声学多普勒流速剖面仪

声学多普勒水流剖面仪 (ADCP) 是一种类似于声纳的水声水流计，用于利用从水柱内的粒子散射回来的声波的多普勒效应来测量一定深度范围内的水流速度。 术语 ADCP 是所有声学电流剖面仪的通用术语，尽管该缩写起源于 RD Instruments 在 1980 年代推出的仪器系列。 ADCP 的工作频率范围从 38 kHz 到几兆赫兹。 在空中使用声音进行风速分析的设备称为 SODAR，其工作原理相同。

ADCP 包含用于传输和接收声音信号的压电换能器。 声波的传播时间给出了距离的估计。 回声的频移与沿声波路径的水流速度成正比。 要测量 3D 速度，至少需要三个光束。 在河流中，只有 2D 速度是相关的，ADCP 通常有两个波束。 近年来，ADCP 中增加了更多功能（特别是波浪和湍流测量），并且可以找到具有 2、3、4、5 甚至 9 个光束的系统。

ADCP 的其他组件包括电子放大器、接收器、测量行进时间的时钟、温度传感器、了解航向的罗盘和了解方位的俯仰/滚动传感器。 需要模数转换器和数字信号处理器对返回信号进行采样以确定多普勒频移。 温度传感器用于使用海水状态方程估计仪器位置处的声速，并使用它来估计频率偏移到水速的比例。 此过程假定盐度具有预先配置的常数值。 最后，将结果保存到内部存储器或在线输出到外部显示软件。

三种常用方法用于计算多普勒频移，从而计算沿声束的水流速度。 xxx种方法使用单色发射脉冲，称为非相干或窄带。 该方法稳健并提供优质的平均电流分布，但时空分辨率有限。 当发射脉冲由重复的编码元素组成时，该方法称为重复序列编码或宽带。 该方法将时空分辨率提高了 5 倍（典型值）。 在商业上，这种方法在 2011 年之前受到美国专利 5615173 的保护。脉冲到脉冲相干方法依赖于一系列发射脉冲，其中假定来自后续脉冲的回波不会相互干扰。 该方法仅适用于非常短的剖面范围，但相应的时空分辨率提高了 1000 数量级。

根据安装方式，可以区分侧视、下视和上视 ADCP。 底部安装的 ADCP 可以等间隔地测量电流的速度和方向，一直到表面。 侧向安装在河流或运河中的墙壁或桥桩上，它可以测量两岸之间的水流剖面。 在非常深的水中，它们可以从水面通过电缆下降。

主要用途是海洋学。 该仪器还可用于河流和运河，以连续测量流量。

安装在水柱内的系泊设备上或直接安装在海床上，可以进行水流和波浪研究。 它们一次可以在水下停留数年，限制因素是电池组的使用寿命。 根据部署的性质，仪器通常能够从岸上供电，使用相同的脐带电缆进行数据通信。 通过用锂电池组代替标准碱性电池组，部署时间可以延长三倍。

通过调整计算多普勒频移的窗口，可以测量仪器与底部之间的相对速度。 此功能称为底部跟踪。 该过程分为两部分； 首先从回声中确定底部的位置，然后从以底部位置为中心的窗口计算速度。 当 ADCP 安装在移动的船上时，可以从测得的水流速度中减去底部轨道速度。 结果是净电流曲线。 底轨为沿海地区的水流调查提供了基础。 在声学信号无法到达水底的深水中，船速是根据来自 GPS、陀螺仪等的速度和航向信息的更复杂组合来估算的。

在河流中，ADCP 用于测量总水运量。 该方法需要一艘侧面安装有 ADCP 的船只从一个岸边穿越到另一个岸边。