海洋技术▏深海船载走航式声学多普勒流速剖面仪

张同伟等溪流之海洋人生 2023-05-07

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一、引言

海洋约占地球表面积的71%，是地球上尚未被人类充分认识和利用的最大潜在资源基地。在海底及海洋中，蕴藏着极其丰富的生物资源及矿产资源。海洋中超过2000m水深的深海区占海洋面积的84%，因此，地球表面大部分是深海。

海流观测是海洋调查项目中物理海洋方面重要的观测要素。船载走航式声学多普勒流速剖面仪（ADCP）可以在船只走航过程中对经过海区的海流进行连续剖面观测，具有不扰动流场、测验历时短、测速范围大、充分利用航渡时间等特点，能最大限度地发挥现代大型综合科考船多功能综合性的特点。在各类水下移动平台作业环境保障领域，通过对作业海区海流情况进行精确测量和分析，为水下移动平台作业的开展提供基础海流资料，实现水下移动平台辅助调查研究，保障水下移动平台作业安全；在科学研究领域，它可在科考船执行任何航次过程中连续工作，不影响其他科考项目的作业，利用该设备进行长期的观测可以积累大量各海区现场海流资料，为海洋动力、气候变化和海洋生物化学等海洋过程研究提供不可或缺的基础数据。

本文首先介绍了声学多普勒流速剖面仪的基本原理，然后系统介绍了Teledyne RDI、Rowe Tech⁃nologies Inc.和杭州应用声学研究所等推出的3款典型深海船载走航式ADCP，最后展望了深海船载走航式ADCP的发展趋势。

二、声学多普勒流速剖面仪

ADCP 主要利用声学多普勒原理，通过分层海水中颗粒物质对声波的反射，测量各分层对应反射声波的多普勒频移。根据多普勒原理，发射声波与各分层对应散射回波之间的多普勒频移取决于反射体的运动速度，即

f_d＝2f_s(v/c)cos(θ) ⑴

其中，f_d为多普勒频移，f_s为发射声波的频率，v为海流相对速度，c为海水声速，θ为海流速度和声波波束之间的夹角。

在已知声波波束指向的情况下，通过测量发射声波和反射回波之间的多普勒频移，即可解算出ADCP和各分层对应散射体的相对速度的一个速度分量。ADCP一般采用4个波束来获得速度的三个分量，外加一个冗余信息。这种间接测量方法，不会对流场产生任何扰动，能一次测得一个剖面上若干层流速的三维分量和绝对方向。

相控阵ADCP是指利用波束形成的方法，通过对多阵元的发射声波进行时延或相移，获取Janus配置的4个波束。例如，在相邻水平阵列单元之间发射90°相位差的辐射信号，可以产生30°的波束。与传统活塞式换能器阵固定波束角相比，相控阵可以通过改变各阵元发射信号的相位或时延来灵活获得不同指向性的波束。

船载ADCP是指ADCP的换能器安装在船底，可以在船只走航过程中对经过海区的海流进行连续剖面观测。由于ADCP本身不具备测量功能，因此它需要读取船上姿态传感器的姿态信息。ADCP通常使用同步接口来读取纵摇、横摇和航向角等。此外，由于ADCP换能器和姿态传感器的分离式安装，在正式使用前需要通过海试对ADCP换能器的安装偏差进行校准。

三、深海船载走航式ADCP发展现状

目前国外深海船载走航式ADCP测量技术比较成熟，已经实现深海船载走航式ADCP的产品化和产业化。国际上主要的深海船载走航式ADCP生产厂商主要有Teledyne RDI、Rowe TechnologiesInc.和杭州应用声学研究所等3家公司。表1给出了3款典型深海船载走航式ADCP的对比。

表1 几款典型深海船载走航式ADCP对比

产品	Teledyne RDI OceanSurveryor 38	Rowe Technologies Inc. RTDA040	杭州应用声学研究所 SLC38
工作频率	38kHz	38kHz	37.5kHz
换能器类型	相控阵	相控阵	相控阵
剖面层数	1～128层	255层	1～128层
剖面层厚	16/24m/自选	16m	4/8/12/16/20/24/28/32m
流速观测精度	±1.0％±0.005m/s	±0.6％±0.002m/s	测量值×1％±0.01m/s
流向测量范围	0°～360°	-	0°～360°
剖面测量范围	大量程：800m～1000m 高精度：600m～730m	窄带高功率：1200m 宽带高功率：700m	800m～1000m
底跟踪深度	1700m	2000m	1700m
底跟踪精度	测量值×1％±0.01m/s	±0.6％±0.002m/s	测量值×1％±0.01m/s
数据输出	RS-232/RS-422	RS-232/RS-485	RS-232/RS-422/网口
换能器尺寸	Φ914mm×247mm	Φ790mm×137mm	Φ910mm×250mm

⒈Teledyne RDI公司的Ocean Surveryor 38

Ocean Surveryor是Teledyne RDI公司开发的船底安装走航式ADCP，它有三个工作频率可选，分别为38kHz，75kHz和150kHz。其中38kHz的Ocean Surveryor 38属于深海型ADCP，它同时支持宽带和窄带两种信号模式，提高了使用的便捷性；采用相控阵技术，大大减小了换能器的尺寸和重量；除流速剖面测量功能外，还具有后向散射剖面和多普勒计程仪的功能。Ocean Surveryor 38支持128个剖面层，海流剖面最大量程为1000m，最大底跟踪深度为1700m。图1给出了Teledyne RDI Ocean Surveryor 38声学多普勒流速剖面仪。

图1 Ocean Surveryor 38声学多普勒流速剖面仪

⒉Rowe Technologies Ins.公司的RTDA040

RTDA040是Rowe Technologies Ins.（RTI）公司推出了低频船载ADCP，它采用2-D平面相控阵换能器，实现多个测流波束脉冲发射。其工作频率为38kHz，在高功率发射模式，可以获得最大的量程，2000m水深时能够实现有效的底跟踪，同时流速剖面范围达1200m。对于单个频率，利用相控阵灵活的波束形成技术，最多可以发射9个波束，1个垂直的中央测深波束、4个15°和4个30°的流速剖面波束。垂直测深波束可以更好地测流水深，小开角流速剖面波束（15°）可以在深水以及复杂流场中获得良好的水流剖面数据，大开角流速剖面波束（30°）可以获得表层更精细的水流剖面数据。采用相控阵技术，RTDA040具有更小的体积，更轻的重量，同时它能获得到前所未有的流速剖面范围、流速精度和时间分辨率。图2给出了Rowe Technolo⁃gies RTDA040声学多普勒流速剖面仪。

图2 RTDA040声学多普勒流速剖面仪

⒊杭州应用声学研究所的SLC38

SLC38是杭州应用声学研究所开发的船载走航式ADCP，它由平面相控阵、信号处理单元、工控机、电缆和应用软件等组成，其中平面相控阵安装在船底，信号处理单元和工控机安装于实验室。平面相控阵和信号处理单元用换能器专用电缆连接，信号处理单元和工控机用通讯电缆连接，应用软件安装运行在工控机上。SLC38的工作频率为37.5kHz，具有宽带和窄带两种工作方式，速测量范围-10m/s～10m/s，流速剖面最大测量深度800m～1000m，底跟踪最大测量深度1700m。图3给出了SLC38 ADCP系统组成示意图。

图3 SLC38 ADCP组成示意图

四、深海船载走航式ADCP发展趋势

通过对国内外典型深海船载走航式ADCP的比较分析，以及参考其他一些系统，可以得出深海船载走航式ADCP的发展趋势是双频/多频联合探测、大深度海流流速测量和ADCP换能器安装偏差快速校准。

⒈双频/多频联合探测

船载走航式ADCP按工作频率可以分为38kHz、75kHz和150kHz，相应的流速剖面覆盖范围分别为1000m，700m和400m。其中38kHz ADCP的发射频率属于低频频段，主要用于深海海区海流流速流向的现场测量和分析；150kHz ADCP的发射频率属于中频频段，主要用于浅海海区或深海表层海流流速流向的现场测量和分析。目前国内外的大型综合科考船一般都装配两台同类型、不同频率的ADCP，用于不同海区的海流测量。如果能够在一个平面相控阵换能器上实现双频/多频联合探测，则相当于实现了两台/多台常规不同频率的AD⁃CP组合，可以获得更大量程和更精细的测量，同时节省了成本。

⒉大深度海流流速测量

在海洋中，超过2000m水深的深海区占海洋面积的84%。现有船载走航式ADCP的最大底跟踪距离为2000m，流速剖面测量范围为1000m。这意味着在深海大洋中，船载走航式ADCP只能获得1000m以内的流速剖面，而1000m以深的流场对于海洋研究同样具有重要意义。因此更大深度的海流流场测量是船载走航式ADCP未来的发展趋势。

⒊ADCP换能器安装偏差快速校准

船载走航式ADCP的换能器阵安装在船底，通常与姿态传感器分离式安装，不可避免地存在安装偏差，造成测速误差的引入，严重影响测流的性能。虽然借助外部GPS定位可以对安装偏差进行有效校正，但是随着时间的推移，特别是船舶进坞维修后，又会引入新的偏差，导致测流性能下降。因此，需要研究ADCP 换能器阵安装偏差校准技术，实现快速高效的校准。

五、结语

深海船载走航式ADCP是世界上最先进的海流流速、流量实时测量设备。在船只走航过程中，以垂直流速剖面反应经过海区的海流情况，实现海流剖面的快速有效探测，为海洋科学研究提供最基本的数据。

虽然世界上有多家公司和科研院所可以提供成熟的深海船载走航式ADCP，但是随着科学与技术的不断进步，人类对深海流速剖面探测技术也提出了越来越高的要求。通过对国内外典型深海船载走航式ADCP的比较分析，并结合深海调查的实际需求，可以得出深海船载走航式ADCP的发展趋势是：①双频/多频联合探测；②大深度海流流速测量；③ADCP换能器安装偏差快速校准。

【作者简介】本文作者/张同伟秦升杰唐嘉陵王向鑫李正光，分别来自国家深海基地管理中心、青岛海洋科学与技术国家实验室海洋地质过程与环境功能实验室和海洋观测与探测联合实验室；第一作者张同伟，男，博士，副研究员，研究方向为载人深潜、水下导航与定位和声学与声纳工程；本文为基金项目，青岛海洋科学与技术国家实验室开放基金项目（编号：QNLM2016ORP0406）、泰山学者工程专项经费（编号：TSPD20161007）、国家重点研发计划项目（编号：2017YFC0305700）、国家自然科学基金项目（编号：41641049）；山东省自然科学基金项目（编号：ZR2015EM005）、山东省重点研发计划项目（编号：2016GSF115006）；青岛市自主创新计划项目（编号：15-9-1-90-JCH）；文章来自《舰船电子工程》（2019年第2期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有，转载也请备注由“溪流之海洋人生”微信公众平台整理。