海流计发展现状与发展趋势展望.pdf

第 4 6卷第 1 期 2 0 1 7年 2月 船 海 工 程 S HI P 0 CE AN E NGI NE E RI NG V o 1 4 6 No 1 F e b 2 01 7 D O I ： 1 0 3 9 6 3 j is s n 1 6 7 1 - 7 9 5 3 2 0 1 7 0 1 0 2 4 海 流计发展 现状 与发展趋势展望 宋大雷 ， 周相建 ， 陈朝晖 ， 周丽芹 。 郑金明 ( 1 中国海洋大学工程学院， 山东 青岛2 6 6 1 0 0 ； 2 中国海洋大学物理海洋教育部重点实验室， 山东 青岛2 6 6 0 0 3 ) 摘要 ： 从机械海流计、 电磁海流计、 声学多普勒海流计、 声学时差海流计 4方面总结国内外海流计的发 展历程和研究现状 ， 分析比较各种海流计的技术特点和适用场合。展望海流计的发展趋势 ， 为海流计的设计 开发和研究应用提供借鉴和参考。 关键词 ： 流速测量； 机械海流计； 电磁海流计 ； 声学多普勒海流计 ； 声学时差海流计 中图分类号 ： P 7 1 6 文献标 志码 ： A 文章 编号 ： 1 6 7 1 - 7 9 5 3 ( 2 0 1 7 ) 叭- 0 0 9 3 - 0 8 1 机械 海流计发展及现状 机械海流计的发展水平。 海流计是一种测量海水流速和流 向的仪器 ， 安装在 a r g o浮标 、 锚定资 料浮标 、 潜 标、 海 床基、 自治水下机器人 ( A U V) 、 水 下滑翔机 、 调查船等 海洋测流平 台上用于海流观测。 机械海流计在所有类型的海流计 中出现的时 间最早 ， 是过去海洋观测 的主要装备。最早 的机 械海流计是 1 9 0 5年瑞典物理海洋学家 V WE k m a n发明的纯机械 自容式厄克曼海流计 ， 使用一 个带屏蔽壳 体的螺旋 桨和记 录转 盘测量平均 流 速 ， 通过 向盒 中抛金属 球测流 向 。2 0世纪 2 O 年代 ， s J S a v o n iu s 发 明了萨沃纽斯转子 ， 起初用 于测量风速 ， 6 0年代初才 出现萨沃纽斯转子海流 计 ， 从此机械海流计进入快速发展时期。6 0年代 末 7 0年代初 ， Wo o d s H o l e 海洋研究所为表面系泊 深海测流 的需要研制 了萨沃纽斯转 子 V A C M 矢 量平均海流计 ， 后来 A MF公司( 今 E G &G ) 制造 了 商业化的V A C M产品， 成为 6 O年代主要的测流 仪器 。7 0年代末 ， S cr i p p s 海洋研究所的 We l l e r 为 测振荡流使用 旋桨研制 了 V MC M， 不久 E G &G公 司制造了商业化的 V MC M产 品。这一时期 ， 挪威 A a n d e r a a 公司研制了著名的转子式 R C M机械海 流计 ( 见图 1 ) ， 后来该仪器经过多次升级 ， 流速测 量精度高达 1 cm s ， 流向测量精度 -4- 5 。 ， 代表了 收 稿 日期 ： 2 0 1 61 1 1 6 修 回 日期 ： 2 0 1 61 1 2 8 基金项 目： 国家 自然科学基金( 4 1 5 2 7 9 0 1 ) 第一作者： 宋大雷( 1 9 7 l 一) ， 男 ， 博士， 教授 研究方向： 海洋观测仪器检测技术 图 1 Aa n d e l a a公司 RC M 一7机械海流计 我国机械式海 流计 的发展始 于 1 9 5 8年 国务 院科学规划委员会海洋组领导的中国近海海洋综 合调查 ( 简称全 国海洋普查 ) ， 为了满足海洋普查 的需要， 制造 了纯机 械式 的厄克曼 海流计 J 。6 0 年代中期和 7 0年代初 ， 我 国经历了 2次全 国海洋 仪器大会战， 并成立 了国家海洋局海洋技术研究 所 ( 今 国家海洋技术 中 ) 、 青岛仪器仪表研究所 ( 今山东省科学院海洋仪器仪表研究所) 等海洋 仪器设备研究机构 ， 促进 了机械海流计 的进一步 发展和提高 。这一时期比较有代表性 的产品是天 津气象海洋仪器厂生产 的厄克曼海流计和印刷海 流计 J 。8 0年 代 以来 ， 我国机械 海流计 逐渐成 熟 ， 国家海洋局海洋技术研究所 、 中国科学院海洋 研究所、 山东海洋仪器仪表研究所 、 中国海洋大学 等多个科研机构都研制了各 自的机械海流计， 尤 其是 1 9 9 3年青 岛海洋大学( 今 中国海洋大学 ) 研 制 的 S L C 9 2型机械海流计 ， 流速测量精度达到 满量程 的 - I- 1 5 ， 流 向测量 精度达到 4 O ， 代表 了当前 国内机械海流计 的发展水平 ， 至今仍在我 93 2 0 1 7年 第 1 期 宋大霄， 等： 海流计发展现状与发展趋势展望 船海T程 第 4 6卷 同广泛使用 ， 见图 2 。 图 2 中国海洋大学 S L C 92机械海流计 由于机械海流计存在接触测量扰流 、 低流速 下转子或旋桨停转 、 机械转子惯性大等问题 ， 机械 海流计测流精度不高 ， 且无法测量低速流和快速 变化的湍流。由于原理 的限制 ， 机械海流计无法 测量三维流速。此外 ， 机械海流计 的运动部件枉 海水 中容易发生 锈蚀 、 卡死等故 障 。I 大 l 此 ， 随 着声学多普勒测流仪器的推广应用 ， 机械海流计 不再是主流的测流仪器 ， 关于机械海流计 的研究 也逐渐减少。但是 ， 机械海流计 由于其性能可靠 、 结构简单 、 使用方便 、 价格低廉 ， 目前仍被应川 于 水文测量 中对流速测量精度要求不高的场合 。在 科研方面， 机械海流计也用于声多普勒 流速剖 面 仪 ( A D C P ) 、 声多普勒流速计 ( A D V) 等其他类型 测流仪器的标定 。 式 和凸出式 2种类型。6 0年代起 ， 科研人员探讨 了圆柱形 、 球形 、 圆盘形传感器的扰 流问题 ， 美 困 C u s h in g 公 司的 V in ce n t C u s h in g比较 r不同传 感器外形 、 电极形式的电磁海流计在灵敏度 、 线性 响应和余弦响应等方 面的差异 “ 。 _ L 八 十年代 ， 人们先后深入探讨 了均匀流 、 震荡流和组合流场 中电磁海流计 的性能 ， 误差分析发现电磁海流计 在纯均匀流和纯震荡流场中性能 良好 ， 但在均匀 流和震荡流 同时存在 的组合 流场 中测量误 差较 大 。1 9 8 3年 ， 美 同 I n t e r O ce a n S y s t e m s公 司研 制了 s 4型电磁海流计( 见 3 ) ， 其流速测量精度 为测量值的 2 4 - 1 e m s ， 流向测量精度 4- 2 。 ， 是 目前世界上使用最广泛 的电磁海流 _ 。此后 ， 为 进一步了解电磁海流计 的特性 ， 研究人员又开 展 了电磁海流计与 V M C M、 A D C P ， A D V等其他类型 海流计 的比测研 究 ”， 比测结果表 明， 各类型 海流计的测量结果基本一致。 2 电磁 海流计发展 及现状 图3 I n te r o S y s t e m 公 司s 4 型电 磁 海 流 计 国外利用法拉第 电磁感应定律测流已有近百 年的历史。Y o u n g ， G e r r a r d和 J e v o n s 在 1 9 1 8年的 海试 中发现地磁场 中海水 的运动会 产生 电气干 扰 ， 不久又设计实验验证 了流速 和感应电动势之 间的定量关 系 。这个 现象迅速 引起 了人们 的 关注 ， 但 由于地磁场强度较弱 ， 更多的研究人员利 用人工交变磁场测量 海水流速 ， 并 取得 了成功。 1 9 4 7年 。 R WG u e l k e和 C A S ch o u t e V a n n e ck 首先系统地阐述了利用 电磁感应原理测海水流速 的方法 ， 并基于这种方法设计 了一种流速测量装 置 ， 其流速测量精度仅为测量值的 4-1 0 。 。此 后 ， 各科研机构和海洋仪器公司都研制 了有各 自 特色的电磁海 流计 ， 如美 国 Ma r s h McB im e y公 司 的 O E M 5 1 2 、 日本 A L E C株式会社 的 A E M 系列电 磁海流计等， 普遍采用的传感器外形有球形、 圆柱 形 、 圆盘形 3种形式 ， 电极 的安装形式主要有嵌入 9 4 我同对电磁海流计的研究始于上世纪六七十 年代 ， 经过 2次全 同海洋仪器大会战 ， 我同m现 了 电磁海流计 ， 用于第二次太平洋调查和其他海洋 调杏 ， 它 是 当 时大 洋 走 航 测 表 层 流 的惟 一 仪 器 。I 9 6 3年 ， 我同长春气象仪器研究所研制成 功 H L L 2型地磁场电磁海流计。1 9 8 0年 ， 同家海 洋局海洋技术研究所 ( 今 同家海洋技 术中心) 在 H L L 2的基础上研制 了 HL L 2 A型地磁场 电磁海 流计 ， 利用地磁场强度的垂直分量测海流 ， 只能测 表层 海流 ， 测 量精 度仅 为 ( 1 0 4-1 0) cn Cs ， 、 在 1 9 8 4年举办的全同江河湖海仪器交流产 品展 销会 一 L， 国 家 海 洋 局 海 洋 技 术研 究 所 研 制 的 S I c4 1型电磁海流计 ， 是当时深海 区表层测流惟 一 的仪器 。1 9 8 5年 ， 天津气象海洋仪器厂研制 了 S L C 3 2型船用电磁海流计 ， 可测 2 0 0 m以内各 流层的流速、 流向 。虽然 8 0年代后期以来国 2 0 1 7年 第 1 期 宋大雷， 等： 海流计发展现状与发展趋势展望 船海工程 第 4 6卷 内关于电磁海流计 的研究成果很少 ， 但是电磁海 流计仍被我国科研工作者广泛采用 。 电磁海流计没有机械磨损部件 ， 对海水 中的 微粒不敏感 ， 故电磁海流计有性能可靠 、 鲁棒性好 等突 出优点。但电磁海流计的传感器结构影响被 测流场 ， 海水中存在 的电磁干扰和海水 电导率 的 变化会导致测得的 电压产生零 漂， 故电磁海 流计 测流精度不高。此外， 电磁海流计测量前需校准， 故操作 比较繁琐 。实验研究表 明 ， 电磁海流计在 5 2 0 H z的低频宏观湍流 中频率响应 良好 ， 但在 大湍流强度的环境中测量误差较大 ， 故适用于测 量表面波控碎波区和内陆架等环境 中的流速 ， 不 适用于近底浅水环境和近岸沉积物运输等大湍流 强度场合的流速测量 。近年来 ， 关于电磁海流 计的研究以应用 为主， 国外学 者将 电磁海流计用 于地形拦截波垂直结构和水平结构 、 强潮 口落潮 三角洲沙坝动力地貌行为 、 近岸沙洲形成过程 、 大 洋表层环流等方 面的研究_ 1 墙 J ， 国内的王爱军使 用 日本 A L E C电子株式会社研制 的A E M H R研究 了台风对 沿海盐 沼沉积物 动态 响应 的影 响 。 总之 ， 国外对 电磁海流计的研究 比较多 ， 且已形成 商业化的电磁海流计产品 ， 我 国 目前用于科学研 究 的电磁海流计以国外产品为主。 3 声学多普勒海流计发展及现状 3 1 声学多普勒流速剖面仪 国外对声学多普勒测流技术 的研究 比较早。 1 9 6 3年 ， 美 国迈 阿密大学 的 K o cz y等人首先提 出 用声学多普勒技术测 量流速 的思想 J 。6 0年代 末到 7 0年代 初 ， 美 国 白橡树 海 军武 器实 验 室、 C h e s a p e a k e B a y 研究所 、 国家海洋调查局工程开发 实验室、 S p e r r y 海洋仪器公司等都开展了多普勒 测流技术 的研究。8 O年代 ， 美 国 A ME T E K S t r a z a 公司首先 研制 出 3 0 0 k H z的 D C P 4 4 0 0窄带 A D C P 。此 后 不 久 ， 美 国 R D I 、日本 F u r u n o 、 法 国 T h o ms o n 、 挪威 A a n d e r a a等相继推 出了成熟 的窄 带 A D C P产 品。窄带 A D C P只能发射简单脉冲且 带宽很窄 ， 应用 有局限性。9 0年代初 ， 各大海洋 仪器公司和科研机构开始研究宽带多普勒测流技 术 ， R D I ， S o n T e k ， N o r t e k等公 司不久后相继研制 出 宽带 A D C P产品， 见图 4 。 宽带 A D C P能够发 射复杂的超声 波脉冲串 ， 提高了流速测量 范围和测量精度。此后 ， 为 了进 露静 v 1 1 蕾 ， _ _ 图 4 T R D I 公司 Wo r k h o r s e Mo n i t o r A DC P 一 步增大 A D C P的作用距离 ， 各 海洋仪器公 司和 研究机构又研制 出低频率 的宽带相控阵 A D C P 。 此外 ， 为提高流速测量的效率 ， R D I ， N o r t e k等研制 了走航式 A D C P ， 能高效地测出大面积海域的流 场。R D I 研制的工作频率低于 3 0 0 k Hz的 A D C P 流速测量准确度为测量值的( 1 4 - 0 5 )cm s ， 工 作频率超过 6 0 0 k H z 的 A D C P流速测量精度为 0 3 cm s ， 代表了当前 A D C P的技术水平 。 国内对声学多普勒测流技术的研究以科研院 所为主， 主要靠国家科技攻关计划 、 8 6 3计划等科 研基金 的资 助。国家海洋局 海洋技术研究所从 2 0世纪 7 O年 代开始研究船载多普勒测流技术 ， 9 O年代后期研制成功测量水深 1 5 0 m的 2 0 0 k H z 走航式 A D C P ， 并安装在国家海洋局 3条监测船 上。中国科学院声学研究所在谱估计方面进行了 大量的研究 ， 7 O年代后期研制出拖拽式 A D C P样 机 ， 8 0年代初开始研究宽带 A D C P技术 ， 1 9 9 7年 与海洋技术研究所共同承担 8 6 3计划 8 1 8 - 0 3专 题 ， 目标是研制剖面深度为 6 0 m和 3 5 0 m的船用 宽带多功能 A D C P _ 2 。哈尔滨 工程大学水声工 程实验室从 9 0年代就开始 了关于多普勒测速技 术的研究 ， 成功研制出多普勒计程仪等声学多普 勒测速仪器 ， 在多普勒测速理论和相控 阵理论方 面具备较强的基础 。另外 ， 国内在声学多普勒 流速剖面仪方面有研发基础 的单位还有中船重工 第 7 1 5所等。 A D C P是 目前应用最广泛 的流速测量仪器 ， 声学多普勒测流技术是 国内外流速测量领域研究 的热点。2 0 0 8年 ， 日本古野公司发明了一种测量 多普勒频偏的装置， 降低了噪声， 提高了测量精 度 J 。T R D I 、 S o n T e k Y S I 和 N o r t e k公 司针对海 洋观测 、 油气勘探、 导航安全等不同应用研制专用 产品， A D C P呈现出专用化、 系列化、 布放形式多 样化的特点 。近年来 ， 国内科研机构也从未停止 对声学多普勒测 流技术的研究 ， 东南大学 的韩宁 95 2 01 7定 第 1 期 宋大雷， 等： 海流计发展现状 与发展趋势展望 船海 程 第 4 6卷 和方世 良提出用正弦信号组合脉冲调制的方法可 以提高 A D C P测流分辨率和精度 ， 中科院声学 所改进 了宽带声学多普勒技术中模糊速度处理方 法 ， 后来 又研制 出与 目前水 文系统 中用于流量测 验的主流设备性能相 当的河流型声学多普勒流速 剖面仪 。 。此外 ， A D C P也 被用 于湍流耗 散 、 潮 汐观测 、 波浪测量等方面的研究。总之 ， 同外一直 主导着声学多普勒测流技术的发展 ， 虽然我国很 多单位都研制成 功 了声学 多普勒流 速剖面仪样 机， 但是在通过项 目验收后进一步开发形成产 品 的较少 ， 导致国外测流仪器依然 占据着国内市场。 3 2单点声学多普勒海流计 单点声学多普勒海流计安装在浮标 、 潜标 、 锚 定的船等海洋测量平 台上 ， 用于定点测量海水流 速。单点声学多普勒海流计也是基于声学多普勒 测流技术发展而来的， 其发展历程与 A D C P相似。 单点声学多普勒海流计又可分为普通声学多普勒 海流计和声学多普勒流速仪( A D V) 2种类型。 目 前 国外 比较有 名 的普 通 多 普勒 海 流计 有 挪威 A a n d e r a a的 R C M B l u e ( 见 图 5 ) 、 N o e k的 A q u a d o p p等 。声学多普勒流速仪最突 出的特点是测 量精度高、 响应速度快 ， 能精确测量快速变化的湍 流 ， 目前 代 表 产 品有 美 国 S o n T e k公 司研 制 的 A D V和挪威 N o e k公 司研 制 的 V e ct o r ， 见 图 6 。 其 中， V e ct o r 流 速测量 精度 最高 ， 可 达测量 值 的 ( 0 5 1 ) m m s 。 图 5 A a n d e r a a公 司 RC M B l u e 声学 多普勒 海流计 国内在单点声学多普勒海流计研究方面起步 较晚， 国家海洋局第三海洋研究所于上世纪 8 0年 代末研制成功 S L Y I 1型声学多普勒海 流计 ， 南京水利水文 自动化研 究所 于 9 0年代初研制成 功 L S w 1型超声多普勒流速仪 ， 流速测量精度为 全量程 的 1 5 ， 并于 9 0年代末被推广应用到 含沙江河 _ 2 。近年来 ， 国家海洋技术研究所研究 9 6 图 6 N o r t e k公司 V e ct o r声学多普勒流速仪 了声学多普 勒海 流计 数据 采集控制技 术 砷 。此 外 ， 华北电力大学在该方面也有所研究 。在声 学多普勒流速仪方面 ， 清华大学能源重点实验室 的卢浩等使用 A D V研究 了粗糙元展向和流向间 距不同的壁湍流流动特性 ， 清华大学的何奇峰 通过水槽实验系统分析和检验 了 A D V的适用性 ， 并将 A D V用于测量水流紊动特性 、 泥沙浓度和泥 沙浓度紊动 ， 河海大学 的吕升奇等研究了水体 颗粒特性对 A D V信号强度的影响 。在 8 6 3计 划的支持下 ， 中科院声学所于 2 0 1 5年研制 了 A D L 样机 。可见， 目前我国对 A D V的研究 比较多。 3 3声相关流速剖面仪 声相关流速剖 面仪( A C C P) 是在声相关计程 仪( A C L ) 的基础上 发展起来 的一种 新型测流仪 器。与 A D C P相 比， A C C P使用 更小 、 更轻 、 更廉 价的换能器阵测量更大剖 面深度 的流场。2 0世 纪 7 0年代后期 ， D ick e y和 E d w a r d提出了声相关 测速理论 ， 并用于测量船相对于海底的速度 。 R D I 于 9 O年代首先研制成功频 率 7 5 k H z剖面深 度为 4 0 0 I l l 的 A C C P样机 ， 在海试 中与 A D C P比 测结果一致 ， 后来又研制成功 2台频率 2 2 k H z 、 剖 面深度为 1 0 0 0 m的大深度 A C C P 。由于声相 关技 术能够 测量接 近海底 的流速 剖 面， 荷 兰的 R o b e F v a H U n e n等人将声相关技术用于测量 悬浮沙浓度 。 国内对声相关流速 剖面仪 ( A C C P ) 的研究以 中科院声学所为主， 该所于 9 0年代初开始研究声 相关测流速理论， J 9 9 7年承担 8 6 3计划 8 】 8 - 0 3 - 0 2 课题 ， 研究船用 声相关海流剖面 ( A C C P) 测量关 键技术 ， 1 9 9 9年研制成功 7 5 k H z的 A C C P原理样 机 ， 2 0 0 1 年 底研 制 出 2 3 5 k H z大深 度 A C C P样 机 ， 并在 2 0 0 2年初成功完成海试 。 。 盯 J ， 之后又在 2 01 7正 第 1 期 宋大雷， 等： 海流计发展现状与发展趋势展望 船海工程 第 4 6卷 声相关测速理论和信号处理方法方面进行了深入 研究 ， 并讨论了使用 A C C P观测深水散射层 的 可能性 。此外 ， 中船重工 7 2 6研究所 、 7 0 7研究 所九江分部 、 哈尔滨工程大学 、 哈尔滨工业大学等 单位也对声相关测速技术进行 了研究 。 总之 ， 声学多普勒海流计采用遥测的测量方 式 ， 不扰流 ， 且一次可 以测量 整个流速剖面 ， 故流 速测量精度和效率都很高 。声学多普勒海流计频 率响应特性很好 ， 特别适用 于测量快速变化的湍 流 ， 尤其是 A D V能对边界层做非常精确 的测量 。 但是 ， 声学多普勒海 流计存在一定 的测量盲 区。 此外 ， 由于声学多普勒海流计是通过测 量散射体 的速度测海水流速的， 故只能用于测量沿海等散 射体浓度高于一定值海域 的流速 ， 在极深水和极 地等散射体 浓度过低 的海水 中无 法应用 。近年 来 ， 声学多普勒海流计仍 是国内外应用最广泛 的 流速测量仪器 ， 其 中关 于声学多普勒流速剖面仪 的研究最多 ， 关于单 点声学 多普勒海流计 的研究 次之 ， 关于声相关流速剖面仪的研究成果最少。 4 声学时差海流计的发展及现状 国外从 2 0世纪 7 0年代就开始了声学时差法 测流技术的研究 ， 关于时差海流计的研究主要 出 自美国 Wo o d s H o l e 海洋研究所 、 N O B S K A公 司和 F S I 公 司。1 9 7 5年 ， G y t r e和 T r y g v e 提 出用声学时 差法 测 量 流速 可 以达 到很 高 的精 度 j 。1 9 7 7 年 ， Wo o d s H o l e 海洋研究所 的 A J Wil l ia m s 将声 学时差传感器搭载在 自由落体探头上 ， 用于测量 水平速度 的垂直剪切 。A J Wil l ia ms 在 O N R 和 N S F的资助下 研制 出深海声学 压力计 B A S S ， 在海底边界层 的研究 中用于测量雷诺应力 ， 在海 水 表 面边 界层 的研究 中用 于研 究 海气 相 互作 用 J ， 在近底混合方面的研究中用于测量物质通 量 、 热通量、 盐通量 、 输沙量等参数 ， 在海浪过 程 的研 究 中用 于研 究 波 浪对 沉 积 物运 输 的影 响 。此外 ， B A S S还被用 于测 量旋量和里查逊 数 _ 4 J 。在海底风暴试验未获得资助 的情况下 ， AJ wil l i锄 s在 B A S S的基础上研 制出体积更 小 、 成本更低的 M A V S ， 期望能够以模块的形式嵌 人海洋观测系统 。1 9 9 7年 ， N O B S K A成立 ， MA V S ( 见图 7 ) 开始商业化 ， 至今 已形成 5代产品， 广泛 应用于海洋渔业 、 油气勘探 、 科学研究等领域 中。 在美国海军研究局 的资助下 ，Wo o d s H o l e海洋研 究所的 N L B r o w n和 K D L a w s o n提出基于声信 号相位差的流速测量方法 ， 并详细阐述了一种新型 声学时差海流计 的计方法 ， F S I 基于该技术于 2 0世纪9 O年代先后开发出商业化的3轴声学时差 海流计 3 D A C M和 2轴声学时差海流计 2 D A C M。 图 7 N OB S KA公 司 MA VS - 4声 学时差海流计 图 8 F S I公 司 2 D ACM 声 学 时 差 海 流 计 我国对声学时差海流计 的研究 比较少 ， 国家 海洋局海洋技术研究所 ( 今 国家海 洋技术 中心) 于 2 0世纪 8 0年代研制成功基于时差法的声学矢 量平 均海 流计 ， 安装 在资料 浮标 上用 于测表层 流 。近年来 ， 哈尔滨工程大学王 向红等人在声 学时差法测流技术方面做 了大量研究 ， 提出了互 相关 时延估计 、 时间电压转换等声传播微小时差 精确测量方法 引， 并在此基础上提出了声学时差 海流计的设计方案 。 声学时差海流计频率响应好 、 无测量死区、 测 速不依赖反射体、 对气泡不敏感 ， 能够测量三维流 速 ， 特别适用于湍流、 低速流 、 纯净流 、 碎波区的流 速测量。虽然声学时差海流计也存在 扰流问题 ， 但在测流时舍弃了受 干扰最大的测量声轴 ， 因此 仍有很高的测流精度。此外 ， 声学时差海流计无 活动部件 ， 性能可靠。近年来 ， 有研究表明声学时 差海流计在气泡浓度超过 2 5 的环境 中测量误 差较大 。美 国的 N O B S K A公 司和 F S I 公 司 目 9 7 2 01 7往 第 1 期 宋大雷， 等 ： 海流计发展现状与发展趋势展望 船海工程 第 4 6卷 前在声学时差法测流技术领域处于领先地位 ， 都 有商业 化 的声 学 时差 海流 计产 品 ， N O B S K A 的 M A V S 一 5 流速测量精度为 0 3 cm s ， 流向测量精 度为 2 。 ， 代表着 当前声学时差海流计 的发展水 平。 目前 ， 国内从事声学时差海流计研究 的科研 单位 以哈尔滨工程大学为主， 我国至今并没有 出 现商业化的时差海流计产品。 5 海流计的发展趋势展望 度远高于机械海流计和 电磁海流计 ， 声学多普勒 海流计与时差海流计精度相 当； 从测量效率方 面 看 ， 声学多普勒海流计测流效率最高； 从适用海域 方面看 ， 声学多普勒海流计在散射体浓度过低 的 海域中无法使用 ， 声学时差海流计却不受此限制 ； 从适用海流深度方面看 ， 电磁海流计在表 面边界 层海流观测中表现 良好 ； 从成本方面看 ， 机械海流 计价格最低 ， 在测流精度要求不高的场合有优势。 因此 ， 每类海流计都有各 自的特点和适用场合 ， 见 各类海流计各具特色 ， 未来 流速测量仍会保 表 1 。声学多普勒海流计仍将是未来 的主流测流 持以声学多普勒海流计为主、 多种类 型海流计并 设备 ， 声学时差海流计优势明显 ， 有较大的发展潜 存的局面。从测流精度方面看 ， 声学海 流计 的精 力。 表 1 各类海流计优缺点 比较 分类 优点 缺点 机械海流计 结构简单 ， 性能可靠， 价格低廉 ， 使用方便 精度低， 有测量死区， 频率响应差 ， 无法测三维流速 电磁海流计 鲁棒性好， 频率响应一般， 对气泡 、 颗粒不敏感 扰流严重， 易受电磁干扰， 精度不高， 能耗高 声学多普勒海流计 不扰流， 精度高， 三维测速， 测量效率高 有测量盲区， 无法测量不含散射体的清水流速 声学时差海流计 精度高， 频率响应好， 三维测速， 不依赖反射体 轻微扰流 ， 水温影响声速， 气泡、 颗粒浓度不宜过高 未来海流计发展将呈现以下特点。 1 ) 海流计 发展将呈现 专用化。声 学多普勒 海流计正向专用化方向发展 ， 针对油气开发 、 海洋 渔业 、 近岸海洋工程 、 可再生能源、 导航安全 、 河流 水文监测等应用设计专用海流计 。 2 ) 仪器体 积将逐渐小 型化。海 流计 通常作 为一个独立的仪器外挂在海洋测流平台上， 若能 将其简化成一个测流传感器 ， 同时将电子舱集成 在载体内部 ， 那么将会大大减轻载体负担 ， 这一点 尤其对基于 A U V、 水下滑翔机等移动平台的流速 测 量有 重要 意义 。 3 ) 海流计布放方式更加多样化。 目前 ， 海流 计能够布放在浮标 、 潜标 、 海床基、 水下机器人 、 调 查船及海洋工程结构物等平台上 ， 实现单点测流 或向上 、 向下 、 向两侧等形式 的剖面测量 ， 随着新 型海洋测流平台和应用需求的出现， 将会 出现更 加多样的布放形式。 4 ) 海流计性能将会进 一步提高 。海流计作 为重要的海洋观测仪器一直是海洋工作者研究的 课题 ， 随着技术的不断发展 ， 海流计的测流精度将 会更 高， 功耗将会更低 ， 剖面作用距离将会更大 ， 可靠性将会更高。 6 总结 综上所述 ， 国外一直主导着测流技术的发展 ， 98 我国经过半个多世纪的发展在海流计研制方面已 取得 了可喜的成绩 ， 但与国外仍存在一定的差距 。 总体来讲 ， 各类海流计都有其优缺点 ， 适用于不同 的场合和应用需求 ， 海流计正在向着专用化、 小型 化、 布放形式多样化 、 高性能 、 低成本的方向发展 。 参考文献 1 J E N K I N S A D， B Y E J A T S o me a s p e ct s o f t h e w o r k o f V WE k m a n J P o l a r r e co r d ， 2 0 0 6 ， 4 2( 2 2 0) ： 1 5 22 2 惠绍棠， 霍树梅 中国海洋仪器设备研究发展的历史 回顾 J 海洋技术， 1 9 9 8 ， 1 7 ( 4 ) ： 1 - 6 3 张正惕， 杨世伦， 谷国传 我国海洋测流仪器 的发展 与现状 J 海洋技术， 1 9 9 9 ， 1 8 ( 2 ) ： 1 7 - 2 1 f 4 HO S E G O O D P，H A R E N H V E k m a n i n d u ce d t u r h u l e n ce o v e r t he co n t in e n t a l s l o p e in t h e Fa e r o e S h e t l a nd C h a n n e l a s in f e n re d f r o m s p ik e s in cu r r e n t me t e r o b s e r v a t i o n s J D e e p s e a r e s e a r ch I ，2 0 0 3 ， 5 0( 5) ： 6 5 7 - 68 0 5 O B E R G K，MU E L L E R D S V al id a t io n o f s t r e a m fl o w me a s ur e me n t s ma d e wit h a co us t ic Do p p l e r curre n t pr o fi l e r s J J o u r n al o f h y d r a u l ic e n g in e e r i n g ，2 0 0 7， 1 3 3 ( 1 2 ) ： 1 4 2 1 1 4 3 2 6 R E H ME L MA p p l i ca t io n of a co u s t ic d o p p l e r v e l o cim e t e r s f o r s t r e a m fl o w m e a s u r e m e n t s J J o u r n a l of h y d r a u l ic e n g i n e e r in g ， 2 0 0 7 ， 1 3 3 ( 1 2 ) ： 1 4 3 3 1 4 3 8 7 Y O U N G F B， G E R R A R D H， J E V O N S WO n e l e ct r i ca l 201 7 正 第 1 期 宋大雷， 等 ： 海流计发展现状与发展趋势展望 船海工程 第 4 6卷 d i s t u r b a n ce s d u e t o t i d e s a n d w a v e s J P h i l o s o p h i ca l m a g a z in e s e tie s 6 ，1 9 2 0 ， 4 0 ( 2 3 5 ) ： 1 4 9 1 5 9 8 G U E L K E R W， S C HO U T E - V A N N E C K C A T h e me a s u r e me n t o f s e a wa t e r v e l o cit ie s b y e l e ct r o ma g n e t ic in d u c t io n J J o u r n a l o f p o w e r e n g in e e r i n g ，1 9 4 7， 9 4 ( 3 7 ) ： 71 7 4 9 R O S H K O A E x p e r i m e n t s o n t h e fl o w p a s t a ci r cu l a r cy l i n d e r a t v e r y h i g h R e y n o l d s n u m b e r J J o u r n a l o f fl u i d m e ch a n i cs ，1 9 6 1 ， 1 0 ( 3 ) ： 3 4 5 - 3 5 6 1 0 C U S H I N G V E l e ct r o m a g n e t ic w a t e r ct t rr e n t m e t e r C P r o ce e d i n g s o f t h e OC E AN S 7 6 C o n f e r e n ce ，Wa s h i n g t o n D C： 1 9 7 6 1 1 A U B R E Y D G，T R O WB R I D G E J HK i n e m a t ic a n d d y n a mic e s t ima t e s f r o m e l e ct r o ma g n e t ic cu r r e n t me t e r d a t a J J o u r n a l o f g e o p h y s ica l r e s e a r ch ，1 9 8 5 ， 9 0 ( C 5 ) ： 9 1 3 7 9 1 4 6 1 2 B E A R D S L E Y R， B R I S C O E M， S I G N E L L R， e t a 1 A VMCM s 4 cu r r e n t me t e r in t e r co mp a r is o n o n a s u r f a ce m o o tin g in s h a l l o w w a t e r C P r o ce e d in g s o f t h e 1 9 8 6 I E EE T h ir d W o r k in g C o n f e r e n ce o n C u r r e n t Me a s u r e - me n t ，1 9 8 6： 7 - 1 2 1 3 MA C V I C AR B ，B E A U L I E U E，C H A MP A G N E V，e t a1Me a s u r in g wa t e r v e l o cit y in h ig h l y t u r b u l e n t fl o ws ： f ie l d t e s t s o f a n e l e ct r o m a gne t i c cu rr e n t me t e r( E C M) a n d a n a co u s t ic d o p p l e r v e l o ci me t e r( A D V) J E a a h s u r f a ce p r o ce s s e s a n d l a n d f o r ms ， 2 0 0 7 ， 3 2 ( 9 ) ： 1 41 2 1 43 2 1 4 海洋仪器研究所 2 0 5组 HL L 2 ： A型电磁海流计及 其使用的几个问题 J 海洋技术 ， 1 9 8 0 ( 1 ) ： 1 1 3+ 6 0 1 5 王凤玲 基于倾角法的海流计设计 D 青岛： 中国 海洋大学 ， 2 0 0 8 1 6 I G E T A Y，K I T A D E Y，MA T S U Y A MA MC h a r a ct e r - is t ics o f co a s t a l t r a p p e d wa v e s in d u ce d b y t y p h o o n a l o n g t h e s o u t h e a s t co a s t o f H o n s h u ， J a p a n J J o u rna l o f o ce a n o g r a p h y ， 2 0 0 7 ， 6 3 ( 5 ) ： 7 4 5 - 7 6 0 1 7 R O B I N N，L E V O Y F， MO N F O R T O B a r m o r p h o d y n a mic b e h a v io u r o n t h e e b b d e l t a o f a ma cr o t id al in l e t ( N o r m a n d y ， F r a n ce ) J J o u rna l o f co a s t a l r e s e a r ch ， 2 0 0 7， 2 3 ( 6 ) ： 1 3 7 0 - 1 3 7 8 1 8A A G A A R D T，K R O O N A，H U G H E S M G，e t a 1 F ie l d o b s e r v a t io n s o f n e a r s h o r e b a r f o rm a t io n f J E a a h s u r f a ce p r o ce s s e s a n d l a n d for m s ，2 0 0 8 ， 3 3 ( 7 ) ： 1 0 2 1 1 0 3 2 1 9 WA N G A， G A O S ， C H E N J ， e t a 1 S e d i me n t d y n a m ic r e s p o n s e s 0 f co a s t a l s a l t ma r s h t o t y p h o o n“ K AEMI ”i n Q u a n z h o u B a y ， F u j i a n P r o v i n ce ，C h in a J C h i n e s e s cie n ce b u l l e t in ， 2 0 0 9 ， 5 4 ( 1 ) ： 1 2 0 - 1 3 0 2 0 K O C Z Y F ，K R O N E N G O L D M，L O E WE N S T E I N J A D o p p l e r cu r r e n t m e t e r M N e w Y o r k ：P l e n u m Pr e s s，1 9 63 2 1 王长红， 朱敏 ， 何平 ， 等 声相关流速剖面仪( A C C P ) 原理样机研制 C 武汉： 中国声学学会 1 9 9 9年青 年学术会议 ， 1 9 9 9 2 2 朱光文 我国海洋探测技术五十年发展的回顾与展 望( 一) J 海洋技术 ， 1 9 9 9， 1 8 ( 2 ) ： 2 1 7 2 3 马淳燕 宽带相控多普勒测速技术研究 D 哈尔 滨 ： 哈尔滨工程大学 ， 2 0 0 9 2 4 K A WA N A MI S ，O I L I M O T O K， M U S HIA K E M D o p p l e r me a s u r in g d e v ice f o r w a t e r cu rre n t me t e r ，h a s b a r y ce n t ri c e q u e n cy d e t e rm in e r d e t e rm in i n g b a r y ce n t r i c f r e q u e n cy o f r e ce iv e d e ch o s ig n a l ，a n d Do p p l e r s h if t d e t e r mi n e r d e t e rmin in g D o p p l e r s h i f tP J a p a n ： GB 2 4 3 7 6 1 9 - A ， 2 0 0 7 1