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ADCP原理
ADCP原理（总22页）
1说明
这是声学多普勒流速剖面仪操作规则的第二版本：
这是一个实际性的突破。
第一版本主要介绍了窄带声学流速剖面仪。
从那时开始，TeledyneRDI公司就已经介绍了宽带ADCP,并且最近在工作室越来越多的采用这种技术。
这一版本的修正反映了由宽带技术所引起的变化。
这个突破是基础性原则和实际信息的结合，而要理解宽带ADCPs如何工作和怎么使用它们正需要这些基础性原则和实际的信息。
这个突破将介绍一些基本的概念，它适用于大部分所介绍的规则，这些规则只能浅薄的处理它们。
要想进一步的学习，我们推荐使用在书目中所列的参考书目。
TeledyneRDI公司的历史
TeledyneRDI公司坐落在CASanDiego，专门从事水下声学多普勒产品的设计和制造，这种设备大量应用于水流剖面和精确导航。
本公司的前身是RDI公司，这个公司由FranRowe和KentDeines在1982年创建。
这个公司的成立是第一个声学多普勒流速剖面仪工业发展的结果。
这个变革性的装置能够对水下的128个独立的监测点阵列进行剖面水流测量。
多年之后，RDI公司通过对新产品的发展、高级数据的质量和最高水平的服务质量和服务支持提供坚定的承诺，使它在工业中经历了稳步的发展并保持主导地位。
在2005年8月，RDI公司被Teledyne科技公司收购，而现在它作为Teledyne科技有限公司的间接子公司来运作。
在这些成就的基础上，这个公司的名字变为
TeledyneRDI公司。
这个公司现在雇佣了200多个受过多种训练的科学家、工程师、销售人员和支持人员；拥有30,000平方英尺的符合ISO-9001:
2000标准的设施，其中包括先进的工程技术，实验室，制造业和质量检测区。
ADCP的历史
ADCPs的前身是多普勒计程仪，即测量船在水上或海底的速度。
第一个商业ADCP在1970’s中期制造。
它是一个商业性计程仪的改编。
为了更精确地测量水流的速度和能在超过一定深度剖面的单元内测量，人们重新设计速率日志。
因此，第一个船上的ADCP装置诞生了。
1982年，TRDI制造了它们的第一个ADCP。
它是一个独立的装置，设计的目的是能在靠电池供电的部署中长久的应用。
1983年，TRDI制造了他们的第一个船上的ADCP装置。
到1986年，TRDI已经有五种不同频率（75-1200kHz），还有三种不同的ADCP模式（独立式、船上固定安装式和直读式）。
这些年随着机器的发展，多普勒信号的处理已经有了很大发展。
计程仪采用相对简单的带有锁相回路或相似方法的处理器。
这种处理器现在仍然用在某些商业计程仪中。
第一代ADCP采用窄带，单脉冲和自相关的方法，这个方法计算出了多普勒频谱的第一个时刻。
这种方法第一次被海洋学家用于水流流速测量。
它已经被由宽带信号处理和更精确地方法代替了。
宽带ADCPs
1991年，TRDI开始推出它的第一个宽带ADCPs的产品模型。
这个宽带方法（专门从5,208,785和5,343,443之间）能使ADCPs充分利用信号的频带宽度来测量声速。
更大的带宽可以给宽带ADCP更多的信息去测量声速。
采用典型带宽100倍的时候，与窄带ADCPs相比较宽带ADCPs偏差也减少接近100倍。
合适的地方是这些不同将被记录下来。
2多普勒效应和径向水流速度
这部分介绍了多普勒效应和如何利用多普勒效应在不同的物体间测量相对的水流速速。
我们将通过基本的数学方程式说明，这些方程式关系到声速的多普勒频移。
多普勒效应在观测到的音效程度中有一个变化，这是相对运动的结果。
多普勒效应的一个例子就是当火车经过时的声音变化（Figure1）。
当火车靠近的时候，鸣笛有一个较高的音节，而火车远离你的时候则音节较低。
这个音节的变化与火车的移动速度直接成比例。
因此，如果你测量这个音节和它如何变化，你就能计算出火车的速度。
当火车经过时的多普勒频移
声音
声音由空气、水和固体中的压力波组成。
声波在很多方面与浅海波是相似的。
参照Figure2，下面是我们将用到的一些定义：
⑴波—水波的波峰和波谷分别对应着高低水位。
声波的“波峰”和“波谷”包括高低气压的频段。
⑵波长—两个连续波峰之间的距离。
⑶频率—单位时间内经过的波峰的数量
⑷声速—波从一个地方传播或移动到另一个地方的速度。
声速=频率×波长
C=fλ
（Example,1500m/s=300,000Hz×5mm）
多普勒效应
假设你在水边观察经过你的波浪（Figure3）。
当你站着不动时，在给定的时间间隔内你会看到有八个波浪经过你（Figure3a）。
而现在如果你开始沿着波浪行走（Figure3b），在相同的时间间隔内经过你的波浪会多于八个。
因此，这个波的频率看起来较高。
如果你沿着另一个方向走，在相同的时间间隔内经过的波浪会少于八个，相应的频率看起来就低。
这就是多普勒效应。
当你站着不动听到的频率和移动时听到的频率差就是多普勒频移。
如果你站着不动听到的频率是10kHz，那么通过声源开始移动时听到的频率是10.1kKz，所以多普勒频移是0.1kKz。
在这种情况下，多普勒频移的方程式是：
在这里：
①
是多普勒频移。
②
是静止时的声频。
③V是声源和声音接收器之间的相对速度（当你走向声源时的m/s；）。
④C是声速（m/s）。
注意以下问题：
⑴如果你走的快的话，多普勒频移就会增加。
⑵如果你远离声源，多普勒频移会减小。
⑶如果声音的频率增加，多普勒频移会增加。
⑷如果声速增加，多普勒频移会减小。
ADCPs如何用回声测量速度
ADCPs采用多普勒效应以固定的频率向水中发射声波然后听它从声散射体返回的回声。
这些声散射体是一些小粒子或浮游生物，他们把声音返回到ADCP。
在海洋中散射的粒子到处都有。
他们悬浮在水中，通常速度跟水流的水平速度保持一致。
Figure4展示了海洋中一些典型的散射粒子。
来源于散射粒子的声散射体在各个方向都有（Figure5）。
大部分声脉冲向前传播，不受散射粒子的影响。
反射回来的小数量的声脉冲是多普勒频移。
在ADCP和散射粒子之间，当声散射体远离ADCP时，由于我们听到的声脉冲的频率与相对速度成一定比例减少从而使多普勒频移发生改变（Figure6a）。
这个回声好像出现在ADCP就好像散射粒子是声源（Figure6b）;ADCP就会第二次听到反向散射声音的多普勒频移。
因为ADCP既能发射声波又能接受声波，所以多普勒频移是双向的，可变的。
利用多普勒效应测量相对的、径向的运动
径向运动就是声源和接收器靠近或远离时的运动，只有在这种情况下才发生多普勒频移。
一方面，角运动改变了声源和接收器之间的方向而没有改变它们之间的距离。
因此，角运动没有引起多普勒频移。
角运动和径向运动对多普勒频移影响的不同在Figure7中明确告知。
Figure7．多普勒频移仅依赖于径向运动。
观察者A静止没有观察到多普勒频移。
观察者B,C,和D都以相同的速度运动。
观察者B向声源运动（也就是径向地），能看到最大的多普勒频移。
相反观察者D垂直（也就是有角度地）地向声源运动根本看不到多普勒频移。
观察者C与声源成一角度运动（小于90度）看到的多普勒频移比观察者B要少。
对径向部分多普勒频移的限制只需要往（3）式中增加一个新的项，cos（A）：
这里的A是指ADCP和散射粒子之间的水平线和矢量相对速度之间的角度（Figure8）。
Figure8.矢量相对速度。
ADCP仅测量与声束平行的速度部分。
A是声束和水速之间的角度。
3宽带多普勒处理
迄今为止，我们已经根据频率的变化看到了多普勒处理过程。
尽管在数学上是等价的，但宽带多普勒处理方法比根据时间扩张更容易理解，也就是说，应当适时的按照信号的变化而不是频率的变化。
这一部分介绍了宽带信号处理的规则。
多普勒时间扩张
要想理解时间扩扩张，先考虑一下声音从单个粒子的散射。
从声脉冲传播到这个粒子的回声总是一样的，就好像这个粒子根本没有运动。
在Figure9A中
说明了这个结果。
如果把这个粒子稍微远离一点发射源（Figure9B），你就会看到由于声音来来回回的运动所以需要的时间就长一点。
如果把粒子移动的更远，则它需要的时间就更长（Figure9C）。
由距离变化引起的移动时间的变化叫做传播延迟。
Figure9.传播延迟和相变化是由散射粒子的偏转引起的。
当粒子远离声源时回声将被延迟——这就叫做传播延迟。
传播延迟改变了回声的相对相位。
当粒子保持静止的时候来自单个粒子的回声看起来是一样的——没有传播延迟。
回声有相同的相对相位，这就意味着零相位变化。
两个回声相互叠加：
第二条回声比第一条回声返回时所需要的时间长因为这个粒子远离了发射源，因此与第一条回声相比它延迟了。
这个用虚线表示的延迟的回声相对第二条有40o的相位延迟。
第二条回声是例子（B）中延迟时间的十倍，因为这个粒子移动的距离大约是B中移动距离的十倍。
这个更长的传播延迟对应着400o的相位变化。
时间扩张的规则很简单：
当粒子离传感器的距离越远，声音来来回回的传播所需要的时间就越长。
传播时间的变化或者是传播延迟与距离的变化的是对应的。
如果你测量传播延迟，并且已知声速，你就能知道这个粒子移动了多远。
如果你知道这两个时间脉冲之间的时间间隔，你也能计算出粒子的速度。
相位
相位是一个既方便又精确的测量传播延迟的方式。
宽带ADCPs利用相位来决定时间扩张。
要想理解相位可以考虑一下钟表的指针。
时针旋转一圈对应着360°的相位。
一个正弦信号的完整周期（从一个峰值到下一个之间的时间）对应着360°的相位。
因此，在第一条回声和第二条之间的相位不同粗略的在Figure9中表示为（A）0°（B）40°（C）400°这些不同的相位完全与粒子的位移成比例。
时间扩张和多普勒频移
Figure10展示了频移和时间扩张是等价的。
Figure10A中展示的是来自从单个粒子返回的两个相距很近的脉冲的回声。
相反，如果粒子远离传感器（Figure10B），则两个回声脉冲之间的时间将增加。
这是因为当第二条回声到达粒子的时候，这个粒子已经远离了传感器。
因此，这个声波来来回回的传播所需要的时间长。
Figure10.时间扩张和多普勒频移。
（A）和（B）比较了来自静止和移动粒子的回声脉冲。
（C）和（D）说明了：
对于回声来说，来自连续正弦信号的回声与（A）和（B）中两个短脉冲之间的持续时间是一样的。
虚线表明了对于两个脉冲来说平铺与正弦是一样的。
相同的效果也适用于正弦脉冲（Figs.10Cand10D）。
当正弦脉冲的最后一个时刻到达粒子的时候这个粒子已经远离传感器了。
这就拉伸了回声，改变了回声的频率，因此引起了多普勒频移。
许多多普勒声波定位仪直接测量频移。
宽带ADCPs利用时间扩张来测频移，这个方法主要是通过测量连续脉冲到达时间的变化而获得。
事实上，即使不同的测量方法涉及到不同的方式，他们在数学上是等价的。
TRDI的程师利用相位来测量时间扩张而不是利用测量频率的变化，因为相位给他们提供了更精确的多普勒测量。
相位测量和非单值性
相位测量的问题是相位只能在0-360o之间的范围内测量。
一旦相位超过360o，它又会在0o重新开始。
一旦考虑电子相位的测量回路，40°和400°是一样的（400度=360度+40度）。
为了理解这一点，重新考虑一下时钟的指针。
如果一个钟表只有一个分针，你能估计时间的精确度是分钟，但是你不能确定是哪个小时。
另一方面，如果只有时针，你能知道是哪个小时，但是你的时间精确度要比一分钟粗略的多。
为了获得声速的精确测量值，工程师想要对声速变化敏感的相位进行测量，就像分针对时间的变化很敏感一样。
但是接下来就应该设计一种方式，这种方式与钟表中时针计数一样。
与分针围绕钟表转动相对应的是相角经过360°的倍数。
这个过程叫做相位的模糊度解算，它指出了相位经过360°的次数。
如果回声像Figure9中一样简单，找到解算相位模糊度的方法不难，但是像Figure11中一样，典型的回声是复杂的。
下面有几种解决这个问题的方式。
一个就是保持脉冲之间的时间间隔很小，以致这个粒子没有足够的时间移动很远。
如果它不能移动很远，这个相位就不会变化很大。
这就像单独依靠时针来告诉你时间一样。
事实上，长时间间隔获得的测量精度对于它接受模糊相位测量时更能引起注意（就像钟表的分针一样）。
这就意味着宽带ADCPs也应该想方设法的来解决模糊度问题。
Figure11.从单个散射粒子返回的回声看起来就像是发射脉冲，但是从多散射粒子返回的回声是很复杂的。
自相关
对于比较回声来说，自相关是一个比较有用的数学方法。
尽管他涉及到复杂的数学方法，但它完成起来是很简单的。
合理的相关的回声看起来是一样的，而不相关的回声看起来是不同的。
对于检测小的相位变化自相关是一个非常有效的方法。
TRDI利用自相关的方法来处理复杂的真实世界的回声从而获得速度。
通过发射一系列代码脉冲，我们可以获得很多来自散射体的回声，其中这些代码脉冲都依次进入单个长脉冲中，这些回声就就结合成单个回声。
在代码脉冲分开的时间间隔中通过计算自相关可以推出传播延迟。
这个计算要想获得成功需要来自相互关联的代码脉冲的不同回声。
模式
ADCPs利用改变时间间隔和脉冲形式可以履行很多模式。
Default模式由于鲁棒性和测量精度而选择。
其他的模式经常能产生更多的稳健的（有用的，例如，在高度狂暴的水中）和更精确的测量。
这些产生高精度的模式只能工作限定的环境下。
例如，当水流变得很快活狂暴的时候他们经常失败。
4三维的水流速度矢量
迄今为止这个讨论已经指明了单声束只能测量与声束平行的速度部分。
这一部分解释了一个ADCP如何利用四个声束来获得速度的三个方向和额外的多余（然而仍然是有用的）信息。
为了利用多声束来获得三维的速度，应该假设水流经过固定深度的水层时是均衡的
。
多声束
当一个ADCP利用多声束指向不同的方向时，它能检测不同的速度部分。
例如，如果一个ADCP把一条声束指向东，一条向北，那么它将测量东和北的水流部分。
如果这个ADCP指向其他的方向，利用三角关系可以把它转换成向北和向东的部分。
关键的一点是每一个水流部分需要一条声束。
因此，要测量三个速度部分（例如，东，北和上），至少应该有三条声束。
在一个水平分层的水流均匀性
利用三角关系来计算水流的一个问题是这些声束使他们在不同的地方测量。
如果水流的速度在不同的地方是不相同的，那么三角关系将会不起作用。
水流必须水平均匀，也就是说，他们在这四条声束上必须是一样的。
庆幸的是，在海洋、江和湖泊中水平的均匀性是一个合理的假设。
利用四条ADCP声束计算速度
Figure12阐明了我们如何利用一个ADCP的四条声束来计算三个速度部分。
一对声束获得一个水平分量和一个垂直分量。
第二对声束产生了第二对垂直相交的水平分量和垂直速度分量。
因此，有对两个水平速度分量和两个垂直速度分量的估计。
Figure12指明了这个声束被指定为东/西和南/北，但是方向是任意的。
Figure12.声束和地球速度部分的关系。
速度误差：
为什么有用
在声音速度的两个估计之间速度误差是不同的。
速度误差依赖于数据冗余：
计算三维的速度只需要三条声束。
第四条ADCP声束是多余的但却不是浪费的。
如果水平均匀性的假设是合理的，这个速度误差是可以计算的。
对于评估数据质量是一个很重要的内在的方式。
Figure13展示了两种不同的情形。
在第一种情况下，在一个深度的水流速度的四个声束方向是一样的。
在第二种情形下，只有一个声束方向的速度是不同的。
平均来说，第二种情形下的速度误差要比第一种情形下的大一些。
记住，无论这个速度是否与声束相同都无关紧要，因为这个ADCP声束可能是坏的或者是实际的水流也是不同的。
由于水中的不均匀性，速度误差能够检测到错误，当然也可能是由制造设备时引起的错误。
Figure13.非均匀水流导致大的速度误差。
Janus配置方式
我们把ADCP传感器配置叫做Janus配置，以Romangod的名字命名，这个人看起来既前进又后退。
对于拒绝由ADCP倾斜引起的水平速度误差，这个Janus配置方式是格外好用的。
这是因为：
1当计算水平速度时这两个相对的声束允许不考虑垂直分量。
2倾斜的不确定性引起的单声束的速度误差与倾斜的误差的正弦成比例。
在Janus配置中的声束把速度误差减少为倾斜误差的二次方。
也就是说，速度误差与倾斜误差的平方成比例。
5速度剖面
ADCPs最重要的特征就是它测量水流剖面的能力。
ADCPs把这些速度剖面分割成统一的部分，叫做深度单元（深度单元也经常被叫做盒子）。
这一部分解释了这些剖面是如何产生的以及涉及到的一些因素。
深度单元
每个深度单元对应一个单个测流计。
因此一个ADCP的速度剖面就像是一串测流计统一的分布在一个停泊区（Figure14）。
因此，我们可以通过类推的方法做如下定义：
1深度单元的尺寸=流速计之间的距离
2深度单元的数量=流速计的数量
在这一串流速计和ADCP速度剖面之间有两个重要的不同点。
这第一个不同就是在ADCP剖面中的深度单元总是被统一划分，而测流计被放置在不规则的区间上。
第二点不同就是ADCP在每个深度单元的深度变化范围内测量平均速度而测流计仅在空间中离散的点上测量水流。
深度单元有规律的布置
剖面上速度数据的有规律布置可以使处理数据和中断测量数据简单化。
这个有规律的布置与规定的采样速率相对应。
处理不规则的采样数据比处理有固定采样频率的数据要难得多。
这个特点也适用于垂直剖面的测量。
Figure14.ADCP深度单元与传统的流速计做比较。
在每个深度单元的变化范围内计算平均值
不像传统的测流计一样，ADCPs不用在水中小的、局部的空间内测量水流。
相反，他们在整个深度单元的深度变化范围内计算速度的平均值。
这个平均值减少了空间假频的影响。
时间序列的假频导致高频率的信号看起来像低频信号。
这个影响与深度是等价的。
对深度变化范围内观察到的速度进行滤波可以拒绝垂直变化的速度，这个速度比在一个深度单元时要小，因此，这就减少了测量的不确定性。
距离选通
剖面由距离选通这个回声信号产生。
距离选通把接收到的信号分解成连续的部分来单独处理。
来自远距离的回声返回ADCP要比近距离的返回ADCP所花费的时间长。
因此，连续的距离选通对应着来自不断增加距离的深度脉冲的回声。
距离选通和深度单元之间的关系
一个深度单元在一个水柱范围内测量平均速度，但是通常情况下这个平均值在这个范围内是不统一的。
在这个深度单元中间对声速是最敏感的，而在边界是最不敏感的。
剩下的这部分就解释了这种现象发生的原因，并且描述了导致加权函数的原因。
如何把回声信号的最大部分作用于距离Gate1。
来自相距Cell1中心最远的回声仅对来自发射脉冲前沿的信号起作用。
来自相距Cell1近的部分仅对来自发射脉冲后沿的信号起作用。
你也可以明白这些相邻的单元是如何交迭的。
针对一个深度单元的加权函数
在Figure15中，位于菱形时空面积中心的散射体比位于菱形边界和底部的散射体给距离Gate1的信号提供更多的能量。
这就意味着他们对在Gate1测量的平均水流速度起更大的决定性作用。
每个深度单元的速度都是用在Figure17中的三角加权函数计算平均值的。
注意每个深度单元都与自己相邻的深度单元相互交迭。
在相邻的深度单元中的15%的交迭引起相关。
上面的加权函数对于窄带和宽带ADCPs的大部分正常情形都是适用的。
然而，当发射脉冲和深度单元的尺寸不同时，加权函数的形状会改变。
例如，如果发射脉冲比单元尺寸相对小一些，那么加权函数与它稍微有点交迭的相邻单元近似成直角。
如果发射脉冲比深度单元长，那么这些数据经过深度单元时会比较平稳。
Figure17．深度单元加权函数：
位于单元中心的深度单元对水流的敏感度比位于边界的要强。
6ADCP数据
这一部分介绍和描述了由宽带ADCP产生的数据。
这些数据包括以下四种不同种类的标准剖面数据：
1速度
2回声强度
3相关性
4部分好处
速度数据以mm/s为单位输出。
根据你的需要采用下面的一种格式记录数据：
1声束坐标——速度输出时与每一条声束平行。
2地球坐标——速度被转化成北，东，和上三部分。
3ADCP坐标——相对与ADCP来说，除了速度被转化成前，侧和上以外，其他的都与地球坐标相似。
ADCP的前面是声束3所面对的方向。
ADCP的侧面是前面的右方。
记住这个方向是你面对ADCP时的方向。
向下看凸面的ADCP时，声束2指向正侧面的方向。
垂直速度是正上方。
4船坐标——除了头部旋转为船的前面和侧面其他的与ADCP坐标相似。
如果声束3面对船首，ADCP和船坐标是一样的。
Figure18.面对ADCP传感器时的图形。
这个布局对于凸面和凹面的传感器是一样的（看Figure26.）。
这一部分详细的描述了速度从一个声束坐标转换成球面坐标的情形，其中允许ADCP做以下运动：
倾斜，转动，航行和速度。
回声强度以dB为单位输出。
这些数据是从接收信号的强度指示器回路的接收器中获得。
相关性是对数据质量的一种衡量标准，它的输出以单元为刻度，期望的相关系数（给定高的信噪比，S/N）是128.
部分好的数据会告诉你哪一部分数据通过了这种标准。
排斥标准包括低相关性，大的速度误差搜寻检测（错误目标的入口）。
每一个ADCP的Default入口是不同的；每个入口都有相关的指令。
底部追踪数据不是剖面数据，他们以不同的数据结构输出，但是他们的形式与速度剖面数据是很相似的。
底部追踪数据的坐标变换与应用与水流剖面的坐标变换是一致的。
底部追踪输出也包括沿着每条声束一直到底部的位移的垂直部分。
7全体平均值
Single-ping的速度误差太大以致不能满足大部分测量需求。
因此，计算平均值可以减少测量的不确定性从而到达可接受的水平。
这一部分定义了ADCP的不确定性、计算平均值的方法和对不确定性数据计算平均值的影响。
了标准偏差，标准偏差由很多pings的速度误差开方而得。
或者：
这里的N是指一起计算平均值的pings的数量。
Figure19B中的分布展示了：
如果我们把最初的20，000个Pings分成200组，每组100个pings，将会发生的事情。
计算每个总体中100个ping的平均值可以减少每个总体的随机误差的1/10。
在这个较小的传播分布图中是很清楚的。
注意这两种分布的平均值是一样的并且都与真实的水流不同。
这种不同就是测量偏差，它不能通过计算平均值来消除。
很重要的一点是计算平均值可以减少在single-ping数据中出现的相对较大的随机误差，但是在对确定的数量计算平均值之后，随机误差会变得比偏差小。
关于这一点，更深一步的计算平均值对减小总体误差的作用不大。
短期与长期的不确定性的比较
短期的不确定性在single-pingADCP的数据中定义为误差。
短期的不确定性受随机误差控制。
经过足够的平均值计算之后本质上可以清除随机误差时所对应的误差定义为长期的不确定性。
长期误差与偏是差一样的。
随机误差和偏差的近似值
ADCPsingle-ping的随机误差或者是短期误差的变化范围是几mm/s到0.5m/s。
这个误差值主要由内部因素导致，例如，ADCP的频率，深度单元的大小，计算平均值所需要的pings的数量和声束的集合形状。
外部因素包括湍流，潜波和ADCP的运动。
随机误差在窄带ADCPs中相对容易估计，而对于宽带ADCPs来说比较困难。
这是因为宽带测量需要更多的调节参数，并且每一个都影响不确定性。
因为在ADCP内部产生的随机误差与窄带ADCP相比是一
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