国内相控阵ADCP技术的开发研究

　　1 引言

　　声学多普勒海流剖面仪(ADCP)是利用海水反向散射信号的多普勒效应测量不同水层的海流速度，随着科学技术发展对海流测量要求的不断提高，快速、准确、实时、大范围测量海流是海流测量技术发展的主要方向。ADCP是海洋勘测领域的一项重要技术，目前已被国际海委会列为四种先进的海洋观测仪器之一。ADCP的研究始于70年代初，先后经历了以频谱分析为特征的窄带多普勒海流剖面仪(NBADCP)，和以发射伪随机编码脉冲对的相干处理为特征的宽带多普勒海流剖面仪(BBADCP)两个阶段。

　　目前国内广泛使用的ADCP是基于JANUS结构形式的窄带多普勒海流剖面仪，采用由3个或4个相同的换能器按一定的结构形成JANUS结构形式换能器阵。它的缺点是换能器阵的发射和接收旁瓣较大，换能器阵的体积大、重量重，由于波束指向性要求限制了工作频率的降低，从而难于测量较深海域的海流。RD公司在1995年首次推出型号为VM0038HP的38kHz宽带相控声学多普勒海流剖面仪，相控换能器阵由近千个阵元组成，相控形成4个所需的发射和接收波束。在国家海洋“863”计划课题的带动下，我们不仅研制出了相控阵，进行了相控原理的研究，而且自行开发了一套相控阵ADCP的原理样机，进行了实时处理的湖上试验。

　　2 ADCP的测流原理以及相控技术

　　窄带ADCP通过分析回波信号的多普勒频率变化，测量海流的流速。假定波源发射频率为f0单频信号，脉冲宽度T，波源相对于观察者的运动速度为u ，以c表示波在介质中的传播速度，则接收回波信号的多普勒频移为

　　宽带脉冲信号在有多普勒效应时还会发生脉冲宽度T的展压

　　宽带ADCP是利用一对宽带脉冲信号，通过测量该对脉冲信号的回波脉冲时间间隔变化来测量海流速度。为了测量海流的速度矢量，ADCP需要同时向海水介质发射四个波束的声波脉冲信号，每个声波脉冲的传播方向与垂线的夹角都为φ，如图1所示，ADCP沿这四个方向发射的声波波束结构称为JANUS结构。以前的ADCP产品同时采用4个相同的换能器阵，发射4个JANUS结构的波束。针对每个波束需要对于每个换能器的发射信号进行独立移相(或时间延迟)处理，其相位控制量为

　　式中，d为换能器之间的间距，Φ为波束倾角。

　　所谓相控阵技术是利用了波束形成的一种特殊情况即当d=λ/2，且Φ=30°时，由(3)式描述的相位控制量?只在 0°、90°、180°、270°四个数据之间变化(因此相控阵上千个阵元中相位独立的换能器为数并不多)。相控阵的优点是体积比常见的ADCP声阵要小得多，它的直径只有常见的ADCP声学换能器阵中一个换能器的直径。因而在相同尺寸的条件下，相控阵式ADCP的工作频率可以更低，从而它的测量深度更深。它的主要缺点是需要专门的发射和接收波束形成电路，另外换能器阵的设计制造要求也较高。