安德拉5400剖面海流傳感器的測量原理

安德拉5400剖面海流傳感器的測量原理

第一章 多普勒原理

本章給出了多普勒原理的基本描述，以及如何使用它來測量不同物體之間的相對徑向速度。

1.1多普勒效應

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

在日常生活中，聲學多普勒效應或多普勒頻移的一個常見例子是救護車靠近、經過和離開觀察者時發出的警笛聲。與發射頻率相比，接收頻率在接近過程中更高，在經過的瞬間相同，在衰退過程中更低。當波源向觀測者移動時，每個連續的波峰從比前一個波更靠近觀測者的位置發射。因此，與前一波相比，每一波到達觀測者所需的時間略短。因此，連續波峰到達觀測者之間的時間減少，導致頻率（壓縮聲波）增加。相反，如果波源正在遠離觀測者，則每一個波都是從比前一個波離觀測者更遠的位置發射的，因此連續波之間的到達時間增加，從而降低了頻率。然后增加連續波前之間的距離（伸展的聲波）。因此，總多普勒效應是源的運動和觀察者的運動的結果。

1.2使用聲學散射體的多普勒頻移

多普勒海流剖面儀應用多普勒原理，同時充當源和接收器，同時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。散射體將在所有方向上反射回發射的聲能，并且少量反射信號被多普勒頻移向接收器。由于該儀器既發射又接收聲脈沖，多普勒頻移加倍（一次在到達散射體的路上，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的幾何結構和特點

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

它們被集成到一個圓柱形外殼中，該外殼包含提供獨立工作傳感器的所有必要電子設備。它包括一個三軸固態羅盤，能夠獨立于傳感器方向獲得海流方向，并不斷測量和補償傾斜測量值。可以包括高質量的溫度傳感器，并且滿功率微處理器（每秒能夠進行1.5億次乘法運算）正在計算以產生實時輸出或存儲到記錄器（例如SeaGuardII）的結果。

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，因為在計算水平速度時，兩個相對的光束允許抵消垂直速度分量。此外，儀器傾斜、俯仰和滾轉會導致與俯仰和滾轉的正弦成比例的速度誤差。四個波束允許計算具有正多普勒頻移（向儀器移動）的兩個水平速度，以及具有負多普勒頻移的兩個（遠離儀器）和具有垂直速度的四個波束。垂直水流的方向在向上移動時被定義為正。

實際上，水平水流的速度和方向可以用三個光束來計算。第四個波束是多余的，但在DCPS中，通過比較四個垂直速度估計值，可以評估水平均勻性假設（如第3.1章所述）是否合理。

利用四個波束還可以通過省略其中一個換能器來計算四個不同的三波束解。這在例如其中一個換能器接收到由不隨水流移動的物體（如系泊纜和浮子）引起的錯誤數據的情況下是有用的。DCPS內置了此功能（請參閱第4.1章）。它增強了了解主要條件和獲得高質量數據的可能性。

DCPS有兩種用戶可選擇的模式來測量水流；窄帶或寬帶。

2.2窄帶多普勒處理

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

2.3寬帶多普勒處理

多普勒頻移信號將是原始信號的壓縮或拉伸版本。壓縮率可以作為頻率的變化來測量（窄帶處理），也可以通過測量脈沖持續時間的變化來估計（寬帶處理）。在寬帶中，兩個相同的脈沖作為一次傳輸進行傳輸。它們之間的時間延遲在發射器處是已知的，并且在接收器處是測量的。基于兩個脈沖之間到達時間的變化，根據等式1-5計算徑向水流速度。

設計這兩個脈沖是為了最大限度地提高到達時間的精度。實現這一點的一個關鍵特征是在不縮短脈沖持續時間的情況下增加帶寬。

通過增加帶寬，與時間估計相關的不確定性將與帶寬成比例地減少。稍微簡化一點，我們可以說給定信號的帶寬將取決于脈沖持續時間和脈沖持續時間期間頻率的變化。縮短脈沖將增加帶寬，但傳輸的能量也將減少，從而縮短輪廓范圍。另一種更好的方法是保持脈沖持續時間，同時增加帶寬。這可以通過使用相位調制或者甚至更好地使用頻率調制來實現。對于調頻信號，傳輸期間的凈頻率跨度將直接給出帶寬。