声学多普勒流速剖面仪设计中的一个首要问题:如何选层

　　1　引　　言

　　声学多普勒流速剖面仪(ADCP)根据多普勒效应,遥测流速垂直剖面分布,对流场不产生任何扰动,不存在机械惯性和机械磨损,可以真实反映流场,通过数次实验可以测量一个剖面上数十至上百层水流速度[1～2]。它在大范围海洋剖面流速测量、河流流速流量测量等领域得到广泛应用。国际海委会已将它定为四种先进的海洋观测仪器之一[1]。

　　实际使用中,常常不能保证ADCP竖直。对于船用ADCP,船本身的摇摆颠簸,海流的冲击,以及安装不规范等都会使ADCP偏离竖直。对于坐底ADCP,海底的不平,也将使ADCP偏离竖直。为了ADCP能用于这些非竖直布放的场合,设计时一个首要问题是确定4个波束上同一水层对应的回波,即选层。本文给出了存在横滚、纵倾、航偏情况下的选层公式,并给出了流速　矢量的解算公式。

　　2　波束的方位

　　ADCP基阵俯视示意图如图1。按图1建立直角坐标系ox′y′z′:ox′轴、oy′轴在基阵面内,ox′轴平分波束1和波束3在基阵面投影的夹角,oy′轴平分波束1和波束4在基阵面投影的夹角,oz′轴按右手系确定,图中未画出。坐标系ox′y′z′称为基阵坐标系。以基阵坐标系的坐标原点o为原点,建立直角坐标系oxyz:ox轴在水平面内,其方向为安装或布放时ox′轴在水平面投影的方向。oz轴指向海底,oy轴在水平面内,按右手系确定。坐标系oxyz称为准基阵坐标系,如图2。波束1、波束2、波束3、波束4组成的非直角坐标系ob1b2b3b4称为波束坐标系。波束坐标系与准基阵坐标系的关系如图2。以准基阵坐标系的坐标原点o为原点,建立直角坐标系oxeyeze:oxe轴在水平面内指向正北,oye轴在水平面内指向正东,oze轴按右手系确定。　　这里将坐标系oxeyeze称为大地坐标系,如图3。

　　设坐标系ox′y′z′(随基阵旋转)旋转后,ox′轴与水平面夹角为θp,称为纵倾角;oy′轴与水平面夹角为θr称为横滚角;ox′轴在水平面上的投影与ox夹角为θy,称为航偏角。基阵旋转后波束的方位表示为:

　　3　选　　层

　　设t1,t2,t3,t4分别为4个波束接收同一层面水体反射回波的时间,根据4个波束中接收同一层面水体反射回波的时间相等,结合式(1),在准基阵坐标系中有:

　　(2)

　　式中t为参数。式(2)为选层公式。

　　4　速度解算

　　设任意流速矢量v→={vx,vy,vz},vx,vy,vz是v→在准基阵坐标系oxyz中的相应坐标。vb1,vb2,vb3,vb4表示v→在波束坐标系中的正交投影,则有

　　参见图3,大地坐标系可以看成由准基阵坐标系绕oz轴旋转θ而得到,结合式(3),有

　　式中vxe,vye,vze为流速矢量v→在大地坐标系中的相应坐标。由vxe,vye,vze即可合成流速矢量。