宽带声学多普勒流速剖面仪作用距离估计

　　1 引 言

　　声学多普勒流速剖面仪(Acoustic Doppler Cur-rent Profile，ADCP)[1]是一种利用声学换能器所发射的声脉冲在随水流运动的悬浮物质中所产生的多普勒频移而进行流速测量的仪器。其突出特点是能 够测量不同水层的三维流速和流向，且对流场不产生任何扰动，可以真实地反映流场。具有测速时间短、测速精度高、回波信息丰富的特点，通过实验可以测量一个 剖面上数十至上百层水流速度，具有极高的测量效率，特别适合于流态复杂条件下的测量。然而在浅水池和一些自然河流中，由于反射物的密度太低，或者流速很小 的情况下，传统窄带声学多普勒流速剖面仪(NBADCP)就不适用了。

　　90 年代初发展起来的宽带声学多普勒流速剖面仪(Broadband Acoustic Doppler Current Profile，BBADCP)[2,3]克服了NBADCP空间分辨力与时间分辨力之间矛盾的缺点，解决了低速浅水河流流速精确测量的问题，也增大了 ADCP 的探测距离。在限定波束开角的情况下，换能器基阵尺寸与载波频率成反比，而载波频率又与 BBADCP 的最大作用距离是密切相关的。在限定的基阵尺寸下，得到最大的作用距离对确定 BBADCP 的使用范围很有意义。

　　本文从 BBADCP 的工作原理出发，通过主动声纳方程，分析了与 BBADCP 特性相关的深度单元厚度以及海水温度、工作频率等因素对作用距离的影响。理论计算结果与 RDI 公司的宽带声学多普勒流速剖面仪作用距离进行比较，作用距离范围吻合性很好。分析了 BBADCP 的误差影响因素，计算了深度单元厚度对测速精度的影响。对 BBADCP以及相关计程仪[4]、多普勒计程仪[5]和 NBADCP[6]的作用距离进行对比分析，得知在相同的工作频率下，相关计程仪的作用距离大于多普勒计程仪的作用距离，而 BBADCP 由于受本身发射信号脉宽的限制及回波信号散射对象的不同，作用距离小于多普勒计程仪，但大于 NBADCP 作用距离。

　　2 ADCP 工作原理

　　当频率为 f0的声波在海水中传播时，遇到海水中随海流一起运动的悬浮物质后散射回来，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，就有多普勒频移，f0≠fr，其差值 fd为：

式中：α 为波束的掠射角，ν 为声源(或接收器)的水平相对速度，c 为水中声速。通过准确地测定多普勒频移 fd，就能测定声源(或接收器)相对于海流的水平相对速度 ν。虽然声波发射以后散射返回的声信号是连续的，但从不同深度的水团返回的回波时间是不同的，通过时间门的划分就可以让声信号与某些水层(深度单元)相对 应，ADCP 的分层示意图如图 1 所示，这也是其与常规的机械式流速仪的不同之处，其关系式为：