安德拉5400剖面海流傳感器的測(cè)量原理

第一章 多普勒原理

本章給出了多普勒原理的基本描述，以及如何使用它來(lái)測(cè)量不同物體之間的相對(duì)徑向速度。

1.1多普勒效應(yīng)

聲學(xué)多普勒海流剖面儀利用克里斯蒂安·約翰·多普勒（1842）發(fā)現(xiàn)的物理學(xué)原理測(cè)量水流速度。多普勒效應(yīng)與觀察者相對(duì)于聲或光源移動(dòng)的頻率變化有關(guān)。多普勒首先在文章中闡述了他的原理，“關(guān)于雙星和天空中其他一些星座的彩色光"。

在日常生活中，聲學(xué)多普勒效應(yīng)或多普勒頻移的一個(gè)常見(jiàn)例子是救護(hù)車靠近、經(jīng)過(guò)和離開(kāi)觀察者時(shí)發(fā)出的警笛聲。與發(fā)射頻率相比，接收頻率在接近過(guò)程中更高，在經(jīng)過(guò)的瞬間相同，在衰退過(guò)程中更低。當(dāng)波源向觀測(cè)者移動(dòng)時(shí)，每個(gè)連續(xù)的波峰從比前一個(gè)波更靠近觀測(cè)者的位置發(fā)射。因此，與前一波相比，每一波到達(dá)觀測(cè)者所需的時(shí)間略短。因此，連續(xù)波峰到達(dá)觀測(cè)者之間的時(shí)間減少，導(dǎo)致頻率（壓縮聲波）增加。相反，如果波源正在遠(yuǎn)離觀測(cè)者，則每一個(gè)波都是從比前一個(gè)波離觀測(cè)者更遠(yuǎn)的位置發(fā)射的，因此連續(xù)波之間的到達(dá)時(shí)間增加，從而降低了頻率。然后增加連續(xù)波前之間的距離（伸展的聲波）。因此，總多普勒效應(yīng)是源的運(yùn)動(dòng)和觀察者的運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。

1.2使用聲學(xué)散射體的多普勒頻移

多普勒海流剖面儀應(yīng)用多普勒原理，同時(shí)充當(dāng)源和接收器，同時(shí)從天然水中始終存在的顆粒/散射體（如粘土、淤泥、氣泡、浮游植物、浮游動(dòng)物）上反射短脈沖的聲能。散射體漂浮在水中，并假定以與水相同的水平和垂直速度移動(dòng)。散射體將在所有方向上反射回發(fā)射的聲能，并且少量反射信號(hào)被多普勒頻移向接收器。由于該儀器既發(fā)射又接收聲脈沖，多普勒頻移加倍（一次在到達(dá)散射體的路上，第二次在反射后返回的路上）。

第2章窄帶/寬帶——工作原理

2.1 Aanderaa DCPS的幾何結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)

Aanderaa多普勒剖面海流傳感器（DCPS）有四個(gè)換能器，既可作為發(fā)射器，也可作為接收器。所有四個(gè)換能器同時(shí)以大約600kHz發(fā)射聲脈沖。換能器的方位角為90°，與垂直方向成25°角。

它們被集成到一個(gè)圓柱形外殼中，該外殼包含提供獨(dú)立工作傳感器的所有必要電子設(shè)備。它包括一個(gè)三軸固態(tài)羅盤(pán)，能夠獨(dú)立于傳感器方向獲得海流方向，并不斷測(cè)量和補(bǔ)償傾斜測(cè)量值。可以包括高質(zhì)量的溫度傳感器，并且滿功率微處理器（每秒能夠進(jìn)行1.5億次乘法運(yùn)算）正在計(jì)算以產(chǎn)生實(shí)時(shí)輸出或存儲(chǔ)到記錄器（例如SeaGuardII）的結(jié)果。

DCPS上換能器的布置是所謂的“Janus"配置，以羅馬神Janus命名，他可以同時(shí)向前和向后看。該配置特別適合于抑制儀器傾斜引起的水平速度誤差，因?yàn)樵谟?jì)算水平速度時(shí)，兩個(gè)相對(duì)的光束允許抵消垂直速度分量。此外，儀器傾斜、俯仰和滾轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致與俯仰和滾轉(zhuǎn)的正弦成比例的速度誤差。四個(gè)波束允許計(jì)算具有正多普勒頻移（向儀器移動(dòng)）的兩個(gè)水平速度，以及具有負(fù)多普勒頻移的兩個(gè)（遠(yuǎn)離儀器）和具有垂直速度的四個(gè)波束。垂直水流的方向在向上移動(dòng)時(shí)被定義為正。

實(shí)際上，水平水流的速度和方向可以用三個(gè)光束來(lái)計(jì)算。第四個(gè)波束是多余的，但在DCPS中，通過(guò)比較四個(gè)垂直速度估計(jì)值，可以評(píng)估水平均勻性假設(shè)（如第3.1章所述）是否合理。

利用四個(gè)波束還可以通過(guò)省略其中一個(gè)換能器來(lái)計(jì)算四個(gè)不同的三波束解。這在例如其中一個(gè)換能器接收到由不隨水流移動(dòng)的物體（如系泊纜和浮子）引起的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的情況下是有用的。DCPS內(nèi)置了此功能（請(qǐng)參閱第4.1章）。它增強(qiáng)了了解主要條件和獲得高質(zhì)量數(shù)據(jù)的可能性。

DCPS有兩種用戶可選擇的模式來(lái)測(cè)量水流；窄帶或?qū)拵А?/p>

2.2窄帶多普勒處理

窄帶處理包括測(cè)量頻率多普勒頻移，以計(jì)算距離傳感器不同距離處的當(dāng)前速度和方向。到目前為止，我們用一個(gè)散射體來(lái)描述多普勒效應(yīng)觀測(cè)器。當(dāng)傳輸信號(hào)從分布在水體中的多個(gè)散射體反射時(shí)，每個(gè)散射體將返回具有修改的振幅和相位的傳輸信號(hào)的精確副本（見(jiàn)圖2-2）。信號(hào)的相位將隨著散射體和儀器之間的距離而變化，反射信號(hào)的幅度取決于散射體的聲阻抗、散射體的大小和距離。由于散射體的隨機(jī)分布，振幅和相位都或多或少是隨機(jī)的。在接收器處，分布式散射體的所有貢獻(xiàn)將被相加為單個(gè)信號(hào)。該相加信號(hào)將反映該小區(qū)的平均多普勒頻移信號(hào)。

2.3寬帶多普勒處理

多普勒頻移信號(hào)將是原始信號(hào)的壓縮或拉伸版本。壓縮率可以作為頻率的變化來(lái)測(cè)量（窄帶處理），也可以通過(guò)測(cè)量脈沖持續(xù)時(shí)間的變化來(lái)估計(jì)（寬帶處理）。在寬帶中，兩個(gè)相同的脈沖作為一次傳輸進(jìn)行傳輸。它們之間的時(shí)間延遲在發(fā)射器處是已知的，并且在接收器處是測(cè)量的。基于兩個(gè)脈沖之間到達(dá)時(shí)間的變化，根據(jù)等式1-5計(jì)算徑向水流速度。

設(shè)計(jì)這兩個(gè)脈沖是為了最大限度地提高到達(dá)時(shí)間的精度。實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的一個(gè)關(guān)鍵特征是在不縮短脈沖持續(xù)時(shí)間的情況下增加帶寬。

通過(guò)增加帶寬，與時(shí)間估計(jì)相關(guān)的不確定性將與帶寬成比例地減少。稍微簡(jiǎn)化一點(diǎn)，我們可以說(shuō)給定信號(hào)的帶寬將取決于脈沖持續(xù)時(shí)間和脈沖持續(xù)時(shí)間期間頻率的變化。縮短脈沖將增加帶寬，但傳輸?shù)哪芰恳矊p少，從而縮短輪廓范圍。另一種更好的方法是保持脈沖持續(xù)時(shí)間，同時(shí)增加帶寬。這可以通過(guò)使用相位調(diào)制或者甚至更好地使用頻率調(diào)制來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于調(diào)頻信號(hào)，傳輸期間的凈頻率跨度將直接給出帶寬。