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声学多普勒流速剖面仪技术发展及其应用

声学多普勒流速剖面仪（ADCP）的出现得到了海洋学

界的高度重视，它的应用揭示了海流的时空分布特征，能描

述流体质点运动状态，被国际海委会定为4种先进的海洋观

测仪器之一。本文较为全面系统地介绍了ADCP的原理、特

点及其历史发展状况，以及ADCP的应用情况。随着科学技

术的不断发展，以及人类对海洋认识的不断加深，ADCP将

向轻便、小巧、精密、智能化且多功能、多用途方向发展，

并在智慧海洋及信息化等方面的应用与研究将发挥更显著

的作用。

从养殖捕捞、防灾减灾到能源开发，凡与海洋有关的事

务均需海洋环境要素的观测与数据。ADCP能够提供高分辨

率、高精度、信息海量且完整的观测与数据，在实时监测海

洋流场对海洋科学研究、海洋经济建设和国防建设具有重要

意义。

因海水引起的传输衰减，电磁波和强激光光波在海水中

很难穿透1公里的距离，而声波在海洋中的衰减仅为电磁波

的千分之一（低频声波在浅海中可传播数百公里，在大洋中

可以传播上万公里），所以，声波是目前可实际应用于海洋

远距离传播的物理场，研究海洋声波也成为认识海洋、研究

海洋的重要工具。ADCP就是利用声波多普勒效应发展起来

的一种新型声呐测流设备。它既可测量相对水底速度，又可

兼顾测量相对水流速度。因ADCP采用声遥测方式对被测流

场无干扰，且能获得高精度速度信息，既可用于导航定位，

又被广泛应用于包括对地波雷达等先进海洋观测设备海流

对比验证在内的海洋及内陆河流工程与研究领域，因此被国

际海委会定为4种先进的海洋观测仪器之一。

一、ADCP

ADCP是一种融合水声物理、水声换能器设计、电子技

术和信号处理等多学科而研制的新型测速声呐设备，作为水

声技术的一个典型应用，多普勒流速测量为这些相关学科提

供了一个良好的综合应用平台。

（一）基本概念

ADCP（AcousticDopplerCurrentProfiler，声学多普勒流

速剖面仪），利用声学多普勒原理，测量分层水介质散射信

号的频移信息，并利用矢量合成方法获取海流垂直剖面水流

速度,即水流的垂直剖面分布。对被测验流场不产生任何扰动，

也不存在机械惯性和机械磨损[2-3]，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，是一种新型水声测流仪

器。

（二）多普勒效应

波源和观察者具有相对运动时，观察者接收到波的频率

与波源发出的频率并不相同这一现象被称为多普勒效应（为

纪念奥地利物理学家及数学家克里斯琴·约翰·多普勒于

1842年最先提出这一理论而命名）,不仅应用于声波，也应

用于所有类型的波，如电磁波。ADCP就是利用声波的多普

勒效应发展起来的一种新型测流设备，它既能测量相对水底

速度，又可兼顾测得相对水流速度。

（三）测流原理

水体中的散射体（如浮游生物、气泡等）随水体而流动，

与水体融为一体，其速度即代表水流速度。当ADCP向水体

中发射声波脉冲信号时，这些声波脉冲信号碰到散射体后产

生反射，ADCP再对回波信号进行接收和处理。根据多普勒

原理，发射声波与散射回波频率之间就存在多普勒频率，这

种频率的变化取决于反射体的运动速度。通过测量多普勒频

移就能解算出ADCP和散射体的相对速度。ADCP换能器既

是发射器又是接收器，它从根本上摆脱了机械式仪器的测验

原理。

当ADCP向水体中发射的声波脉冲信号碰到水体中悬浮

的、随水体运动的微粒后产生反射，ADCP可以根据被反射

到ADCP的声波脉冲信号和ADCP发射的声波脉冲信号频率

的差异（即多普勒频移），计算出相对于ADCP的流速大小：

V＝c×Fd/（2Fs）⑴

式中：V为相对于测船的水体流速；Fd为声学多普勒频

移；Fs为发射声波脉冲信号频率；c为声波脉冲信号在水体

中的传播速度（不计盐