宽带声学多普勒流量剖面仪测试系统设计

    宽带声学多普勒海流剖面仪(BBADCP)是近20年来发展起来的一种新型遥测海流计。目前,国际海委会已将BBADCP定为4种先进的海洋观测仪器之一^[1]。 根据多普勒原理,用矢量合成法遥测海流的垂直剖面分布。它对流场不产生任何扰动,也不存在机械惯性和机械磨损等问题[1–2],能如实反映流场的真实结 构,实时地给出流场的垂直分布,应用广泛。但在使用前,对该剖面仪性能与功能测试较为困难,为了确定BBADCP系统是否处于良好状态,需要一套检测设备 判断BBADCP的性能状态。本设计正是针对目前国内尚无BBADCP专用的检测设备而进行的。

    1　BBADCP工作原理

    当频率为f₀的声波在海水中传播时,有一部分能量随海流而动的散射体散射回来,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f_r≠f₀,其差值f_d为^[3]

式中　α为波束的俯角;v为声源(或接收器)的水平相对速度;c为声速,如图1所示。虽然声波发射以后,向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,它与某些水层相对应,其关系式为

式中　D为水层深度;D_t为换能器下放深度;T为发射后的延迟时间;c_水为水中声速;A为波束与中垂线的夹角。

    检测不同时间信号的频偏,即可求得不同层的相对速度。同理,检测海底回波的频移可求得船的对地速度。

    四波束正交JANUS配置的声学多普勒流速剖面仪(ADCP),如图2所示。通常每个波束和水平面夹角为60°,相邻两波束水平投影的夹角为90°。在作用深度范围内,每个波束都能测得地速和水团速度分量,4波束可测4个对地分速度和对应于各层的4个水团分速度

    2　测试原理

    BBADCP测试的方法是模拟4个回波信号作用于BBADCP,而回波必须包括深度和速度信息,因此,回波信号的模拟主要包括深度模拟和速度模拟。

    2.1　深度模拟和测试

    发射信号到达不同深度的水流或海底,经反射回到发射换能器,经历了不同时间,深度模拟对应着回波信号相对发射信号的延时,由式(2),令D_t=0,A=30°,则可得

    由式(3)可得一定深度回波信号的延时,即测试信号所需的延时。通过设置回波信号相对于发射信号的延时,可实现对任意速度矢量的模拟,对比实际值和理论值,从而实现对BBADCP性能状态的判断。