ADCP波束配制方法及性能分析

    0 引 言

    声学多普勒海流剖面仪(ADCP)是近20年来国际上迅速发展起来的新型海流剖面仪,目前已被国际海委会定为4种先进的海洋观测仪器之一。ADCP在海洋资源的勘探开采、海洋环境、气象的监测等方面的广泛应用对我国国民经济的发展具有十分重要的意义。ADCP利用多普勒原理,通过配制多个不同倾角的波束,合理选择波束的参数,就可以运用矢量合成原理得到三维流场。本文主要针对波束配制的方法、原则进行分析,给出适当的参数范围,同时分析了典型的三波束、四波束配制,介绍了五波束配制,给出性能比较的结论。

    1 声学多普勒海流剖面仪的测速原理[1-2]

    海洋中存在大量的散射体,如气泡、悬浮泥沙颗粒、浮游生物、鱼虾等,只要ADCP向海水介质发射声波,这些散射体就会对声波产生散射,从而形成体积混响。ADCP就是接收散射体产生的体积混响信号,通过分析体积混响信号的多普勒效应,从而测量海水的流速[1]。当频率为f0的声波在海水中传播时,有一部分能量被散射回来,这些回波信号经换能器接收,处理后可以测得其频率为fr。根据多普勒频移原理,只要声源(或接收器)与散射体之间有相对运动,则frXf0,其差值为fd,即

fd=fr-f0=2*f0*V* sinA/c。(1)

    其中,A为波束与垂直方向的夹角;V为声源(或接收器)的水平相对速度;c为声速。检测回波的频移可求得流速。

    图1为单波束测速示意图,当配制多个波束时在作用深度范围内,每个波束都能测得流速分量,多波束可测多个对海流分速度。然后通过矢量合成即可得到流速矢量。声学测速建立在3个假设之上:一是水里必须有微粒(声学散射体);二是微粒运动必须与水流速度有同样的统计规律;三是在几个波束照射的范围内流速均匀,因为不同的波束测量的是不同位置的海流速度,进行矢量合成的前提是各波束照射区的流速相同。

    2 波束倾角和波束宽度

    2.1 深度误差与波束倾角和波束宽度的关系

    深度误差与波束倾角和波束宽度的关系如图2所示。$Z为深度误差,$R为波束照射散射体的长度,经过推导可以得到如下关系:

    由上式可以看出,不论如何减小发射脉冲长度S,深度误差都大于0。但是减小波束宽度和波束倾角有利于提高深度测量的精度。

    2.2 波束倾角

    波束倾角的选择直接影响声学多普勒海流剖面仪的性能,当倾角A较小时,从式(1)可以看出,频移值fd随之减小,对于同样的频率测量误差,则波束倾角增大意味着相对误差增大。同时当波束倾角较小时,则波束间的相对夹角减小,此时一个波束的较大的旁瓣可能与另一个波束较大的旁瓣或主瓣部分重合,则一个波束照射的散射体的回波部分被另一个波束接收,这部分信号对于这路信号来说相当于噪声,从而影响其测量效果。当波束倾角增大时,将增大斜向换能器与测量水层的距离,信号在水中传播的距离越大,扩展和吸收损失均增大,回波强度减小,信噪比降低,导致测速精度降低,最大测量深度减小,同时倾角增大,波束照射的范围增大,则对流场均匀性的要求增大,而流场均匀只是一种理想化的情况,所以波束照射范围增大,测量的精度减小。基于以上原因,一般情况下,波束倾角取为30b。也可以根据实际的系统进行一定的调整。