测量技术指标 工作频率：600kHz 剖面深度：60m 浓度值定量估测范围：1～10g/L 浓度测量的系统误差：±10％ 浓度剖面的随机误差：±20％ 浓度剖面深度分辨率：10～20cm ⒊ 系统工作原理
通过试验室标定和现场测量一定浓度下的声后向散射电压，推算出B的分布规律代入上式从而最终达到对悬浮物浓度测量的目的。 ⒋ 系统工作流程 测流与测悬浮物的电子系统工作流程由计算机统一控制，下图是系统工作原理方框图。系统工作过程为：用户进入ADCP数据处理终端机、显示主菜单和相应的子菜单，用户按菜单内容输入采样间隔、采样层厚、采样层数、发射脉宽(编码形式)、发射周期、高低功率等系统初始化参数。工控机将用户输入的信息传输给8031单片机。单片机设有程序暂存器和时钟，人工设置的各项参数存入该程序暂存器中并通过总线给DSP所需的工作参数。DSP每次启动之前读出这些参数并存入自己的内存中。8031单片机不仅按照系统工作时序启动、关闭整个系统和DSP，同时还按照测流、测地的发射预定时序每次触发DSP转入相应的工作状态。信号处理器按8031单片机送来的系统工作参数指令编码电路提供相应的发射信号、控制发射机功率、发射脉冲和发射周期，提供接收机消隐脉冲、控制自动增益(AGC)和时变增益(TVG)的切换及对地信号判别等。
发射机在DSP的控制下分别向海水中发射脉冲调制波。在声波途径的区域内随流而动的散射体依次将很小一部分能量散射回原换能器，接收机将换能器接收到的回波信号经前置放大器放大后送人时间增益控制电路(TVG)由它补尝由于传播和吸收造成的信号衰减，补尝程度由计算机自动控制。补尝后的测速信号(指宽带)分别送入变频器进行混频，再经正交变换、A／D变换后送人高速信号处理器分别计算各波束、各层的多普勒频移，预处理结果送入终端微机。 终端微机根据预处理结果并结合传感器的测量数据(方位、倾斜、GPS)，完成海流的合成、分层、补偿、坐标转换以及数据的实时显示和存盘。根据第五波束的回波强度及相应的增益数据计算泥沙浓度剖面。将多普勒频偏数据、泥沙浓度剖面、以及各传感器数据和系统工作状态数据记录到存储器中。提供系统架构文件、任务时间表文件及装载。记录数据的卸载。 为了获得绝对海流，系统中备有航向信号接口，由船上的电罗经(若船上无电罗经，可用换能器阵中的罗盘)提供航向信号。同时为了消除船体姿态影响和对声速进行修正，在换能器阵中安装了倾斜传感器和温度探头，实时检测海水温度，并提供船舶摇摆信号。此外本系统还配有GPS接口，以便在测不到地速度时使用。 ⒌ 系统操作与维护 ⑴系统安装 因系统主要用于近海和江河湖泊，为适用吨位大小不一和功能各异的船只，产品样机设计成干湿端分离式。换能器阵体积小，安装方便，且下表面为球面，具有一定的导流功能，适用于走航时进行测流。另外换能器阵体内备有电子罗盘，解决了江河及近海吨位小且无电罗经的船只使用ADCP测流时的流向问题。 换能器阵既可安装在船上的声纳井中，也可在船舷上安装。安装时要注意以下几点： ①阵体箭头方向指向船首。 ②注意阵体与电缆间的水密。 ③入水深度以船体不阻挡声波束为宜。 主机安置在实验室，通过电缆与换能器阵联接。主机后面板备有联接终端微机、GPS和航向转换器的串行接口。 ⑵系统操作 系统安装完毕后打开主机电源，首先启动系统自检程序检查系统工作是否正常。系统工作时应严格按照系统操作说明书执行。 ⑶系统维护 ①使用前应在实验室检查设备是否正常(切记，通电时换能器阵必须放入水中)。 ②使用后应用淡水将换能器阵体冲洗干净并擦干。 ③设备不用时应装箱并放在干燥实验室。若长期不用需隔一定时间(一般3个月)通电维护(通电时换能器阵必须放人水中)。 . D* ~/ u1 z2 l. }( L2 s
| 
