음향 도플러 전류 프로파일러

Acoustic Doppler current profiler

음향 도플러 전류 프로파일러(ADCP)는 음파탐지기와 유사한 수중음향 전류계로, 물기둥 내 입자에서 뒤로 흩어진 음파의 도플러 효과를 이용하여 깊이 범위에서 수류 전류의 속도를 측정하는 데 사용된다. ADCP라는 용어는 1980년대에 RD Instruments가 도입한 계측기 시리즈에서 유래하였지만 모든 음향 전류 프로파일러를 총칭하는 용어다. ADCP의 작동 주파수 범위는 38 kHz에서 몇 MHz까지이다. 소리를 이용한 풍속 프로파일링을 위해 공기 중에 사용되는 장치는 SODAR로 알려져 있으며 동일한 기본 원리로 작동한다.

작업원리

3개의 빔이 있는 ADCP는 세 가지 속도 구성요소를 해결한다. (Models Aquadopp Profiler 1MHz 및 0.6MHz, Nortek)
4개의 변환기가 있는 ADCP의 책임자(WH-600 모델, RD 기기)

ADCP에는 음향 신호를 송수신하기 위한 압전 변환기가 포함되어 있다. 음파의 이동 시간은 거리를 추정한다. 에코 주파수 이동은 음향 경로를 따라 흐르는 수속에 비례한다. 3D 속도를 측정하려면 최소 3개의 빔이 필요하다. 강에서는 2D 속도만 관련되며 ADCP는 일반적으로 2개의 빔을 가진다. 최근 몇 년 동안, ADCP에 더 많은 기능성이 추가되었고(특히 파동 및 난류 측정), 2,3,4,5 또는 심지어 9개의 빔으로 시스템을 찾을 수 있다.

ADCP의 추가 구성요소는 전자 증폭기, 수신기, 이동 시간을 측정하는 시계, 온도 센서, 표제를 알 수 있는 나침반, 방향을 알 수 있는 피치/롤 센서 등이다. 도플러 시프트를 결정하기 위해서는 아날로그-디지털 변환기와 디지털 신호 프로세서가 반송 신호를 샘플링해야 한다. 온도 센서는 상태의 해수 방정식을 사용하여 계기 위치에서 음속을 추정하는 데 사용되며, 이를 사용하여 주파수 이동의 수속도를 추정한다. 이 절차에서는 염도가 미리 구성된 상수 값을 갖는다고 가정한다. 마지막으로, 결과는 내장 메모리에 저장되거나 외부 디스플레이 소프트웨어에 온라인으로 출력된다.

5개의 변환기가 있는 ADCP의 수중 사진(모델 시그니처1000, Nortek)

처리 방법

도플러 이동과 따라서 음향 빔을 따라 흐르는 물의 속도를 계산하기 위해 세 가지 일반적인 방법을 사용한다. 첫 번째 방법은 단색 전송 펄스를 사용하며 "불합치" 또는 "나래밴드"라고 한다. 이 방법은 강력하며 양질의 평균 현재 프로필을 제공하지만 시간 분해능은 제한적이다. 전송 펄스가 반복되는 코드화된 원소로 구성되는 경우, 이 방법을 "반복 시퀀스 코딩"[1] 또는 "광대역"이라고 한다. 이 방법은 공간 시간 분해능을 5배 향상시킨다(일반적이다). 상업적으로, 이 방법은 2011년까지 미국[2] 특허 5615173에 의해 보호되었다. 펄스 대 펄스 일관성 방법은[3] 후속 펄스로부터의 메아리가 서로 간섭하지 않는 것으로 가정되는 전송 펄스 시퀀스에 의존한다. 이 방법은 매우 짧은 프로파일링 범위에만 적용되지만 그에 따른 공간 시간 분해능 개선은 순서가 1000이다.

적용들

마운팅에 따라 측면, 하향, 상향 ADC를 구분할 수 있다. 바닥 장착형 ADPP는 표면까지 동일한 간격으로 전류의 속도와 방향을 측정할 수 있다. 강이나 운하에 쌓이는 벽이나 교량 위에 옆으로 장착하면 둑에서 둑까지 현재의 프로필을 측정할 수 있다. 매우 깊은 물에서 그것들은 표면으로부터 케이블에 내려질 수 있다.

주요 용도는 해양학이다.[4] 이 기구들은 강과 운하에서도 지속적으로 방류를 측정하기 위해 사용될 수 있다.

물기둥 내 계류장 또는 해저에 직접 탑재된 수류 및 파동 연구를 수행할 수 있다. 그들은 한번에 수 년 동안 물속에 있을 수 있고, 제한 요소는 배터리 팩의 수명이다. 전개 특성에 따라 기기는 일반적으로 데이터 통신에 동일한 탯줄을 사용하여 해안에서 동력을 공급받을 수 있다. 리튬배터리 팩을 표준 알칼리성 팩으로 대체하면 전개 기간을 3배 연장할 수 있다.

밑단추적

도플러 시프트가 계산되는 윈도우를 조정하면 계측기와 하단 사이의 상대 속도를 측정할 수 있다. 이 기능을 하단 트랙이라고 한다. 이 과정은 두 부분으로 구성되어 있다; 먼저 음향 반향에서 바닥의 위치를 파악한 다음, 아래쪽 위치를 중심으로 한 창에서 속도를 계산한다. ADCP가 움직이는 선박에 탑재된 경우, 바닥 선로 속도는 측정된 수속도에서 차감될 수 있다. 결과는 순 현재 프로파일이다. 바텀 트랙은 해안 지역의 수류 조사를 위한 기초를 제공한다. 음향 신호가 바닥에 도달할 수 없는 깊은 물에서는 GPS, 자이로 등의 보다 복잡한 속도 및 헤딩 정보를 조합하여 선박 속도를 추정한다.

방전 측정

강에서, ADCP는 총 수상 운송량을 측정하기 위해 사용된다. ADC를 측면에 탑재한 선박이 연속적으로 측정하면서 한 뱅크에서 다른 뱅크로 건너가도록 하는 방식이다. 하단 선로 기능을 이용해 좌우 둑 구간 조정 후 보트의 선로 및 단면적을 추정한다. 그러면 방전은 벡터 트랙과 전류 속도 사이의 도트 곱으로 계산할 수 있다. 이 방법은 전 세계 수로 측량 기관에서 사용 중이며, 하천 유량을 지속적으로 감시하기 위해 많은 곳에서 사용되는 단계 방류 곡선에서 중요한 요소를 형성하고 있다.

도플러 속도 로그(DVL)

수중 차량의 경우, 하단 추적 기능을 항법 시스템의 중요한 구성 요소로 사용할 수 있다. 이 경우 차량의 속도는 초기 위치 고정 장치, 나침반 또는 자이로 헤딩 및 가속 센서의 데이터와 결합된다. 센서 제품군은 차량 위치를 추정하기 위해 조합된다(일반적으로 Kalman 필터 사용). 이것은 잠수함, 자율적이고 원격으로 운용되는 수중 차량을 항해하는 데 도움이 될 수 있다.

AWAC(Acoustic Wave and Currents)는 표면파 높이와 방향을 위해 특별히 설계된 ADCP의 일종이다.

파동 측정

일부 ADCP는 표면파 높이와 방향을 측정하도록 구성할 수 있다. 파형 높이는 짧은 펄스로부터의 반향과 단순한 피크 추정 알고리즘을 사용하여 표면까지의 거리를 측정하는 수직 빔으로 추정한다. 파형 방향은 수직 빔에서 측정한 종방향 빔 속도 추정치와 파형 높이 측정의 교차 상관관계를 통해 확인할 수 있다. 파동 측정은 일반적으로 해저에 탑재된 계측기에 사용할 수 있지만, 최근의 개선으로 인해 회전하는 지표면 아래 부표에도 계측기를 장착할 수 있게 되었다.[5]

난류

펄스 대 펄스 일관성 있는 처리를 가진 ADCP는 작은 규모의 움직임을 해결하는 데 필요한 정밀도로 속도를 추정할 수 있다. 결과적으로, 적절하게 구성된 ADCP로부터 난류 매개변수를 추정할 수 있다. 대표적인 접근방식은 Kolmogorov 구조 구성에 따라 보조 빔 속도를 맞추고 그에 따라 분산 속도를 추정하는 것이다. 난류 측정에 대한 ADCP의 적용은 정지된 배치에서 가능하지만, 글라이더와 같은 수중 구조물을 이동하거나 표면 아래 부표에서도 가능하다.

장단점

ADCP의 두 가지 주요 장점은 바이오 퓨링의 대상이 되는 이동 부품의 부재와 단일 정지 계측기가 1000m를 초과하는 범위에서 전류 프로필을 측정할 수 있는 원격 감지 측면이다. 이러한 특징들은 물기둥의 상당 부분에 걸쳐 해류를 장기간 측정할 수 있게 한다. 1980년대 중반에 시작된 이래로, 수 천 개의 ADCP가 세계 해양에서 사용되었고, 이 기구는 세계 해양 순환에 대한 우리의 이해에 중요한 역할을 했다.

ADCP의 주요 단점은 경계선에 가까운 데이터 손실이다. 흔히 시들로브 간섭이라고 불리는 이 메커니즘은 물기둥의 6-12%를 덮고 있으며, 표면을 올려다보는 계측기의 경우 표면 가까이에 있는 속도 정보의 손실은 실질적인 단점이다. 비용 또한 걱정거리지만, 안전하고 전문적인 배치를 보장하는 데 필요한 선박 비용 때문에 보통 왜소하다.

모든 음향 기기와 마찬가지로 ADCP는 해양의 소음 공해에 기여하며, 이는 고래 항법 및 초음파 위치를 방해할 수 있다.[6] 그 영향은 계측기의 주파수와 전원에 따라 다르지만 대부분의 ADCP는 소음 공해가 심각한 문제로 확인되지 않은 주파수 범위에서 작동한다.

참조

  1. ^ "Repeat-Sequence Coding for Improved Precision of Doppler Sonar and Sodar, R. Pinkel and J. A. Smith". Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 9: 149. 1992. doi:10.1175/1520-0426(1992)009<0149:RSCFIP>2.0.CO;2. ISSN 1520-0426.
  2. ^ "Acoustic doppler current profiler, US Patent 5615173".
  3. ^ "Pulse-to-Pulse Coherent Doppler Sonar Signal Processing Techniques, Roger Lhermitte". Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 1: 293. 1984. doi:10.1175/1520-0426(1984)001<0293:PTPCDS>2.0.CO;2. ISSN 1520-0426.
  4. ^ William J. Emery, Richard E. Thomson (2001). Data analysis methods in physical oceanography. Gulf Professional Publishing. p. 83. ISBN 978-0-444-50757-0. Retrieved 2011-02-06.
  5. ^ "System and method for determining directional and non-directional fluid wave and current". US Patent office.
  6. ^ Hogan, C Michael (October 2011). "Icon Encyclopedia of Earth Topics". Washington, D.C.: Environmental Information Coalition, National Council for Science and the Environment. Retrieved 2012-09-13.