音響ドップラー流速計

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、水柱内の粒子から散乱した音波のドップラー効果を利用して、ある深さの範囲にわたって水流速度を測定するために使用されます。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RD Instrumentsが1980 年代に導入した機器シリーズに由来しています。ADCP の動作周波数範囲は、38  kHzから数メガヘルツです。

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ます。

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ーが含まれています。音波の移動時間から距離の推定値が得られます。エコーの周波数シフトは、音響経路に沿った水流速度に比例します。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 速度のみが関係し、ADCP には通常 2 つのビームがあります。近年、ADCP にさらに多くの機能が追加され (特に波と乱流の測定)、2、3、4、5、または 9 つのビームを備えたシステムも見つかります。

ADCP のその他のコンポーネントには、電子増幅器、受信機、移動時間を測定するための時計、温度センサー、方位を知るためのコンパス、および方位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、アナログ/デジタル コンバーターとデジタル信号プロセッサーが、戻り信号をサンプリングする必要があります。温度センサーは、海水の状態方程式を使用して機器の位置での音速を推定するために使用され、これを使用して水流の速度に対する周波数シフトのスケールを推定します。この手順では、塩分濃度が事前に設定された定数値であると想定しています。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流速度を計算するために、3 つの一般的な方法が使用されています。最初の方法は単色の送信パルスを使用し、「非干渉性」または「狭帯域」と呼ばれます。この方法は堅牢で、高品質の平均流プロファイルを提供しますが、空間時間分解能が制限されています。送信パルスが繰り返されるコード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 コーディング」^[1]または「広帯域」と呼ばれます。この方法により、空間時間分解能が 5 倍 (通常) 向上します。商業的には、この方法は 2011 年まで米国特許^[2] 5615173 によって保護されていました。パルス間コヒーレント法^{[3] は}、後続のパルスからのエコーが互いに干渉しないと想定される送信パルスのシーケンスに依存します。この方法は、非常に短いプロファイリング範囲にのみ適用できますが、それに対応する空間時間分解能の向上は 1000 倍です。

取り付け方法によって、横向き、下向き、上向きの ADCP を区別できます。底部に取り付ける ADCP は、表面まで等間隔で流れの速度と方向を測定できます。川や運河の壁や橋の杭に横向きに取り付けると、岸から岸までの流速プロファイルを測定できます。非常に深い水域では、表面からケーブルで降ろすことができます。

主な用途は海洋学です。^{[4]この機器は}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。

水柱内の係留装置に取り付けるか、直接海底に設置して、水流と波の調査を行うことができます。これらの装置は、一度に何年も水中に留まることができますが、制限要因はバッテリー パックの寿命です。展開の性質に応じて、通常、機器は、データ通信に同じアンビリカル ケーブルを使用して、陸上から電源を供給できます。標準のアルカリ パック をリチウム バッテリー パックに置き換えると、展開期間を 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により、機器と海底の相対速度を測定することができます。この機能は、海底追跡と呼ばれます。このプロセスは 2 つの部分で構成されます。最初に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。移動中の船舶に ADCP が搭載されている場合、測定された水流速度から海底追跡速度を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。海底追跡は、沿岸地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、船舶の速度は、GPS、ジャイロなど からの速度と方向情報のより複雑な組み合わせから推定されます。

河川では、ADCP は総水輸送量の測定に使用されます。この方法では、ADCP を船体に取り付けた船が、連続的に測定しながら一方の岸からもう一方の岸まで渡る必要があります。底部の軌跡機能を使用して、左岸と右岸の領域を調整した後、船の軌跡と断面積を推定します。次に、ベクトル軌跡と流速のドット積として流量を計算できます。この方法は世界中の水路調査組織で使用されており、河川流量を連続的に監視するために多くの場所で使用されている水位流量曲線の重要な要素となっています。

水中車両の場合、海底追跡機能はナビゲーション システムの重要なコンポーネントとして使用できます。この場合、車両の速度は、初期位置の決定、コンパスまたはジャイロの方向、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。センサー スイートは (通常はカルマン フィルターを使用して) 組み合わされ、車両の位置を推定します。これは、潜水艦、自律型、および遠隔操作型水中車両のナビゲーションに役立ちます。

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で推定されます。波の方向は、ビームに沿った速度推定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見つけられます。波の測定は通常、海底に取り付けられた機器で可能ですが、最近の改良により、回転する海底ブイにも機器を取り付けることができます。^[5]

パルス間コヒーレント処理を備えた ADCP は、小規模な動きを解析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になります。一般的なアプローチは、ビームに沿った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 の乱流測定への適用は、固定配置から可能ですが、グライダーなどの移動する水中構造物や海底ブイから行うこともできます。

ADCP の 2 つの主な利点は、生物付着の影響を受ける可動部品がないことと、リモート センシングの側面です。リモート センシングの側面では、1 つの固定式機器で 1,000 メートルを超える範囲の海流プロファイルを測定できます。これらの機能により、水柱の大部分の海流を長期間測定できます。1980 年代半ばの開始以来、何千もの ADCP が世界中の海洋で使用されており、この機器は世界の海洋循環を理解する上で重要な役割を果たしてきました。

ADCP の主な欠点は、境界付近でデータが失われることです。サイドローブ干渉と呼ばれるこのメカニズムは、水柱の 6 ～ 12% をカバーし、水面を見上げる機器の場合、水面付近の速度情報が失われることは大きな欠点です。コストも懸念事項ですが、安全でプロフェッショナルな展開を保証するために必要な船舶のコストに比べれば、通常は大した問題ではありません。

他の音響機器と同様に、ADCPは海洋の騒音公害の一因となり、クジラ類の航行やエコーロケーションを妨げる可能性があります。^[6] 影響は機器の周波数と電力に依存しますが、ほとんどのADCPは騒音公害が深刻な問題であるとは確認されていない周波数範囲で動作します。