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Acoustic Doppler Current Profiler
声学多普勒流速剖面仪(Acoustic Doppler Current Profiler,ADCP)是一种利用声学多普勒原理测量水流速度剖面的先进水文测验仪器。ADCP传感器向水中发射声波,监听微小颗粒(浮游生物、泥沙、气泡)反射回来的回声,进而计算出从水面一直到水底的每一层的水流速度。单个ADCP传感器可以同时测量几十层甚至上百层深度的流速,生成完整的流速剖面。
原理
ADCP传感器依赖多普勒效应,这与救护车驶过时警笛声调发生变化所依据的物理原理完全相同。当声波从一个运动物体上反射回来时,回波频率的偏移量(回波频率相对发射频率发生的变化量)与物体的速度成正比。在ADCP传感器中,这些“运动物体”就是水流中自然携带的颗粒。设$c$为水中的声速,$f_t$是发射频率,$f_r$是回声频率,$v_r$是水流沿声束方向的速度分量,那么则有 \begin{equation} f_r = f_t \frac{c-v_r}{c+v_r} \end{equation} 这样就得到频移: \begin{equation} \Delta f \equiv f_r - f_t= f_t\left(\frac{c-v_r}{c+v_r}-1\right) = f_t\,\frac{c-v_r-(c+v_r)}{c+v_r} = -\,\frac{2f_t\,v_r}{c+v_r} \end{equation} 一般而言,水流速度的分量远远小于声波在水中的速度,因此可以得到: \begin{equation} \Delta f \approx -\,\frac{2f_t\,v_r}{c} \end{equation}
Janus 配置
单个声束只能测量沿其自身轴线方向的速度分量——即径向速度。要重建完整的三维水流矢量(东、北、天),ADCP 至少需要三个指向不同、不共面的波束。大多数 ADCP都采用四波束结构,即所谓的 Janus 配置。