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安德拉5400剖面海流传感器的测量原理

更新时间:2024-06-21   点击次数:239次

安德拉5400剖面海流传感器的测量原理

第一章 多普勒原理

本章给出了多普勒原理的基本描述,以及如何使用它来测量不同物体之间的相对径向速度。

 

1.1多普勒效应

声学多普勒海流剖面仪利用克里斯蒂安·约翰·多普勒(1842)发现的物理学原理测量水流速度。多普勒效应与观察者相对于声或光源移动的频率变化有关。多普勒首先在文章中阐述了他的原理,关于双星和天空中其他一些星座的彩色光"

 

在日常生活中,声学多普勒效应或多普勒频移的一个常见例子是救护车靠近、经过和离开观察者时发出的警笛声。与发射频率相比,接收频率在接近过程中更高,在经过的瞬间相同,在衰退过程中更低。当波源向观测者移动时,每个连续的波峰从比前一个波更靠近观测者的位置发射。因此,与前一波相比,每一波到达观测者所需的时间略短。因此,连续波峰到达观测者之间的时间减少,导致频率(压缩声波)增加。相反,如果波源正在远离观测者,则每一个波都是从比前一个波离观测者更远的位置发射的,因此连续波之间的到达时间增加,从而降低了频率。然后增加连续波前之间的距离(伸展的声波)。因此,总多普勒效应是源的运动和观察者的运动的结果。

 

1.2使用声学散射体的多普勒频移

多普勒海流剖面仪应用多普勒原理,同时充当源和接收器,同时从天然水中始终存在的颗粒/散射体(如粘土、淤泥、气泡、浮游植物、浮游动物)上反射短脉冲的声能。散射体漂浮在水中,并假定以与水相同的水平和垂直速度移动。散射体将在所有方向上反射回发射的声能,并且少量反射信号被多普勒频移向接收器。由于该仪器既发射又接收声脉冲,多普勒频移加倍(一次在到达散射体的路上,第二次在反射后返回的路上)。



2章窄带/宽带——工作原理

2.1 Aanderaa DCPS的几何结构和特点

Aanderaa多普勒剖面海流传感器(DCPS)有四个换能器,既可作为发射器,也可作为接收器。所有四个换能器同时以大约600kHz发射声脉冲。换能器的方位角为90°,与垂直方向成25°角。

它们被集成到一个圆柱形外壳中,该外壳包含提供独立工作传感器的所有必要电子设备。它包括一个三轴固态罗盘,能够独立于传感器方向获得海流方向,并不断测量和补偿倾斜测量值。可以包括高质量的温度传感器,并且满功率微处理器(每秒能够进行1.5亿次乘法运算)正在计算以产生实时输出或存储到记录器(例如SeaGuardII)的结果。

 

DCPS上换能器的布置是所谓的“Janus"配置,以罗马神Janus命名,他可以同时向前和向后看。该配置特别适合于抑制仪器倾斜引起的水平速度误差,因为在计算水平速度时,两个相对的光束允许抵消垂直速度分量。此外,仪器倾斜、俯仰和滚转会导致与俯仰和滚转的正弦成比例的速度误差。四个波束允许计算具有正多普勒频移(向仪器移动)的两个水平速度,以及具有负多普勒频移的两个(远离仪器)和具有垂直速度的四个波束。垂直水流的方向在向上移动时被定义为正。


实际上,水平水流的速度和方向可以用三个光束来计算。第四个波束是多余的,但在DCPS中,通过比较四个垂直速度估计值,可以评估水平均匀性假设(如第3.1章所述)是否合理。

 

利用四个波束还可以通过省略其中一个换能器来计算四个不同的三波束解。这在例如其中一个换能器接收到由不随水流移动的物体(如系泊缆和浮子)引起的错误数据的情况下是有用的。DCPS内置了此功能(请参阅第4.1章)。它增强了了解主要条件和获得高质量数据的可能性。

DCPS有两种用户可选择的模式来测量水流;窄带或宽带。


2.2窄带多普勒处理

窄带处理包括测量频率多普勒频移,以计算距离传感器不同距离处的当前速度和方向。到目前为止,我们用一个散射体来描述多普勒效应观测器。当传输信号从分布在水体中的多个散射体反射时,每个散射体将返回具有修改的振幅和相位的传输信号的精确副本(见图2-2)。信号的相位将随着散射体和仪器之间的距离而变化,反射信号的幅度取决于散射体的声阻抗、散射体的大小和距离。由于散射体的随机分布,振幅和相位都或多或少是随机的。在接收器处,分布式散射体的所有贡献将被相加为单个信号。该相加信号将反映该小区的平均多普勒频移信号。


2.3宽带多普勒处理

多普勒频移信号将是原始信号的压缩或拉伸版本。压缩率可以作为频率的变化来测量(窄带处理),也可以通过测量脉冲持续时间的变化来估计(宽带处理)。在宽带中,两个相同的脉冲作为一次传输进行传输。它们之间的时间延迟在发射器处是已知的,并且在接收器处是测量的。基于两个脉冲之间到达时间的变化,根据等式1-5计算径向水流速度。

设计这两个脉冲是为了最大限度地提高到达时间的精度。实现这一点的一个关键特征是在不缩短脉冲持续时间的情况下增加带宽。

 

通过增加带宽,与时间估计相关的不确定性将与带宽成比例地减少。稍微简化一点,我们可以说给定信号的带宽将取决于脉冲持续时间和脉冲持续时间期间频率的变化。缩短脉冲将增加带宽,但传输的能量也将减少,从而缩短轮廓范围。另一种更好的方法是保持脉冲持续时间,同时增加带宽。这可以通过使用相位调制或者甚至更好地使用频率调制来实现。对于调频信号,传输期间的净频率跨度将直接给出带宽。