1班2组|水流速度的秘密：揭开ADCP及其他测流仪器的神秘面纱 - 声学多普勒流速仪的工作原理

想象一下，你正在一个海边观察水流，但你的眼睛无法直接看到水下的情况。这时，如果你想知道这看似平静的表面是否隐藏着阵阵暗流，便需要用到ADCP。它就好像一个“水下望远镜“，可以帮助我们透过水面，看到水面下的流动的世界。

1

ADCP简介

声学多普勒流速仪（Acoustic Doppler Current Profiler，简称ADCP）是一种利用声波测量水体流速的先进仪器。因其可以对流速进行剖式测量，其已成为水文测流领域的热门工具。

RDI Workhorse II Monitor ADCP

2

2 C: ?3 a$ m2 b

ADCP工作原理

# ~, M; C+ J4 ^# u" s0 t

ADCP是利用多普勒效应测流的仪器。当声波发射器发射声波穿过水体时，遇到水中的散射体（如泥沙颗粒、浮游生物等），声波会被散射。散射体在反射声中产生多普勒效应，即反射回的声波频率与发射声波的频率存在差异。

多普勒效应

+ Q- U% `6 ~ s& a

ADCP通过声波换能器发射声波，并接收反射回来的声波。反射回来的声波经过多普勒效应，其频率与发射声波的频率存在差异。通过测量多普勒频移，可以计算出散射体（如水流）的速度。

" A$ u: r# i$ J x# q3 W

ADCP的工作原理，其中，f0表示发射声波的频率，fd表示反射声波的频率，v表示水流流速

3

ADCP的发展

' ~5 Z0 q0 l. P

ADCP的发展主要可以分为5个阶段：

1. 20世纪60年代：科学家们发现了声学多普勒效应，并开始研究将其应用于水流测量。

' D$ Z: Y: T2 G! h) k8 W

2. 1980年代初：ADCP原型机问世，初期产品主要用于海洋领域。

4 g" Y: O# x9 n0 E) T7 v

3. 1980年代中期：ADCP技术逐渐应用于河流、湖泊等淡水领域。

% _6 u, K8 P' i& d9 E; K: {

4. 1990年代：随着电子技术和计算机技术的快速发展，ADCP性能得到提升，逐渐取代传统测流方法。

5. 21世纪初：ADCP已成为水文、水利、海洋等领域的主要测流工具，其精度、可靠性、适用范围得到广泛认可。

- b8 s) U9 I- |9 _1 S& q+ G

现如今，随着技术进步，ADCP正在朝着以下方向发展：

1. 高分辨率：随着技术的发展，现代ADCP具有更高的分辨率，可以实现对水体流速的垂直和水平分辨率达到1米以内。

& y' a9 U& R8 K* J

2. 智能化：随着人工智能技术的发展，ADCP的的数据处理能力不断提高。部分ADCP具备自动校准、自动滤波和自动诊断等功能，提高了测量精度和工作效率。

3. 集成化：ADCP与其他水文、气象、水质等观测设备的集成，为实现多参数、多要素的综合观测提供了便利。

* A/ @- X# Z" q' f4 `5 U( Z6 T3 V

4. 无线传输：随着无线通信技术的发展，ADCP可以实现数据实时传输，便于远程监控和实时调度。

不同种类的ADCP

3 B; Y, H# O) U4 Y- Z+ C3 Y

4

. b, X, p# E& \/ ]) l. q7 t0 I( c

其他测流仪器简介

在现代海洋调查中，除了常用的ADCP，还有单点式测量的声学测量仪器，如安德拉多普勒声学单点海流计。除声学测流仪器外，还有机械式的埃克曼海流计、电磁式的电磁海流计等测流仪器。但这些声学之外的测量仪器或多或少都存在自己的问题，因而都逐渐被声学测流仪器取代。本文接下来会一一进行介绍。

机械式海流计，代表埃克曼海流计

/ i: B; k/ ~, Y$ {

历史发展：

埃克曼海流计最早由瑞典海洋学家埃克曼在1905年设计而成，并以他的名字命名以作纪念。

5 ]1 n; Z* O2 |- i; ~

基本介绍及工作原理：

* X$ @: S" c$ j' w1 g0 t- {

海流计由扼架、旋桨、离合器、计算器、流向盒及位舵组成。其旋桨在水流的带动下旋转，并带动计数器计数。通过计数器所记录的一段时间内的转速即可得到平均流速。流向则通过海流计本身走向与流向盒中磁铁夹角获得，通过流向盒中不同隔间内的小球数量多少来判断流向。哪个隔间内小球数量多，该隔间所对应的方向即为流向。

仪器不足及其替代：

$ } @9 s: }9 c- Q. W# ^

埃克曼海流计的一大问题便是水流流速必须达到一定流速才能带动旋桨转动，因而其不能观测低速海流并且其观测精度较差。该仪器在早期海洋调查发挥巨大作用，而在20世纪70年代机械式海流计兴起，其采用旋桨式感应流速，仍为机械式海流计。其精度相较埃克曼海流计较大提升，并且还能避免埃克曼海流计不断提起不断放下的麻烦，先仍广泛用于海洋调查中。

埃克曼海流计结构示意图

8 D8 U* R- w B4 k

电磁式海流计

发展历史：

电磁海流计的测量原理基于电磁感应定律，在1918年科学家通过实验验证地磁场中海水流速和感应电动势之间的定量关系后，美国伍兹霍尔海洋研究所于1948年研制出了世界首台电磁海流计。

3 _. Z/ G1 h* N; J' J" I- ^" T0 i

测量原理：

电磁流速仪利用电磁感应原理测量水流速度。水流经过电磁线圈时，会产生感应电动势，根据感应电动势的大小计算水流速度。电磁流速仪适用于较干净的水体，不受水体中的杂质影响。

. W2 b) b) `3 ~% U# E7 t

仪器进步及不足：

! J3 ?- a K3 {& h0 F* T- Q! C/ e c

电磁海流计相较于埃克曼海流计明显降低了启动流速，但存在易受电磁干扰等问题，且不同季节海水电导率的变化会影响测量精度。因此一般只在海洋实习中应用。

海研电子生产的的国产电磁式海流计

声学单点海流计（安德拉海流计）

' b4 Y# D3 q7 C7 b4 T& f

发展历史:

# T8 D# K/ a/ O7 v0 E4 ?

仪器的发展与进步总是和相应的原理和技术出现密不可分，在20世纪60年代声学多普勒测流技术开始兴起并逐渐发展，基于声学多普勒频移原理的声学仪器得到研发，其中就包括声学单点海流计。

仪器代表：

% Q/ `( n6 J- d* d( E/ ?

安德拉仪器的RCM型声学单点海流计

8 Z* O2 _# o: Q! ^0 q6 i

测量原理：

通过声学换能器发射短波脉冲，接收器接收波束在通过水体时由其中的颗粒散射返回的声信号，并利用接受声信号的多普勒频移计算海流流速和流向。

" W& D ?7 k" e) [8 H

仪器优点：

精度高，体积小，因而可放于浮标、潜标以及锚定船只上，以定点测量海流。

RCM系列安德拉海流计

撰写文字：张倚松

图文排版：马也驰

% x3 \. X3 ?+ D$ V1 X; W

搜集资料：柳绪鑫、陈瑞和、李荣林、高光飞