Акустический доплеровский профилировщик тока
Акустический доплеровский профилировщик течений ( ADCP ) — это гидроакустический измеритель течений , похожий на гидролокатор , используемый для измерения течения воды скорости в диапазоне глубин с использованием эффекта Доплера звуковых волн, рассеянных обратно от частиц в толще воды. Термин ADCP является общим термином для всех профилометров акустического тока, хотя эта аббревиатура происходит от серии инструментов, представленной RD Instruments в 1980-х годах. Диапазон рабочих частот ADCP составляет от 38 кГц до нескольких мегагерц .
Аналогичным устройством является SODAR , который работает в воздухе и использует те же принципы для определения профиля скорости ветра.
Принцип работы
[ редактировать ]
ADCP содержат пьезоэлектрические преобразователи для передачи и приема звуковых сигналов. Время распространения звуковых волн дает оценку расстояния. Сдвиг частоты эха пропорционален скорости воды на акустическом пути. Для измерения трехмерных скоростей требуется как минимум три луча. В реках важна только двумерная скорость, и 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.
Другими компонентами ADCP являются электронный усилитель , приемник , часы для измерения времени в пути, датчик температуры , компас для определения курса и датчик тангажа/крена для определения ориентации. Аналого -цифровой преобразователь и процессор цифровых сигналов необходимы для выборки возвращаемого сигнала, чтобы определить доплеровский сдвиг . Датчик температуры используется для оценки скорости звука в месте расположения инструмента с использованием уравнения состояния морской воды и использует его для оценки масштаба сдвига частоты в зависимости от скорости воды. Эта процедура предполагает, что соленость имеет заранее заданное постоянное значение. Наконец, результаты сохраняются во внутренней памяти или выводятся онлайн на внешнее программное обеспечение дисплея.
Методы обработки
[ редактировать ]Для расчета доплеровского сдвига и, следовательно, скорости воды вдоль акустических лучей используются три распространенных метода. Первый метод использует монохроматический импульс передачи и называется « некогерентным » или « узкополосным ». Этот метод надежен и обеспечивает хорошее качество профилей среднего тока, но имеет ограниченное пространственно-временное разрешение. Когда импульс передачи состоит из повторяющихся кодированных элементов, этот метод называется «кодированием повторяющейся последовательности». [ 1 ] или «широкополосный доступ». Этот метод улучшает пространственно-временное разрешение в 5 раз (типично). В коммерческом отношении этот метод был защищен патентом США. [ 2 ] 5615173 до 2011 г. Импульсно-когерентный метод. [ 3 ] основан на последовательности передаваемых импульсов, при этом 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.
Приложения
[ редактировать ]В зависимости от монтажа различают ADCP с боковым, нисходящим и восходящим видом. Установленный на дне ADCP может измерять скорость и направление течений через равные промежутки времени на всем пути до поверхности. Устанавливаемый сбоку на стене или на сваях моста в реках или каналах, он может измерять профиль течения от берега к берегу. На очень глубокой воде их можно спустить на тросах с поверхности.
Основное использование - океанография . [ 4 ] Приборы также можно использовать в реках и каналах для непрерывного измерения расхода воды .
При установке на причалах в толще воды или непосредственно на морском дне можно проводить исследования течений и волн. Они могут оставаться под водой годами, ограничивающим фактором является срок службы аккумуляторной батареи. В зависимости от характера развертывания прибор обычно имеет возможность получать питание с берега, используя тот же шлангокабель для передачи данных. Срок службы можно увеличить в три раза, заменив литиевыми батареями стандартные щелочные блоки .
Нижнее отслеживание
[ редактировать ]Регулируя окно, в котором рассчитывается доплеровский сдвиг, можно измерить относительную скорость между инструментом и дном. Эта функция называется нижней дорожкой. Этот процесс состоит из двух частей; сначала определите положение дна по акустическому эху, а затем рассчитайте скорость по окну, центрированному вокруг положения дна. Когда ADCP установлен на движущемся судне, скорость донного пути можно вычесть из измеренной скорости воды. Результатом является профиль чистого тока. Нижний трек служит основой для исследований водных течений в прибрежных районах. На глубокой воде, где акустические сигналы не могут достичь дна, скорость судна оценивается на основе более сложной комбинации скорости и информации о курсе, поступающей от GPS , гироскопа и т. д.
Измерения разряда
[ редактировать ]В реках ADCP используется для измерения общего водного переноса. Для этого метода требуется, чтобы судно с установленным на борту ADCP переходило от одного берега к другому при непрерывном измерении. Используя функцию нижнего пути, путь лодки, а также площадь поперечного сечения оцениваются после корректировки для левого и правого берега. Затем разряд можно рассчитать как скалярное произведение векторной траектории и скорости течения. Этот метод используется гидрографическими исследовательскими организациями по всему миру и является важным компонентом кривых уровня расхода воды, используемых во многих местах для непрерывного мониторинга речного стока.
Доплеровская диаграмма скорости (DVL)
[ редактировать ]Для подводных аппаратов функция отслеживания дна может использоваться как важный компонент навигационных систем. В этом случае скорость транспортного средства объединяется с координатами исходного положения , курсом по компасу или гирокомпасу и данными датчика ускорения . Набор датчиков объединяется (обычно с использованием фильтра Калмана ) для оценки положения транспортного средства. Это может помочь в навигации подводных лодок, автономных и дистанционно управляемых подводных аппаратов .
Измерения волн
[ редактировать ]Некоторые ADCP можно настроить для измерения высоты и направления поверхностных волн . Высота волны оценивается с помощью вертикального луча, который измеряет расстояние до поверхности, используя эхо от коротких импульсов и простые алгоритмы оценки пиков. Направление волны определяется путем взаимной корреляции оценок скорости вдоль луча и измерения высоты волны по вертикальному лучу. Измерения волнения обычно доступны для приборов, установленных на морском дне, но недавние усовершенствования позволяют устанавливать прибор также на вращающихся подземных буях. [ 5 ]
Турбулентность
[ редактировать ]ADCP с когерентной обработкой импульсов могут оценивать скорость с точностью, необходимой для определения мелкомасштабного движения. Как следствие, можно оценить турбулентные параметры по правильно настроенным ADCP. Типичный подход состоит в том, чтобы подогнать скорость вдоль пучка к конфигурации колмогоровской структуры и тем самым оценить скорость диссипации. Применение ADCP для измерения турбулентности возможно в стационарных условиях, но также может быть выполнено с помощью движущихся подводных конструкций, таких как планеры, или с подземных буев .
Преимущества и недостатки
[ редактировать ]Двумя основными преимуществами ADCP являются отсутствие движущихся частей, подверженных биообрастанию , и аспект дистанционного зондирования , когда один стационарный прибор может измерять профиль тока на расстоянии, превышающем 1000 м. Эти функции позволяют проводить долгосрочные измерения океанских течений на значительной части водного столба. С момента запуска в середине 1980-х годов в мировых океанах использовались многие тысячи ADCP, и этот инструмент сыграл значительную роль в нашем понимании циркуляции мирового океана .
Основным недостатком ADCP является потеря данных вблизи границы. Этот механизм, часто называемый интерференцией боковых лепестков , охватывает 6–12% водного столба, и для приборов, смотрящих вверх, к поверхности, потеря информации о скорости вблизи поверхности является реальным недостатком. Стоимость также вызывает беспокойство, но обычно она затмевается стоимостью корабля, необходимого для обеспечения безопасного и профессионального развертывания.
Как и любой акустический инструмент, ADCP способствует шумовому загрязнению океана, которое может мешать китообразных . навигации и эхолокации [ 6 ] Эффект зависит от частоты и мощности прибора, но большинство ADCP работают в диапазоне частот, где шумовое загрязнение не считается серьезной проблемой.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Кодирование повторяющихся последовательностей для повышения точности доплеровского сонара и содара, Р. Пинкель и Дж. А. Смит» . Журнал атмосферных и океанических технологий . 9 : 149. 1992. doi : 10.1175/1520-0426(1992)009<0149:RSCFIP>2.0.CO;2 . ISSN 1520-0426 .
- ^ «Акустический доплеровский профилометр тока, патент США 5615173» .
- ^ «Методы обработки сигналов когерентного доплеровского сонара от импульса к импульсу, Роджер Лермитт» . Журнал атмосферных и океанических технологий . 1 : 293. 1984. doi : 10.1175/1520-0426(1984)001<0293:PTPCDS>2.0.CO;2 . ISSN 1520-0426 .
- ^ Уильям Дж. Эмери, Ричард Э. Томсон (2001). Методы анализа данных в физической океанографии . Профессиональное издательство Персидского залива. п. 83. ИСБН 978-0-444-50757-0 . Проверено 6 февраля 2011 г.
- ^ «Система и метод определения направленных и ненаправленных волн и течений жидкости» . Патентное ведомство США.
- ^ Хоган, К. Майкл (октябрь 2011 г.). «Иконная энциклопедия земной тематики» . Вашингтон, округ Колумбия: Коалиция экологической информации, Национальный совет по науке и окружающей среде . Проверено 13 сентября 2012 г.
