國產ADCP不同平臺的應用及拓展方向

傅菊英 韓禮波

（杭州瑞利海洋裝備有限公司，杭州，310023）

聲學多普勒流速剖面儀（Acoustic Doppler Current Profiler，ADCP）是利用聲波多普勒效應進行流速流向測量的一種聲吶設備，它既可以測量相對水底的速度，也可以測量相對水流速度，并且對被測流場無干擾，是目前最主要的流速測量手段之一。利用 ADCP的測量數據可進行流場監測、潮流特征分析研究、內波監測預報、水下航行器的跟蹤導航、河流流量測量等。本文主要介紹國產 ADCP在海洋觀測和水文測驗等領域的應用情況。

1 基本原理

ADCP的基本原理是利用多普勒效應進行流速流向的測量。首先 ADCP通過發射換能器向水中發射聲波，水中的散射體使聲波產生散射，ADCP通過接收換能器（通常是收發一體換能器）接收散射體返還的回波信號，而這些散射體是隨著水流一起運動的，所以發射信號頻率與后向散射的回波信號頻率會因為多普勒效應而產生頻移。通過分析解算回波信號的多普勒頻移，從而計算ADCP換能器與水體之間相對運動的速度。多普勒效應示意見圖1。

圖1 多普勒效應示意圖

首先，設聲源和接收者之間的相對速度為v，c表示聲波在介質中的傳播速度。當聲源與接收者相對運動時，v取正值，而聲源與接收者相向運動時，v取負值；波速c總取正值。則根據聲學多普勒原理可得

式中，Fd為多普勒頻移，Fs為聲源的發射頻率。

在ADCP測量過程中，發射信號與回波信號之間，發生了兩次多普勒頻移。所以式（1）應為[1]

因此，通過精確測量ADCP接收回波信號與發射信號之間的多普勒頻移（或相位差），就可以解算出對應水流空間的相對流速。對回波信號進行時間分割，不同接收時刻對應不同的傳播距離，得到不同傳播距離處的回波信號多普勒頻移集合，進而得到流速剖面集合。類似的，ADCP接收和辨認海底的聲波反射信號，通過信號處理得到ADCP相對于大地的運動速度。ADCP與散射體之間相對運動速度與ADCP相對于大地的運動速度矢量補償，得到水流相對于大地的絕對速度。

2 ADCP的發展現狀

國外ADCP從20世紀60～70年代的探索研究階段到窄帶ADCP、寬帶ADCP和相控陣技術的發展應用，歷經半個多世紀，產品已形成多頻率、多種類的商品化儀器，測流技術日趨成熟[2]。國內ADCP的技術研究起步較晚，目前國內主要研發單位以中船第七一五研究所、中國科學院聲學所、哈爾濱工程大學、中海達等單位為主。中國科學院聲學所以成果轉化等方式與無錫海鷹加科、錦州儀器等單位均有合作。

第七一五研究所是國內最早研究相控陣聲學多普勒流速剖面儀的單位，先后開展了38 kHz相控陣聲學海流剖面儀的原理樣機、工程樣機、定型樣機的研究（圖2）。2007年，定型樣機與美國RDI 的75 kHz ADCP進行了漂泊、走航的比測試驗。期間國產38 kHz ADCP國產ADCP和RDI ADCP測量值隨深度變化的一致性符合良好，部分數據見表1、表2。

圖2 38 kHz ADCP從原理樣機到定型樣機

表1 漂泊狀態下ADCP測量值比對結果 單位：cm/s

表2 走航狀態下ADCP測量值比對結果 單位：cm/s

在38 kHz ADCP定型樣機的研究基礎上，第七一五研究所繼續 38 kHz ADCP產品化技術研究，開展規范化、標準化適用性檢驗方法研究，推動我國自主研究技術成果轉化。國產 38 kHz ADCP于2015年首次裝備“遠望7號”測量船，開展遠洋調查任務。2016年至今已陸續裝備多型測量船，成為首型國產化ADCP替代裝備產品。

在國家 863計劃支持下，第七一五研究所先后開展了150 kHz相控陣多普勒計程儀、75 kHz船載走航式ADCP的研發工作，同時自籌研發全系列 ADCP。到目前為止，已成功開發了船載式38、75、150、300和600 kHz ADCP；自容式38、75、150、300、600 kHz和 1.2 MHz ADCP；水平式相控陣150 kHz和活塞陣300、600 kHz 兩波束測流儀以及1.5 MHz單點海流計等系列產品，正在開展38 kHz/300 kHz、1.2 MHz/2.4 MHz雙頻ADCP研究，預計2022年底前完成產品開發。部分產品圖片見圖3～5。

圖3 部分高頻ADCP

圖4 部分水平測流儀

圖5 雙頻ADCP

2009年，在國家863計劃支持下，第七一五研究所開展了大深度高精度小型多普勒計程儀的研究，研制了150 kHz小型多普勒計程儀，在此基礎上開展了多種頻率的多普勒計程儀產品的開發，并在輸送艇、魚水雷、無人艇上得到了廣泛的應用。

圖6 計程儀

3 ADCP的工程應用

經過多年的發展，國產 ADCP產品逐步應用到多個領域，也逐漸替代進口設備，在海洋、河流等領域發揮著重要作用。中國科學院聲學所研發的ADCP產品已在我國沿海、太平洋、印度洋、大西洋、北冰洋、南北極等區域以及“蛟龍號”、“深海勇士號”、“潛龍1號”、“潛龍3號”等我國大型深海作業裝備上應用[3]。第七一五研究所研發的走航式38、150 kHz ADCP已在多型船舶上裝備應用。根據使用情況，國產ADCP與美國RDI公司ADCP相比，在船只轉向和往復航行、加速和減速航行、高速航行時有優勢，在船只勻速直航測量狀態、流速剖面測量性能兩者相當[4]。

圖7 38 kHz ADCP安裝及測量數據分析

國產ADCP在河流水文水利領域也開展了系列應用，中國科學院聲學所研發的RIV系列河流型ADCP在國內多個具有代表性的水文站開展了試驗應用[2]。目前，RIV型 ADCP已由無錫海鷹加科海洋技術有限責任公司實現了批量生產和銷售。2017年江蘇中海達海洋科技公司也推出了河流型ADCP樣機，并在長江流域開展了應用測試。第七一五研究所2010年研發的150 kHz水平測流儀，首先在某港口開始安裝應用，后續在島礁、港口、河流等多個場景應用。在此基礎上，又繼續開發了300、600 kHz、1.2 MHz水平測流儀產品，在測流的同時可監測斷面流量。

圖8 水平測流儀在港口河流上安裝應用

近年來，高頻ADCP在水文水利上的應用日趨增多，利用ADCP進行流速流量的監測逐漸成為各水文站的首選。圖9為水文站的安裝現場圖。

圖9 某水文站的安裝現場

圖 10為七一五研究所研制的 300 kHz 自容式ADCP與國外同類型ADCP在某水域浮標平臺開展的比測試驗數據。由于兩型設備的參數設置略有區別（WHM型ADCP的盲區設置不含發射脈寬），因此，選擇WHM型ADCP的第n層與SLC300-1型ADCP的第n+1層進行對比。該水域呈南北向分布，根據經驗，灣內為半日潮，一天內有兩次漲落潮，漲落潮流速略有區別，流向應近似北向或南向，測量地點水深隨潮位在12～15 m之間變化。比測數據很好地呈現了潮流的周期性。

圖10 某水域的實際比測數據

4 ADCP的拓展方向

基于ADCP的測流原理，利用獲得的回波信息解算相關參數，進行ADCP的拓展應用，如海洋內波的監測、波浪的測量、水體含沙量的測量等。

4.1 海洋內波的監測

2007年，第七一五研究所研制的38 kHz相控陣ADCP首次在南海發現內孤立波，國內研究海洋內波現象的科研工作者開始利用ADCP進行海洋內波監測研究。隨著海洋內波的發現，以及某型潛艇水下航行遭遇內波導致斷崖式下沉事件的發生，開啟利用ADCP進行船載走航或定點監測，并在南海海域布放潛標組成內波監測網。

圖11為2007年7月20日凌晨觀測到的內波情況。當時試驗船處于漂航狀態，ADCP設置測量盲區50 m，流層厚度16 m，內波振幅高達200 m，在盲區深度50 m處的流速接近2 m/s。

圖11 內波經過時ADCP測得的流層流速圖

4.2 波浪的測量

利用ADCP各波束在海表投影形成測量海表起伏的波高測點，以及ADCP各波束在次表層水體中多層測流單元形成的往復流流速測點，共同形成ADCP在海表面波浪場的空間測量陣列，其示意圖如圖12所示。ADCP可在波浪場中獲取空間陣列多個測點位置的波高或流速觀測值，即各個測點上物理量觀測時間序列。利用單個測點時間序列提取的自信息/自譜、不同測點間的互信息/互譜，構成測量陣列的交叉譜矩陣。最后，使用測點陣列導向矢量矩陣、流速-波面起伏傳遞函數和測量數據交叉譜矩陣，選用不同估計算法估計波浪方向譜。

圖12 五波束ADCP測波浪采樣陣列示意圖

4.3 水體含沙量的測量

利用單一頻率或多種頻率ADCP獲取回波散射強度，分析、反演測量水中泥沙顆粒的濃度和平均粒徑是目前ADCP應用拓展的又一個新方向。通過研究泥沙顆粒濃度以及粒徑與其聲散射特性、聲衰減特性、回波信噪比的關系，并通過能量比算法、差值算法和最近鄰算法等，建立泥沙顆粒濃度及粒徑與ADCP測量參數的關系模型，經多次率定可進行水體含沙量的監測。

5 結束語

ADCP作為一種先進的測速測流儀器，應用越來越廣泛，所產生的社會和經濟效益也越來越高。國產ADCP經過多年的研究，在產品系列化、小型化、多頻組合方面得到了很大的發展，在海洋環境監測、水文水利等各領域得到了快速的應用；并拓展應用在內波監測、波浪測量、水體含沙量測量等領域。隨著我國科研水平和生產制造能力的不斷提升，國產 ADCP必將會取得更大的發展，將全面替代進口設備。