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1842年，奥地利物理学家克里斯蒂安·多普勒（Christian Doppler）发现，由于波源和观察者之间的相对运动，观测频率与波源频率不同，这一现象后来被称为“多普勒效应”。1982年，美国发明家Fran Rowe和Kent deines发明了声学多普勒流速剖面仪（ADCP）。与传统的机械式流速计相比，ADCP的发明被认为是流速测量领域的一次重大技术革命。 顾名思义，ADCP是一种基于“多普勒效应”的声学仪器。大多数ADCP包含四个传感器（也称为波束）。传感器既是一个声学发射器（类似于人的嘴巴）又是一个声学接收器（类似于人的耳朵）。传感器发射特定频率的声波，然后“聆听”水体中粒子散射的回声。ADCP的神奇之处在于它可以在不干扰流场的情况下测量速度剖面，即在垂直或水平方向上的速度分布。操作员可根据测量要求设置ADCP单元数、单元长度、采样时间间隔、工作模式等。 ADCP根据其声信号的传输、接收和处理模式（也称为工作模式）分为窄带ADCP、宽带ADCP[1]和脉冲相干ADCP。窄带ADCP采用脉冲非相干技术，精度和分辨率较低。宽带ADCP采用编码脉冲技术，与传统的窄带ADCP相比，精度提高了3-4倍以上。宽带ADCP（1991）的诞生是ADCP技术发展的一个重要里程碑。脉冲相干ADCP具有最高的精度和分辨率，但速度测量范围和剖面范围远小于窄带和宽带ADCP。脉冲相干ADCP特别适用于流速较慢的浅水区。 ADCP可安装在海底和岸壁（固定测量）或测量船（船载或导航测量）上。 在海洋水文学的应用中，ADCP几乎完全取代了机械式和电磁式流速计作为标准流速测量仪器。ADCP也可用于测量波浪。ADCP测波仪采用速度元阵列法和波面跟踪法测量波向谱和波高能谱。ADCP内置压力传感器也可测量波高能谱。此外，ADCP可用于海底边界层测量，ADCP数据可用于雷诺应力计算。 在河流水文学的应用中，航行ADCP流量测量方法被认为是河流流量测量领域的一次革命。当装有ADCP的测量船从测量断面的一侧航行到另一侧时，ADCP立即测量断面的速度分布和流量。固定ADCP通常用于实时在线流量监测。近十年来，ADCP正逐步取代传统的机械式流速仪，成为国内外主要水文机构流量测量的标准仪器。 ADCP还可以与DGPS、测深仪和指南针集成。经过近40年的不断改进和完善，ADCP流速流量测量技术已经非常成熟。 ADCP的局限性 任何仪器都有局限性，ADCP也不例外。ADCP取决于接收水中颗粒的后向散射信号，因此水中必须含有足够的悬浮颗粒。对于近岸水域或河流，这通常不是问题。如果水太清澈，如水库或山河，ADCP将无法正常工作。另一方面，如果水体中的泥沙含量过大，ADCP声能将被悬浮泥沙大量吸收，从而降低穿透力和剖面范围。粗略估计，当含沙量为1-3 kg/m3时，有效剖面将减少到标称剖面范围的一半左右。 在流量测量中使用导航ADCP的主要问题是如何解决由推移质和底部悬浮泥沙含量高引起的“动底”问题。“动底”的解决方案主要包括1）DGPS积分法，2）环路法，3）ADCP定点测试法，4）使用较低频率的ADCP。 有待解决的问题 （1） ADCP测砂 利用ADCP测量悬沙浓度是一个非常困难的研究课题。这项研究至少已有20年的历史，并取得了一些成果[2]。然而，ADCP测砂技术尚不成熟。 （2） ADCP流量试验的不确定度 自2007年以来，一些学者致力于ADCP流量试验不确定度评定方法的研究。然而，国内外对评估方法和标准没有共识。 （3） ADCP定位 ADCP的最大制造商是Teledyne Rd仪器。其前身是1982年由Fran Rowe和Kent deines创立的研发仪器公司（2005年被Teledyne technologies收购）。中国科学院声学研究所和前国家海洋局海洋技术研究所等研究机构已批准开发ADCP。近年来，国内ADCP已进入商业化阶段。然而，国产ADCP的质量和可靠性有待进一步提高。 （4） ADCP试验 ADCP作为计量器具，应通过计量部门或质量管理机构的检验，取得检验合格证后方可使用。然而，ADCP测试并非易事。自2014年以来，美国地质调查局要求ADCP至少每3年进行一次检查。美国地质调查局基本上采用ADCP制造商的校准方法来测试ADCP[3]，以确认ADCP满足技术指标。 参考文献 [1] RD Instruments. Broadband acoustic Doppler current profiler. United States Patent：5,208,785, 1992-5-13. [2] 张志林、史芳斌、胡国栋《ADCP反向散射强度估算悬移质浓度的原理及其应用》长江出版社，2008。 [3] Armstrong, B., Fulford, J., and Thibodeaux, K. “Quality assurance testing of acoustic Doppler current profiler transform matrices.” Hydrologic Instrumentation Facility, U.S. Geological Survey, Stennis Space Center, MS, USA, 2015.
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