Loading article…
音響ドップラー流速計（ADCP）は、ソナーに似た水中音響流速計で、水中の粒子から散乱された音波のドップラー効果を利用して、一定の深度範囲における水流速度を測定します。ADCPという用語は、すべての音響流速計の総称ですが、この略語は、 1980年代にRD Instruments社が発表した機器シリーズに由来します。ADCPの動作周波数範囲は、38kHzから数メガヘルツまでです。
同様の装置としてSODARがあり、これは空中で動作し、風速プロファイリングに同じ原理を使用している。
ADCPには、音響信号を送受信するための圧電トランスデューサが含まれています。音波の伝搬時間から距離を推定できます。エコーの周波数シフトは、音響経路に沿った水の速度に比例します。3D速度を測定するには、少なくとも3つのビームが必要です。河川では2D速度のみが重要であり、ADCPは通常2つのビームを備えています。近年、ADCPにはより多くの機能（特に波と乱流の測定）が追加され、2つ、[ 1 ] 3つ、[ 2 ] 4つ、[ 3 ] 5つ[ 4 ]または9つのビームを備えたシステムが見られます。[ 5 ]
ADCPのその他の構成要素としては、電子増幅器、受信機、移動時間を測定するクロック、温度センサー、方位を知るためのコンパス、および姿勢を知るためのピッチ/ロールセンサーがあります。ドップラーシフトを決定するために、戻り信号をサンプリングするには、アナログ-デジタル変換器とデジタル信号プロセッサが必要です。温度センサーは、海水の状態方程式を使用して機器位置での音速を推定するために使用され、これを使用して周波数シフトを水速にスケーリングします。この手順では、塩分濃度が事前に設定された一定値であると仮定します。最後に、結果は内部メモリに保存されるか、外部表示ソフトウェアにオンラインで出力されます。
ドップラーシフトを計算し、音響ビームに沿った水の速度を求めるには、3 つの一般的な方法があります。最初の方法は、単色送信パルスを使用し、「非干渉」または「狭帯域」と呼ばれます。この方法は堅牢で、高品質の平均流速プロファイルを提供しますが、時空間分解能が限られています。送信パルスが繰り返し符号化された要素で構成されている場合、この方法は「繰り返しシーケンス符号化」[ 6 ]または「広帯域」と呼ばれます。この方法では、時空間分解能が 5 倍 (典型的) 向上します。この方法は、2011 年まで米国特許[ 7 ] 5615173 によって商業的に保護されていました。パルス間コヒーレント法[ 8 ]は、後続のパルスからのエコーが互いに干渉しないと仮定した送信パルスのシーケンスに依存しています。この方法は非常に短いプロファイル範囲にのみ適用できますが、対応する時空間分解能の向上は 1000 倍です。
設置方法によって、ADCPは側面監視型、下方監視型、上方監視型に分類できます。海底設置型のADCPは、水面まで等間隔で流速と流向を測定できます。河川や運河の壁や橋脚に横向きに設置すれば、岸から岸までの流速プロファイルを測定できます。水深が非常に深い場所では、ケーブルを使って水面から降ろすことも可能です。
主な用途は海洋学です。[ 9 ]これらの機器は、河川や運河で流量を連続的に測定するためにも使用できます。
水柱内の係留装置、または海底に直接設置することで、水流や波浪の調査を行うことができます。これらの装置は数年間水中にとどまることができ、制限要因はバッテリーパックの寿命です。設置方法によっては、通常、陸上から電源を供給でき、データ通信には同じアンビリカルケーブルを使用します。標準のアルカリ電池パックをリチウムイオン電池パックに交換することで、設置期間を3倍に延長できます。
ドップラーシフトを計算するウィンドウを調整することで、計測器と海底間の相対速度を測定することが可能です。この機能はボトムトラックと呼ばれます。このプロセスは2つの部分から構成されます。まず、音響エコーから海底の位置を特定し、次に海底の位置を中心としたウィンドウから速度を計算します。ADCPが移動中の船舶に搭載されている場合、ボトムトラック速度を計測された水流速度から差し引くことができます。その結果が正味の流速プロファイルです。ボトムトラックは、沿岸域の水流調査の基礎となります。音響信号が海底に到達できない深海では、GPS、ジャイロなどからの速度と方位情報のより複雑な組み合わせから船舶速度が推定されます。
河川では、ADCP（音響ドップラー流速計）を用いて総水量を測定する。この方法では、船体にADCPを搭載した船舶が、連続的に測定を行いながら両岸を横断する必要がある。船底軌跡機能を用いることで、左右両岸の面積を補正した後、船の軌跡と断面積を推定する。流量は、ベクトル軌跡と流速の内積として算出される。この方法は世界中の水路測量機関で採用されており、多くの場所で河川流量を継続的に監視するために用いられる水位流量曲線の重要な要素となっている。
水中ビークルにおいては、海底追跡機能は航法システムの重要な構成要素として利用できます。この場合、ビークルの速度は、初期位置、コンパスまたはジャイロによる方位、および加速度センサーからのデータと組み合わされます。これらのセンサー群は（通常はカルマンフィルターを用いて）統合され、ビークルの位置を推定します。これは、潜水艦、自律型水中ビークル、および遠隔操作型水中ビークルの航行に役立ちます。
一部のADCPは、表面波の高さと方向を測定するように構成できます。波の高さは、短いパルスからのエコーと単純なピーク推定アルゴリズムを使用して表面までの距離を測定する垂直ビームによって推定されます。波の方向は、ビームに沿った速度推定値と垂直ビームからの波の高さ測定値を相互相関させることによって求められます。波の測定は通常、海底に設置された機器で利用できますが、最近の改良により、回転する水中ブイにも機器を設置できるようになりました。[ 10 ]
パルス間コヒーレント処理を備えたADCPは、微細な動きを解像するために必要な精度で速度を推定できます。その結果、適切に構成されたADCPから乱流パラメータを推定することが可能です。一般的なアプローチは、ビーム方向の速度をコルモゴロフ構造構成に適合させ、それによって散逸率を推定することです。ADCPを乱流測定に適用することは、静止状態での設置だけでなく、グライダーなどの移動式水中構造物や水中ブイからも行うことができます。
ADCPの2つの大きな利点は、生物付着の影響を受ける可動部がないことと、リモートセンシング機能です。単一の固定式機器で、1000mを超える範囲の海流プロファイルを測定できます。これらの特徴により、水柱のかなりの部分にわたる海流の長期測定が可能になります。1980年代半ばの運用開始以来、数千台のADCPが世界の海洋で使用され、この機器は世界の海洋循環の理解に大きく貢献してきました。
ADCPの主な欠点は、境界付近でデータが失われることです。この現象はサイドローブ干渉と呼ばれることが多く、水柱の6～12%をカバーします。水面を見上げるタイプの機器では、水面付近の速度情報が失われることは大きな欠点となります。コストも懸念事項ですが、安全かつ専門的な運用を確保するために必要な船舶のコストに比べれば、通常はそれほど大きな問題ではありません。
他の音響機器と同様に、ADCPも海洋の騒音公害の一因となり、鯨類の航行やエコーロケーションに支障をきたす可能性がある。[ 11 ] その影響は機器の周波数と出力に依存するが、ほとんどのADCPは騒音公害が深刻な問題として認識されていない周波数範囲で動作する。