■ 文 / 张同伟1，2，3 秦升杰1 唐嘉陵1 王向鑫1 李正光1
（1. 国家深海基地管理中心 青岛 266237）（2. 青岛海洋科学与技术国家实验室海洋地质过程与环境功能实验室 青岛266061）（3. 青岛海洋科学与技术国家实验室海洋观测与探测联合实验室 青岛 266237）
摘 要：船载走航式声学多普勒流速剖面仪可以对深海海流流速剖面进行连续、非接触式、高效率的走航式观测，为海洋科学研究提供最基本的数据资料。首先介绍了声学多普勒流速剖面仪的基本原理，然后系统介绍了Teledyne RDI、RoweTechnologies Inc.和杭州应用声学研究所等推出的深海船载走航式声学多普勒流速剖面仪，最后展望了深海船载走航式声学多普勒流速剖面仪的发展趋势是双频/多频联合探测、大深度海流流速测量和换能器安装偏差快速校准。
关键词：声学多普勒流速剖面仪；深海；走航式
中图分类号 P335 DOI：10. 3969/j. issn. 1672-9730. 2019. 02. 036
深海船载走航式声学多普勒流速剖面仪
01
引言
海洋约占地球表面积的71%，是地球上尚未被人类充分认识和利用的最大潜在资源基地。在海底及海洋中，蕴藏着极其丰富的生物资源及矿产资源。海洋中超过 2000m 水深的深海区占海洋面积的84%，因此，地球表面大部分是深海。
海流观测是海洋调查项目中物理海洋方面重要的观测要素。船载走航式声学多普勒流速剖面仪（ADCP）［1~5］可以在船只走航过程中对经过海区的海流进行连续剖面观测，具有不扰动流场、测验历时短、测速范围大、充分利用航渡时间等特点，能最大限度地发挥现代大型综合科考船多功能综合性的特点。在各类水下移动平台作业环境保障领域，通过对作业海区海流情况进行精确测量和分析，为水下移动平台作业的开展提供基础海流资料，实现水下移动平台辅助调查研究，保障水下移动平台作业安全；在科学研究领域，它可在科考船执行任何航次过程中连续工作，不影响其他科考项目的作业，利用该设备进行长期的观测可以积累大量各海区现场海流资料，为海洋动力、气候变化和海洋生物化学等海洋过程研究提供不可或缺的基础数据［6~8］。
本文首先介绍了声学多普勒流速剖面仪的基本原理，然后系统介绍了Teledyne RDI、Rowe Tech⁃nologies Inc.和杭州应用声学研究所等推出的 3 款典型深海船载走航式 ADCP，最后展望了深海船载走航式ADCP的发展趋势。
02
声学多普勒流速剖面仪
ADCP 主要利用声学多普勒原理［9~10］，通过分层海水中颗粒物质对声波的反射，测量各分层对应反射声波的多普勒频移。根据多普勒原理，发射声波与各分层对应散射回波之间的多普勒频移取决于反射体的运动速度，即
fd = 2fs(v c)cos(θ) （1）
其中，fd 为多普勒频移，fs 为发射声波的频率，v为海流相对速度，c 为海水声速，θ 为海流速度和声波波束之间的夹角。
在已知声波波束指向的情况下，通过测量发射声波和反射回波之间的多普勒频移，即可解算出ADCP 和各分层对应散射体的相对速度的一个速度分量。ADCP一般采用4个波束来获得速度的三个分量，外加一个冗余信息。这种间接测量方法，不会对流场产生任何扰动，能一次测得一个剖面上若干层流速的三维分量和绝对方向。
相控阵 ADCP是指利用波束形成的方法，通过对多阵元的发射声波进行时延或相移，获取 Janus配置的4个波束。例如，在相邻水平阵列单元之间发射 90°相位差的辐射信号，可以产生 30°的波束。与传统活塞式换能器阵固定波束角相比，相控阵可以通过改变各阵元发射信号的相位或时延来灵活获得不同指向性的波束。
船载 ADCP 是指 ADCP 的换能器安装在船底，可以在船只走航过程中对经过海区的海流进行连续剖面观测。由于ADCP本身不具备测量功能，因此它需要读取船上姿态传感器的姿态信息。ADCP通常使用同步接口来读取纵摇、横摇和航向角等。此外，由于ADCP换能器和姿态传感器的分离式安装，在正式使用前需要通过海试对ADCP换能器的安装偏差进行校准。
03
深海船载走航式ADCP发展现状
目前国外深海船载走航式 ADCP 测量技术比较成熟，已经实现深海船载走航式ADCP的产品化和产业化。国际上主要的深海船载走航式 ADCP生产厂商主要有 Teledyne RDI、Rowe TechnologiesInc.和杭州应用声学研究所等 3家公司。表 1给出了3款典型深海船载走航式ADCP的对比。
04
深海船载走航式ADCP发展趋势
通过对国内外典型深海船载走航式 ADCP 的比较分析，以及参考其他一些系统，可以得出深海船载走航式 ADCP 的发展趋势是双频/多频联合探测、大深度海流流速测量和ADCP换能器安装偏差快速校准。
4.1 双频/多频联合探测
船载走航式 ADCP 按工作频率可以分为 38kHz、75 kHz 和 150 kHz，相应的流速剖面覆盖范围分别为1000 m，700 m和400 m。其中38 kHz ADCP的发射频率属于低频频段，主要用于深海海区海流流速流向的现场测量和分析；150 kHz ADCP 的发射频率属于中频频段，主要用于浅海海区或深海表层海流流速流向的现场测量和分析。目前国内外的大型综合科考船一般都装配两台同类型、不同频率的 ADCP，用于不同海区的海流测量。如果能够在一个平面相控阵换能器上实现双频/多频联合探测，则相当于实现了两台/多台常规不同频率的AD⁃CP组合，可以获得更大量程和更精细的测量，同时节省了成本。
4.2 大深度海流流速测量
在海洋中，超过 2000 m 水深的深海区占海洋面积的 84%。现有船载走航式 ADCP 的最大底跟踪距离为 2000 m，流速剖面测量范围为 1000 m。这意味着在深海大洋中，船载走航式ADCP只能获得 1000 m 以内的流速剖面，而 1000 m 以深的流场对于海洋研究同样具有重要意义。因此更大深度的海流流场测量是船载走航式 ADCP 未来的发展趋势。
4.3 ADCP换能器安装偏差快速校准
船载走航式 ADCP的换能器阵安装在船底，通常与姿态传感器分离式安装，不可避免地存在安装偏差，造成测速误差的引入，严重影响测流的性能。虽然借助外部 GPS 定位可以对安装偏差进行有效校正，但是随着时间的推移，特别是船舶进坞维修后，又会引入新的偏差，导致测流性能下降。因此，需要研究 ADCP 换能器阵安装偏差校准技术，实现快速高效的校准。
05
结语
深海船载走航式 ADCP 是世界上最先进的海流流速、流量实时测量设备。在船只走航过程中，以垂直流速剖面反应经过海区的海流情况，实现海流剖面的快速有效探测，为海洋科学研究提供最基本的数据。
虽然世界上有多家公司和科研院所可以提供成熟的深海船载走航式 ADCP，但是随着科学与技术的不断进步，人类对深海流速剖面探测技术也提出了越来越高的要求。通过对国内外典型深海船载走航式ADCP的比较分析，并结合深海调查的实际需求，可以得出深海船载走航式ADCP的发展趋势是：1）双频/多频联合探测；2）大深度海流流速测量；3）ADCP换能器安装偏差快速校准。
本文整理自《舰船电子工程》期刊2019年第2期，转载请备注论文作者，说明文章来源，并备注由“智慧海洋公众交流平台”微信公众号整理。
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