Войти
акустический доплеровский измеритель тока(ADCP) - это гидроакустический измеритель тока, аналогичный сонар, используемый для измерения водные потоки скорости в диапазоне глубин с использованием эффекта Доплера звуковых волн, рассеянных обратно от частиц в толще воды. Термин ADCP является общим термином для всех акустических профилометров тока, хотя аббревиатура происходит от серии инструментов, представленных RD Instruments в 1980-х годах. Диапазон рабочих частот ADCP составляет от 38 кГц до нескольких мегагерц. Устройство, используемое в воздухе для определения профиля скорости ветра с помощью звука, известно как SODAR и работает по тем же основным принципам.
ADCP содержат пьезоэлектрические преобразователи для передачи и приема звуковых сигналов. Время прохождения звуковых волн дает оценку расстояния. Сдвиг частоты эхо-сигнала пропорционален скорости воды на акустическом пути. Для измерения трехмерных скоростей требуется как минимум три луча. В реках важна только 2D скорость, а ADCP обычно имеют два луча. В последние годы к ADCP было добавлено больше функций (в частности, измерения волн и турбулентности), и можно найти системы с 2,3,4,5 или даже 9 лучами.
Дополнительные компоненты ADCP: электронный усилитель, приемник, часы для измерения времени прохождения, датчик температуры, компас для определения курса и датчик тангажа / крена для определения ориентации. Аналого-цифровой преобразователь и цифровой сигнальный процессор необходимы для дискретизации возвращаемого сигнала с целью определения доплеровского сдвига. Датчик температуры используется для оценки скорости звука в положении прибора с использованием уравнения состояния морской воды и использует это для оценки сдвига частоты в сторону воды. скорости. Эта процедура предполагает, что соленость имеет предварительно настроенное постоянное значение. Наконец, результаты сохраняются во внутренней памяти или выводятся в интерактивном режиме на внешний дисплей.
Подводная фотография ADCP с пятью преобразователями (модель Signature1000, Nortek)Для расчета доплеровского сдвига и, следовательно, скорости воды вдоль акустических лучей используются три общих метода. Первый способ использует монохроматический импульс передачи и называется «некогерентным » или «узкополосным ». Этот метод надежен и обеспечивает хорошее качество средних профилей тока, но имеет ограниченное пространственно-временное разрешение. Когда импульс передачи состоит из кодированных элементов, которые повторяются, метод называется «кодированием повторяющейся последовательности» или «широкополосным». Этот метод улучшает пространственно-временное разрешение в 5 раз (типично). С коммерческой точки зрения этот метод был защищен патентом США 5615173 до 2011 года. Когерентный метод от импульса к импульсу основан на последовательности импульсов передачи, в которой предполагается, что эхо от последующих импульсов не мешает друг другу. Этот метод применим только для очень коротких диапазонов профилирования, но соответствующее улучшение пространственно-временного разрешения составляет порядка 1000.
В зависимости от монтажа можно различить вид сбоку и вниз - и перспективные ADCP. Установленный снизу ADCP может измерять скорость и направление течений с равными интервалами на всем пути к поверхности. Устанавливаемый сбоку на стену или мостовую насыпь в реках или каналах, он может измерять текущий профиль от берега к берегу. В очень глубокой воде их можно спускать на тросах с поверхности.
В основном используется для океанографии. Приборы также могут использоваться на реках и каналах для непрерывного измерения расхода.
. Установлены на причалах в толще воды или непосредственно на могут проводиться исследования морского дна, течений воды и волн. Они могут оставаться под водой годами, ограничивающим фактором является срок службы аккумуляторной батареи. В зависимости от характера развертывания прибор обычно может получать питание с берега, используя тот же шлангокабель для передачи данных. Продолжительность развертывания может быть увеличена в три раза, если заменить стандартные щелочные блоки литиевыми батареями.
Регулируя окно, в котором рассчитывается доплеровский сдвиг, можно измерить относительную скорость между инструментом и дном. Эта функция называется нижней дорожкой. Процесс состоит из двух частей; сначала определите положение дна по акустическому эхо, затем вычислите скорость из окна, центрированного вокруг положения дна. Когда ADCP установлен на движущемся корабле, скорость нижнего пути может быть вычтена из измеренной скорости воды. Результатом является чистый текущий профиль. Нижняя дорожка служит основой для исследований водных течений в прибрежных районах. На большой глубине, где акустические сигналы не могут достигать дна, скорость судна оценивается на основе более сложной комбинации информации о скорости и курсе из GPS, гироскопа и т. Д.
В реках ADCP используется для измерения общего водного транспорта. Этот метод требует, чтобы судно с ADCP, установленным сбоку, могло переходить от одного берега к другому при непрерывном измерении. Используя функцию нижней колеи, колея лодки, а также площадь поперечного сечения оценивается после корректировки для участков левого и правого берега. Затем разряд можно рассчитать как скалярное произведение между векторной дорожкой и текущей скоростью. Этот метод используется организациями гидрографических исследований по всему миру и является важным компонентом кривых поэтапного расхода, используемых во многих местах для постоянного мониторинга расхода воды в реках.
Для подводных аппаратов функция отслеживания дна может использоваться как важный компонент в навигационных системах. В этом случае скорость транспортного средства объединяется с исходным определением местоположения, курсом компаса или гироскопа и данными от датчика ускорения. Набор датчиков объединяется (обычно с использованием фильтра Калмана ) для оценки положения транспортного средства. Это может помочь в навигации по подводным лодкам, автономным и дистанционно управляемым подводным аппаратам.
AWAC (акустическая волна и течения) - это тип ADCP, специально разработанный для измерения высоты и направления поверхностных волн.Некоторые ADCP можно настроить для измерения поверхностной высоты волны и направления. Высота волны оценивается с помощью вертикального луча, который измеряет расстояние до поверхности, используя эхо-сигнал от коротких импульсов и простые алгоритмы оценки пиков. Направление волны определяется путем взаимной корреляции оценок скорости вдоль луча и измерения высоты волны от вертикального луча. Измерения волн обычно доступны для приборов, устанавливаемых на морском дне, но недавние усовершенствования позволяют устанавливать прибор также на вращающихся подземных буях.
ADCP с последовательной обработкой импульсов может оценивать скорость с точностью, необходимой для разрешения мелкомасштабного движения. Как следствие, можно оценить параметры турбулентности с помощью правильно настроенных ADCP. Типичный подход состоит в том, чтобы согласовать продольную скорость пучка с конфигурацией структуры Колмогорова и, таким образом, оценить скорость диссипации. Применение ADCP для измерения турбулентности возможно при стационарном развертывании, но также может быть выполнено при перемещении подводных конструкций, таких как планеры, или с подводных буев.
Двумя основными преимуществами ADCP являются: отсутствие движущихся частей, которые подвержены биологическому обрастанию и аспекту дистанционного зондирования, когда один стационарный прибор может измерять профиль тока на дальностях, превышающих 1000 м. Эти функции позволяют проводить долгосрочные измерения океанских течений над значительной частью водной толщи. С начала в середине 1980-х годов многие тысячи ADCP использовались в Мировом океане, и этот инструмент сыграл значительную роль в нашем понимании мира циркуляция океана.
Основным недостатком ADCP является потеря данных близко к границе. Этот механизм, часто называемый помехой с боковыми лепестками , покрывает 6–12% водяного столба, и для инструментов, смотрящих вверх на поверхность, потеря информации о скорости вблизи поверхности является реальным недостатком. Стоимость также вызывает беспокойство, но обычно она меньше стоимости корабля, необходимого для обеспечения безопасного и профессионального развертывания.
Как любой акустический инструмент, ADCP способствует шумовому загрязнению океана, что может мешать навигации и эхолокации китообразных. Эффект зависит от частоты и мощности прибора, но большинство ADCP работают в диапазоне частот, в котором шумовое загрязнение не считается серьезной проблемой.
