Акустический доплеровский профилограф тока - Acoustic Doppler current profiler
An акустический доплеровский профилограф тока (ADCP) это гидроакустический измеритель тока похожий на сонар, используется для измерения течение воды скорости в диапазоне глубин с помощью Эффект Допплера из звуковые волны рассеивается 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-е гг. Диапазон рабочих частот ADCP от 38кГц нескольким Мегагерцы. Устройство, используемое в воздухе для определения профиля скорости ветра с помощью звука, известно как СОДАР и работает по тем же основным принципам.
Принцип работы
ADCP содержат пьезоэлектрический 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 функциональных возможностей (в частности, измерения волн и турбулентности), и теперь можно найти системы с 2,3,4,5 или даже 9 лучами.
Другие компоненты ADCP - это электронный усилитель, а приемник, часы для измерения времени в пути, Датчик температуры, компас для определения курса и датчик тангажа / крена для определения ориентации. An аналого-цифровой преобразователь и цифровой сигнальный процессор требуются для выборки возвращаемого сигнала для определения Доплеровский сдвиг. А температура датчик используется для оценки скорость звука в позиции инструмента с помощью уравнение состояния морской воды, и использует это для оценки сдвига частоты в зависимости от скорости воды. Эта процедура предполагает, что соленость имеет предварительно настроенное постоянное значение. Наконец, результаты сохраняются во внутренней памяти или выводятся в интерактивном режиме на внешний дисплей.
Методы обработки
Для расчета доплеровского сдвига и, следовательно, скорости воды вдоль акустических лучей используются три общих метода. Первый метод использует монохроматический импульс передачи и называется "бессвязный " или же "узкополосный ". Метод является надежным и обеспечивает хорошее качество профилей среднего тока, но имеет ограниченное пространственно-временное разрешение. Когда передаваемый импульс состоит из кодированных элементов, которые повторяются, метод называется" кодированием повторяющейся последовательности "[1] или «широкополосный». Этот метод улучшает пространственно-временное разрешение в 5 раз (типично). Коммерчески этот метод был защищен патентом США.[2] 5615173 до 2011 года. Отимпульсный когерентный метод.[3] 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.
Приложения
В зависимости от способа монтажа можно различать ADCP с боковым, направленным вниз и вверх. Установленный снизу ADCP может измерять скорость и направление течений с равными интервалами на всем пути к поверхности. Установленный сбоку на стене или мосте, насыпанном на реках или каналах, он может измерять текущий профиль от берега к берегу. В очень глубокой воде их можно спускать на тросах с поверхности.
Основное использование для океанография.[4] Инструменты также можно использовать в реки и каналы постоянно измерять увольнять.
Установлен на причалы в толще воды или непосредственно на морском дне могут проводиться исследования течений и волн. Они могут оставаться под водой годами, ограничивающим фактором является срок службы аккумуляторной батареи. В зависимости от характера развертывания инструмент обычно может получать питание от берега, используя тот же шлангокабель для передачи данных. Продолжительность развертывания можно увеличить в три раза, заменив литиевые аккумуляторные батареи для стандартных щелочных пакетов.
Нижнее отслеживание
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, гироскоп, так далее.
Измерения разряда
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.
DVL
Для подводных аппаратов функция слежения за дном может использоваться как важный компонент в навигационных системах. В этом случае скорость транспортного средства совмещается с начальной определение положения, компас или гироскоп Заголовок, и данные из датчик ускорения. Набор датчиков объединен (обычно с помощью Фильтр Калмана ), чтобы оценить положение автомобиля. Это может помочь в навигации на подводных лодках, автономный, и дистанционно управляемые подводные аппараты.
Волновые измерения
Некоторые ADCP можно настроить для измерения поверхности высота волны и направление. 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.[5]
Турбулентность
ADCP с когерентной обработкой от импульса к импульсу могут оценивать скорость с точностью, необходимой для определения мелкомасштабного движения. Как следствие, можно оценить бурный параметры из правильно настроенных ADCP. Типичный подход заключается в подгонке продольной скорости пучка к Конфигурация конструкции Колмогорова и тем самым 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 из-под поверхности. буи.
Преимущества и недостатки
Два основных преимущества ADCP - это отсутствие движущихся частей, подверженных воздействию биообрастание и дистанционное зондирование аспект, где один стационарный прибор может измерять профиль тока на дальностях, превышающих 1000 м. Эти функции позволяют проводить длительные измерения Океанские течения над значительной частью водной толщи. С самого начала в середине 1980-х годов в Мировом океане использовались многие тысячи ADCP, и этот инструмент сыграл значительную роль в нашем понимании мира. циркуляция океана.
Главный недостаток ADCP - потеря данных близко к границе. Этот механизм, часто называемый боковой лепесток Интерференция покрывает 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 меньше стоимости корабля, необходимого для обеспечения безопасного и профессионального развертывания.
Как любой акустический инструмент, ADCP способствует шумовое загрязнение в океане, который может мешать китообразный навигация и эхолокация.[6] Эффект зависит от частоты и мощности прибора, но большинство ADCP работают в диапазоне частот, в котором шумовое загрязнение не считается серьезной проблемой.
Рекомендации
- ^ «Кодирование повторяющейся последовательности для повышения точности доплеровского сонара и Содара, Р. Пинкел и Дж. А. Смит». Журнал атмосферных и океанических технологий. 9: 149. 1992. Дои:10.1175 / 1520-0426 (1992) 009 <0149: RSCFIP> 2.0.CO; 2. ISSN 1520-0426.
- ^ «Акустический доплеровский профилограф тока, патент США 5615173».
- ^ «Методы обработки сигналов от импульсного когерентного доплеровского сонара, Роджер Лермитт». Журнал атмосферных и океанических технологий. 1: 293. 1984. Дои: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. Gulf Professional Publishing. п. 83. ISBN 978-0-444-50757-0. Получено 2011-02-06.
- ^ «Система и метод определения направленных и ненаправленных волн и течений в жидкости». Патентное бюро США.
- ^ Хоган, С. Майкл (октябрь 2011 г.). "Иконка-энциклопедия земных тем". Вашингтон, округ Колумбия: Коалиция экологической информации, Национальный совет по науке и окружающей среде.. Получено 2012-09-13.
