船载式测量中的测流原理

10.3.1　ADCP测流原理

从原理上讲，使用两个换能器就可以获得以测船为坐标系的水体流速与流向，加上测船的航速及航向，便可求得水体相对于大地的绝对流速及流向。但在实际船载式ADCP测量中大多采用4个换能器斜正交配置的ADCP系统，以便最大限度地减少测船航行给ADCP测量带来的误差。4个换能器斜正交配置的ADCP系统见图10-7。每个换能器波束与水平面的夹角为60°，相邻两个换能器波束的水平投影的夹角为90°。

安装在测船上，与ADCP系统轴线成一定倾角(一般为30°)的4个换能器既是发射器又是接收器。换能器发射的声波脉冲集中在较窄的波束范围内，每个换能器对应于一个波束，发射固定频率的声波脉冲，然后接收来自水体中的浮游生物、泥沙小颗粒物质等反射回来的声波脉冲，并假定水体中颗粒物质与水体流速相同。当颗粒物质的移动方向接近换能器时，换能器接收到的回波频率比发射频率高，而当颗粒物质的移动方向是背向换能器时，换能器接收到的回波频率比发射频率低。除此之外，回波强度还取决于声波脉冲在水中的传播、吸收、散射及ADCP的发射功率。通过四个换能器波束所测流速的相互关系即可确定沿水深各深度单元水体相对于ADCP(即测船)的三维(垂向、东/西、南/北)流速。

图10-7　4个换能器斜正交配置的ADCP系统

在ADCP坐标系下，每一个换能器波束方向上每一深度层上的水体的流速分量可以根据在该深度层水体上测得的声学多普勒频移来计算:

　　　　　　　　　　　V= cΔF_d/2F_s　　　　　　　(10-4)

式中:V为相对于测船的水体流速(即W= U+ V，其中U为船速，W为流速);ΔF_d为声学多普勒频移;F_s为发射声波脉冲频率;C为声波脉冲在水中的传播速度:

　　　　　　　　c= 1449.2+ 4.6T-5.5×10^-2 T²+ 2.9×10^-4 T³　　　　　　(10-5)

式中:T为换能器附近的水体温度。

ADCP的每个换能器轴线即为一个波束坐标，每个换能器测量的流速是沿其波束坐标方向的流速，任意三个换能器轴线组成一个相互独立的空间波束坐标系。另外，ADCP自身有直角坐标系(x，y，z)，其中的z方向与ADCP轴线一致。ADCP首先测出每一个波束坐标的流速，然后转换成(x，y，z)坐标系下的三维流速(V_x，V_y，V_z)。因为(x，y，z)是局部坐标系，利用罗盘仪和倾斜计提供的方向和倾斜角度，(x，y，z)坐标系下的流速(V_x，V_y，V_z)可以转换成大地坐标系下的三维流速(V_E，V_N，V_UP)。

利用不断发射的声波脉冲，确定一定的时间间隔及滞后，通过对多普勒频移和谱宽度的估算，便可确定整个水体剖面上各层水体的流速。