深海船載走航式聲學(xué)多普勒流速剖面儀?

張同偉 秦升杰 唐嘉陵 王向鑫 李正光

（1.國(guó)家深?；毓芾碇行?青島 266237）（2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室海洋地質(zhì)過(guò)程與環(huán)境功能實(shí)驗(yàn)室 青島266061）（3.青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室海洋觀(guān)測(cè)與探測(cè)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室 青島 266237）

1 引言

海洋約占地球表面積的71%，是地球上尚未被人類(lèi)充分認(rèn)識(shí)和利用的最大潛在資源基地。在海底及海洋中，蘊(yùn)藏著極其豐富的生物資源及礦產(chǎn)資源。海洋中超過(guò)2000m水深的深海區(qū)占海洋面積的84%，因此，地球表面大部分是深海。

海流觀(guān)測(cè)是海洋調(diào)查項(xiàng)目中物理海洋方面重要的觀(guān)測(cè)要素。船載走航式聲學(xué)多普勒流速剖面儀（ADCP）［1～5］可以在船只走航過(guò)程中對(duì)經(jīng)過(guò)海區(qū)的海流進(jìn)行連續(xù)剖面觀(guān)測(cè)，具有不擾動(dòng)流場(chǎng)、測(cè)驗(yàn)歷時(shí)短、測(cè)速范圍大、充分利用航渡時(shí)間等特點(diǎn)，能最大限度地發(fā)揮現(xiàn)代大型綜合科考船多功能綜合性的特點(diǎn)。在各類(lèi)水下移動(dòng)平臺(tái)作業(yè)環(huán)境保障領(lǐng)域，通過(guò)對(duì)作業(yè)海區(qū)海流情況進(jìn)行精確測(cè)量和分析，為水下移動(dòng)平臺(tái)作業(yè)的開(kāi)展提供基礎(chǔ)海流資料，實(shí)現(xiàn)水下移動(dòng)平臺(tái)輔助調(diào)查研究，保障水下移動(dòng)平臺(tái)作業(yè)安全；在科學(xué)研究領(lǐng)域，它可在科考船執(zhí)行任何航次過(guò)程中連續(xù)工作，不影響其他科考項(xiàng)目的作業(yè)，利用該設(shè)備進(jìn)行長(zhǎng)期的觀(guān)測(cè)可以積累大量各海區(qū)現(xiàn)場(chǎng)海流資料，為海洋動(dòng)力、氣候變化和海洋生物化學(xué)等海洋過(guò)程研究提供不可或缺的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)［6～8］。

本文首先介紹了聲學(xué)多普勒流速剖面儀的基本原理，然后系統(tǒng)介紹了Teledyne RDI、Rowe Technologies Inc.和杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所等推出的3款典型深海船載走航式ADCP，最后展望了深海船載走航式ADCP的發(fā)展趨勢(shì)。

2 聲學(xué)多普勒流速剖面儀

ADCP主要利用聲學(xué)多普勒原理［9～10］，通過(guò)分層海水中顆粒物質(zhì)對(duì)聲波的反射，測(cè)量各分層對(duì)應(yīng)反射聲波的多普勒頻移。根據(jù)多普勒原理，發(fā)射聲波與各分層對(duì)應(yīng)散射回波之間的多普勒頻移取決于反射體的運(yùn)動(dòng)速度，即

其中，fd為多普勒頻移，fs為發(fā)射聲波的頻率，v為海流相對(duì)速度，c為海水聲速，θ為海流速度和聲波波束之間的夾角。

在已知聲波波束指向的情況下，通過(guò)測(cè)量發(fā)射聲波和反射回波之間的多普勒頻移，即可解算出ADCP和各分層對(duì)應(yīng)散射體的相對(duì)速度的一個(gè)速度分量。ADCP一般采用4個(gè)波束來(lái)獲得速度的三個(gè)分量，外加一個(gè)冗余信息。這種間接測(cè)量方法，不會(huì)對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生任何擾動(dòng)，能一次測(cè)得一個(gè)剖面上若干層流速的三維分量和絕對(duì)方向。

相控陣ADCP是指利用波束形成的方法，通過(guò)對(duì)多陣元的發(fā)射聲波進(jìn)行時(shí)延或相移，獲取Janus配置的4個(gè)波束。例如，在相鄰水平陣列單元之間發(fā)射90°相位差的輻射信號(hào)，可以產(chǎn)生30°的波束。與傳統(tǒng)活塞式換能器陣固定波束角相比，相控陣可以通過(guò)改變各陣元發(fā)射信號(hào)的相位或時(shí)延來(lái)靈活獲得不同指向性的波束。

船載ADCP是指ADCP的換能器安裝在船底，可以在船只走航過(guò)程中對(duì)經(jīng)過(guò)海區(qū)的海流進(jìn)行連續(xù)剖面觀(guān)測(cè)。由于ADCP本身不具備測(cè)量功能，因此它需要讀取船上姿態(tài)傳感器的姿態(tài)信息。ADCP通常使用同步接口來(lái)讀取縱搖、橫搖和航向角等。此外，由于ADCP換能器和姿態(tài)傳感器的分離式安裝，在正式使用前需要通過(guò)海試對(duì)ADCP換能器的安裝偏差進(jìn)行校準(zhǔn)。

3 深海船載走航式ADCP發(fā)展現(xiàn)狀

目前國(guó)外深海船載走航式ADCP測(cè)量技術(shù)比較成熟，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)深海船載走航式ADCP的產(chǎn)品化和產(chǎn)業(yè)化。國(guó)際上主要的深海船載走航式ADCP生產(chǎn)廠(chǎng)商主要有Teledyne RDI、Rowe Technologies Inc.和杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所等3家公司。表1給出了3款典型深海船載走航式ADCP的對(duì)比。

表1 幾款典型深海船載走航式ADCP對(duì)比［11～13］

3.1 Teledyne RDI公司的Ocean Surveryor 38

Ocean Surveryor是Teledyne RDI公司開(kāi)發(fā)的船底安裝走航式ADCP，它有三個(gè)工作頻率可選，分別為 38 kHz，75kHz和 150 kHz。其中 38 kHz的Ocean Surveryor 38屬于深海型ADCP，它同時(shí)支持寬帶和窄帶兩種信號(hào)模式，提高了使用的便捷性；采用相控陣技術(shù)，大大減小了換能器的尺寸和重量；除流速剖面測(cè)量功能外，還具有后向散射剖面和多普勒計(jì)程儀的功能。Ocean Surveryor 38支持128個(gè)剖面層，海流剖面最大量程為1000 m，最大底跟蹤深度為1700 m。圖1給出了Teledyne RDI Ocean Surveryor 38聲學(xué)多普勒流速剖面儀。

圖1 Ocean Surveryor 38聲學(xué)多普勒流速剖面儀

3.2 Rowe Technologies Ins.公司的RTDA040

RTDA040是Rowe Technologies Ins.（RTI）公司推出了低頻船載ADCP，它采用2-D平面相控陣換能器，實(shí)現(xiàn)多個(gè)測(cè)流波束脈沖發(fā)射。其工作頻率為38 kHz，在高功率發(fā)射模式，可以獲得最大的量程，2000 m水深時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)有效的底跟蹤，同時(shí)流速剖面范圍達(dá)1200 m。對(duì)于單個(gè)頻率，利用相控陣靈活的波束形成技術(shù)，最多可以發(fā)射9個(gè)波束，1個(gè)垂直的中央測(cè)深波束、4個(gè)15°和4個(gè)30°的流速剖面波束。垂直測(cè)深波束可以更好地測(cè)流水深，小開(kāi)角流速剖面波束（15°）可以在深水以及復(fù)雜流場(chǎng)中獲得良好的水流剖面數(shù)據(jù)，大開(kāi)角流速剖面波束（30°）可以獲得表層更精細(xì)的水流剖面數(shù)據(jù)。采用相控陣技術(shù)，RTDA040具有更小的體積，更輕的重量，同時(shí)它能獲得到前所未有的流速剖面范圍、流速精度和時(shí)間分辨率。圖2給出了Rowe Technologies RTDA040聲學(xué)多普勒流速剖面儀。

3.3 杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所的SLC38

SLC38是杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所開(kāi)發(fā)的船載走航式ADCP，它由平面相控陣、信號(hào)處理單元、工控機(jī)、電纜和應(yīng)用軟件等組成，其中平面相控陣安裝在船底，信號(hào)處理單元和工控機(jī)安裝于實(shí)驗(yàn)室。平面相控陣和信號(hào)處理單元用換能器專(zhuān)用電纜連接，信號(hào)處理單元和工控機(jī)用通訊電纜連接，應(yīng)用軟件安裝運(yùn)行在工控機(jī)上。SLC38的工作頻率為37.5 kHz，具有寬帶和窄帶兩種工作方式，速測(cè)量范圍-10m/s～10m/s，流速剖面最大測(cè)量深度800m～1000 m，底跟蹤最大測(cè)量深度1700 m。圖3給出了SLC38 ADCP系統(tǒng)組成示意圖。

圖2 RTDA040聲學(xué)多普勒流速剖面儀

圖3 SLC38 ADCP組成示意圖

4 深海船載走航式ADCP發(fā)展趨勢(shì)

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外典型深海船載走航式ADCP的比較分析，以及參考其他一些系統(tǒng)，可以得出深海船載走航式ADCP的發(fā)展趨勢(shì)是雙頻/多頻聯(lián)合探測(cè)、大深度海流流速測(cè)量和ADCP換能器安裝偏差快速校準(zhǔn)。

4.1 雙頻/多頻聯(lián)合探測(cè)

船載走航式ADCP按工作頻率可以分為38 kHz、75 kHz和150 kHz，相應(yīng)的流速剖面覆蓋范圍分別為1000 m，700 m和400 m。其中38 kHz ADCP的發(fā)射頻率屬于低頻頻段，主要用于深海海區(qū)海流流速流向的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和分析；150 kHz ADCP的發(fā)射頻率屬于中頻頻段，主要用于淺海海區(qū)或深海表層海流流速流向的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和分析。目前國(guó)內(nèi)外的大型綜合科考船一般都裝配兩臺(tái)同類(lèi)型、不同頻率的ADCP，用于不同海區(qū)的海流測(cè)量。如果能夠在一個(gè)平面相控陣換能器上實(shí)現(xiàn)雙頻/多頻聯(lián)合探測(cè)，則相當(dāng)于實(shí)現(xiàn)了兩臺(tái)/多臺(tái)常規(guī)不同頻率的ADCP組合，可以獲得更大量程和更精細(xì)的測(cè)量，同時(shí)節(jié)省了成本。

4.2 大深度海流流速測(cè)量

在海洋中，超過(guò)2000 m水深的深海區(qū)占海洋面積的84%?，F(xiàn)有船載走航式ADCP的最大底跟蹤距離為2000 m，流速剖面測(cè)量范圍為1000 m。這意味著在深海大洋中，船載走航式ADCP只能獲得1000 m以?xún)?nèi)的流速剖面，而1000 m以深的流場(chǎng)對(duì)于海洋研究同樣具有重要意義。因此更大深度的海流流場(chǎng)測(cè)量是船載走航式ADCP未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

4.3 ADCP換能器安裝偏差快速校準(zhǔn)

船載走航式ADCP的換能器陣安裝在船底，通常與姿態(tài)傳感器分離式安裝，不可避免地存在安裝偏差，造成測(cè)速誤差的引入，嚴(yán)重影響測(cè)流的性能。雖然借助外部GPS定位可以對(duì)安裝偏差進(jìn)行有效校正，但是隨著時(shí)間的推移，特別是船舶進(jìn)塢維修后，又會(huì)引入新的偏差，導(dǎo)致測(cè)流性能下降。因此，需要研究ADCP換能器陣安裝偏差校準(zhǔn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)快速高效的校準(zhǔn)。

5 結(jié)語(yǔ)

深海船載走航式ADCP是世界上最先進(jìn)的海流流速、流量實(shí)時(shí)測(cè)量設(shè)備。在船只走航過(guò)程中，以垂直流速剖面反應(yīng)經(jīng)過(guò)海區(qū)的海流情況，實(shí)現(xiàn)海流剖面的快速有效探測(cè)，為海洋科學(xué)研究提供最基本的數(shù)據(jù)。

雖然世界上有多家公司和科研院所可以提供成熟的深海船載走航式ADCP，但是隨著科學(xué)與技術(shù)的不斷進(jìn)步，人類(lèi)對(duì)深海流速剖面探測(cè)技術(shù)也提出了越來(lái)越高的要求。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外典型深海船載走航式ADCP的比較分析，并結(jié)合深海調(diào)查的實(shí)際需求，可以得出深海船載走航式ADCP的發(fā)展趨勢(shì)是：1）雙頻/多頻聯(lián)合探測(cè)；2）大深度海流流速測(cè)量；3）ADCP換能器安裝偏差快速校準(zhǔn)。