国产ADCP不同平台的应用及拓展方向

傅菊英 韩礼波

（杭州瑞利海洋装备有限公司，杭州，310023）

声学多普勒流速剖面仪（Acoustic Doppler Current Profiler，ADCP）是利用声波多普勒效应进行流速流向测量的一种声呐设备，它既可以测量相对水底的速度，也可以测量相对水流速度，并且对被测流场无干扰，是目前最主要的流速测量手段之一。利用 ADCP的测量数据可进行流场监测、潮流特征分析研究、内波监测预报、水下航行器的跟踪导航、河流流量测量等。本文主要介绍国产 ADCP在海洋观测和水文测验等领域的应用情况。

1 基本原理

ADCP的基本原理是利用多普勒效应进行流速流向的测量。首先 ADCP通过发射换能器向水中发射声波，水中的散射体使声波产生散射，ADCP通过接收换能器（通常是收发一体换能器）接收散射体返还的回波信号，而这些散射体是随着水流一起运动的，所以发射信号频率与后向散射的回波信号频率会因为多普勒效应而产生频移。通过分析解算回波信号的多普勒频移，从而计算ADCP换能器与水体之间相对运动的速度。多普勒效应示意见图1。

图1 多普勒效应示意图

首先，设声源和接收者之间的相对速度为v，c表示声波在介质中的传播速度。当声源与接收者相对运动时，v取正值，而声源与接收者相向运动时，v取负值；波速c总取正值。则根据声学多普勒原理可得

式中，Fd为多普勒频移，Fs为声源的发射频率。

在ADCP测量过程中，发射信号与回波信号之间，发生了两次多普勒频移。所以式（1）应为[1]

因此，通过精确测量ADCP接收回波信号与发射信号之间的多普勒频移（或相位差），就可以解算出对应水流空间的相对流速。对回波信号进行时间分割，不同接收时刻对应不同的传播距离，得到不同传播距离处的回波信号多普勒频移集合，进而得到流速剖面集合。类似的，ADCP接收和辨认海底的声波反射信号，通过信号处理得到ADCP相对于大地的运动速度。ADCP与散射体之间相对运动速度与ADCP相对于大地的运动速度矢量补偿，得到水流相对于大地的绝对速度。

2 ADCP的发展现状

国外ADCP从20世纪60～70年代的探索研究阶段到窄带ADCP、宽带ADCP和相控阵技术的发展应用，历经半个多世纪，产品已形成多频率、多种类的商品化仪器，测流技术日趋成熟[2]。国内ADCP的技术研究起步较晚，目前国内主要研发单位以中船第七一五研究所、中国科学院声学所、哈尔滨工程大学、中海达等单位为主。中国科学院声学所以成果转化等方式与无锡海鹰加科、锦州仪器等单位均有合作。

第七一五研究所是国内最早研究相控阵声学多普勒流速剖面仪的单位，先后开展了38 kHz相控阵声学海流剖面仪的原理样机、工程样机、定型样机的研究（图2）。2007年，定型样机与美国RDI 的75 kHz ADCP进行了漂泊、走航的比测试验。期间国产38 kHz ADCP国产ADCP和RDI ADCP测量值随深度变化的一致性符合良好，部分数据见表1、表2。

图2 38 kHz ADCP从原理样机到定型样机

表1 漂泊状态下ADCP测量值比对结果 单位：cm/s

表2 走航状态下ADCP测量值比对结果 单位：cm/s

在38 kHz ADCP定型样机的研究基础上，第七一五研究所继续 38 kHz ADCP产品化技术研究，开展规范化、标准化适用性检验方法研究，推动我国自主研究技术成果转化。国产 38 kHz ADCP于2015年首次装备“远望7号”测量船，开展远洋调查任务。2016年至今已陆续装备多型测量船，成为首型国产化ADCP替代装备产品。

在国家 863计划支持下，第七一五研究所先后开展了150 kHz相控阵多普勒计程仪、75 kHz船载走航式ADCP的研发工作，同时自筹研发全系列 ADCP。到目前为止，已成功开发了船载式38、75、150、300和600 kHz ADCP；自容式38、75、150、300、600 kHz和 1.2 MHz ADCP；水平式相控阵150 kHz和活塞阵300、600 kHz 两波束测流仪以及1.5 MHz单点海流计等系列产品，正在开展38 kHz/300 kHz、1.2 MHz/2.4 MHz双频ADCP研究，预计2022年底前完成产品开发。部分产品图片见图3～5。

图3 部分高频ADCP

图4 部分水平测流仪

图5 双频ADCP

2009年，在国家863计划支持下，第七一五研究所开展了大深度高精度小型多普勒计程仪的研究，研制了150 kHz小型多普勒计程仪，在此基础上开展了多种频率的多普勒计程仪产品的开发，并在输送艇、鱼水雷、无人艇上得到了广泛的应用。

图6 计程仪

3 ADCP的工程应用

经过多年的发展，国产 ADCP产品逐步应用到多个领域，也逐渐替代进口设备，在海洋、河流等领域发挥着重要作用。中国科学院声学所研发的ADCP产品已在我国沿海、太平洋、印度洋、大西洋、北冰洋、南北极等区域以及“蛟龙号”、“深海勇士号”、“潜龙1号”、“潜龙3号”等我国大型深海作业装备上应用[3]。第七一五研究所研发的走航式38、150 kHz ADCP已在多型船舶上装备应用。根据使用情况，国产ADCP与美国RDI公司ADCP相比，在船只转向和往复航行、加速和减速航行、高速航行时有优势，在船只匀速直航测量状态、流速剖面测量性能两者相当[4]。

图7 38 kHz ADCP安装及测量数据分析

国产ADCP在河流水文水利领域也开展了系列应用，中国科学院声学所研发的RIV系列河流型ADCP在国内多个具有代表性的水文站开展了试验应用[2]。目前，RIV型 ADCP已由无锡海鹰加科海洋技术有限责任公司实现了批量生产和销售。2017年江苏中海达海洋科技公司也推出了河流型ADCP样机，并在长江流域开展了应用测试。第七一五研究所2010年研发的150 kHz水平测流仪，首先在某港口开始安装应用，后续在岛礁、港口、河流等多个场景应用。在此基础上，又继续开发了300、600 kHz、1.2 MHz水平测流仪产品，在测流的同时可监测断面流量。

图8 水平测流仪在港口河流上安装应用

近年来，高频ADCP在水文水利上的应用日趋增多，利用ADCP进行流速流量的监测逐渐成为各水文站的首选。图9为水文站的安装现场图。

图9 某水文站的安装现场

图 10为七一五研究所研制的 300 kHz 自容式ADCP与国外同类型ADCP在某水域浮标平台开展的比测试验数据。由于两型设备的参数设置略有区别（WHM型ADCP的盲区设置不含发射脉宽），因此，选择WHM型ADCP的第n层与SLC300-1型ADCP的第n+1层进行对比。该水域呈南北向分布，根据经验，湾内为半日潮，一天内有两次涨落潮，涨落潮流速略有区别，流向应近似北向或南向，测量地点水深随潮位在12～15 m之间变化。比测数据很好地呈现了潮流的周期性。

图10 某水域的实际比测数据

4 ADCP的拓展方向

基于ADCP的测流原理，利用获得的回波信息解算相关参数，进行ADCP的拓展应用，如海洋内波的监测、波浪的测量、水体含沙量的测量等。

4.1 海洋内波的监测

2007年，第七一五研究所研制的38 kHz相控阵ADCP首次在南海发现内孤立波，国内研究海洋内波现象的科研工作者开始利用ADCP进行海洋内波监测研究。随着海洋内波的发现，以及某型潜艇水下航行遭遇内波导致断崖式下沉事件的发生，开启利用ADCP进行船载走航或定点监测，并在南海海域布放潜标组成内波监测网。

图11为2007年7月20日凌晨观测到的内波情况。当时试验船处于漂航状态，ADCP设置测量盲区50 m，流层厚度16 m，内波振幅高达200 m，在盲区深度50 m处的流速接近2 m/s。

图11 内波经过时ADCP测得的流层流速图

4.2 波浪的测量

利用ADCP各波束在海表投影形成测量海表起伏的波高测点，以及ADCP各波束在次表层水体中多层测流单元形成的往复流流速测点，共同形成ADCP在海表面波浪场的空间测量阵列，其示意图如图12所示。ADCP可在波浪场中获取空间阵列多个测点位置的波高或流速观测值，即各个测点上物理量观测时间序列。利用单个测点时间序列提取的自信息/自谱、不同测点间的互信息/互谱，构成测量阵列的交叉谱矩阵。最后，使用测点阵列导向矢量矩阵、流速-波面起伏传递函数和测量数据交叉谱矩阵，选用不同估计算法估计波浪方向谱。

图12 五波束ADCP测波浪采样阵列示意图

4.3 水体含沙量的测量

利用单一频率或多种频率ADCP获取回波散射强度，分析、反演测量水中泥沙颗粒的浓度和平均粒径是目前ADCP应用拓展的又一个新方向。通过研究泥沙颗粒浓度以及粒径与其声散射特性、声衰减特性、回波信噪比的关系，并通过能量比算法、差值算法和最近邻算法等，建立泥沙颗粒浓度及粒径与ADCP测量参数的关系模型，经多次率定可进行水体含沙量的监测。

5 结束语

ADCP作为一种先进的测速测流仪器，应用越来越广泛，所产生的社会和经济效益也越来越高。国产ADCP经过多年的研究，在产品系列化、小型化、多频组合方面得到了很大的发展，在海洋环境监测、水文水利等各领域得到了快速的应用；并拓展应用在内波监测、波浪测量、水体含沙量测量等领域。随着我国科研水平和生产制造能力的不断提升，国产 ADCP必将会取得更大的发展，将全面替代进口设备。