海流計(jì)的發(fā)展現(xiàn)狀及其應(yīng)用

喬正明 陳超 吳姚振 朱娟

摘要：為解決海流計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中存在的部分專業(yè)術(shù)語(yǔ)不規(guī)范、譯名不統(tǒng)一和歸類有差異等問(wèn)題 ， 促進(jìn)海洋觀測(cè)儀器的發(fā)展和應(yīng)用 ， 文章參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、權(quán)威專著和專業(yè)文獻(xiàn)等資料 ， 根據(jù)海流計(jì)的工作原理和使用性質(zhì) ， 結(jié)合業(yè)界實(shí)踐經(jīng)驗(yàn) ， 系統(tǒng)梳理各類型海流計(jì)的命名、分類、適用范圍、特點(diǎn)和發(fā)展方向等內(nèi)容。研究結(jié)果表明：海流計(jì)可定義為“一種用于測(cè)量海水流速和流向的儀器”， 根據(jù)工作原理主要分為機(jī)械式海流計(jì)、電磁海流計(jì)、聲學(xué)海流計(jì)和其他海流計(jì)4個(gè)大類 ， 不同類型的海流計(jì)各具特性;其中 ，機(jī)械式海流計(jì)主要包括厄克曼海流計(jì)、印刷海流計(jì)、照相型海流計(jì)、磁錄式海流計(jì)、遙測(cè)海流計(jì)和直讀式海流計(jì) ， 電磁海流計(jì)主要包括地磁場(chǎng)電磁海流計(jì)和人造磁場(chǎng)電磁海流計(jì) ， 聲學(xué)海流計(jì)主要包括聲學(xué)多普勒流速剖面儀、聲學(xué)多普勒海流單點(diǎn)測(cè)量?jī)x、聲學(xué)多普勒流速儀和時(shí)差式聲學(xué)海流計(jì) ， 其他海流計(jì)主要包括激光多普勒測(cè)速儀、電阻式海流計(jì)、應(yīng)變片海流計(jì)、傾斜式海流計(jì)、粒子圖像測(cè)速儀和海洋湍流剖面儀。

關(guān)鍵詞：海流觀測(cè);海流計(jì);機(jī)械式海流計(jì);電磁海流計(jì);聲學(xué)海流計(jì)

中圖分類號(hào)：P716;P714????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A?????? 文章編號(hào)：1005-9857（2021）12-0085-08

Development Status and Application of Current MetersQIAO Zhengming1，CHEN Chao2，WU Yaozhen3，ZHU Juan1

（1.Preparation Office of Zhangzhou base of National Marine Technology Center，Xiamen 361007，China;

2.CSIC PRIDe （Nanjing） Atmospheric &. Oceanic Information System Co.，Ltd.，Nanjing 211106，China;

3.Troops 91001，Beijing 110108，China）

Abstract：In order to solve the problems of nonstandard use of some professional terms， inconsistent translation and different classification in the practical application of current meters， referringto the national standards， industry specifications and relevant literature， combined with the principle and application of current measurement， this paper figured out the naming， classification，scope of application， characteristics and development direction of various types of current meterssystematically， which could also promote the development and application of ocean observationinstruments. The results showed that the current meter could be defined as “an instrument formeasuring the velocity and direction of sea water".The current meters were mainly divided into4 categories： mechanical current meters， electromagnetic current meters， acoustic current metersand other current meters according to the working principle and different types of current metershad their own characteristics. Mechanical current meters mainly included Ekman current meter，printing current meter， photographic current meter， magnetic recording current meter， telemetering current meter and direct reading current meter. Electromagnetic current meters mainly included geomagnetic electromagnetic current meter and artificial magnetic electromagnetic currentmeter. Acoustic current meters mainly included acoustic doppler current profiler， acousticdoppler current single point current measuring instrument， acoustic doppler current meter andtime different acoustic current meter. Other current meters mainly included laser doppler anemometry， resistance current meter， strain current meter， inclined current meter， particle imagevelocimeter and ocean turbulence profiler.

Keywords：Current observation，Current meter，Mechanical current meter，Electromagnetic currentmeter，Acoustic current meter

0 引言

海流是海洋動(dòng)力環(huán)境的重要參數(shù) ，對(duì)全球氣候穩(wěn)定、海洋生態(tài)系統(tǒng)平衡和海洋開(kāi)發(fā)利用等發(fā)揮至關(guān)重要的作用 ， 因此海流觀測(cè)技術(shù)一直是海洋觀測(cè)領(lǐng)域的關(guān)注焦點(diǎn)之一[1-2]。

為在惡劣的海洋環(huán)境下準(zhǔn)確和便利地觀測(cè)海流 ，人類自17世紀(jì)開(kāi)始使用漂流瓶和海冰等漂浮物觀測(cè)表層海流 ， 開(kāi)啟人類觀測(cè)海流的歷史[3]。1905年世界首臺(tái)機(jī)械式海流計(jì)—厄克曼海流計(jì)問(wèn)世 ，實(shí)現(xiàn)海流測(cè)量?jī)x器從無(wú)到有、測(cè)量范圍從淺到深和測(cè)量數(shù)據(jù)從直讀到自容的轉(zhuǎn)變[4]。 20世紀(jì)70年代末至80年代初 ， 首臺(tái)聲學(xué)多普勒流速剖面儀（ADCP）實(shí)現(xiàn)非接觸、無(wú)干擾和剖面三維的海流流速測(cè)量[5]。20世紀(jì)70年代以來(lái) ， 隨著海洋遙感衛(wèi)星和海洋觀測(cè)雷達(dá)等技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用 ， 實(shí)現(xiàn)對(duì)海流的全天候、大范圍和不間斷觀測(cè)[6]。經(jīng)過(guò)百余年的發(fā)展 ， 人類已發(fā)明和制造上百種測(cè)流儀器 ，獲取和積累豐富的海流數(shù)據(jù) ， 為認(rèn)知海洋、探索海洋、研究海洋和應(yīng)用海洋奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

對(duì)于海流計(jì)的常用術(shù)語(yǔ)、分類和命名等 ， 我國(guó)雖已頒布多項(xiàng)國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范 ，但在實(shí)際應(yīng)用中仍然存在一些問(wèn)題。①專業(yè)術(shù)語(yǔ)的定義未及時(shí)更新 ，如隨著新型測(cè)流方法的補(bǔ)充和擴(kuò)展 ， 海流計(jì)的定義未及時(shí)更新;②儀器譯名有差異 ， 如厄克曼海流計(jì)[7]有時(shí)會(huì)被譯為?？寺Ａ饔?jì)[8]或艾克曼海流計(jì);③儀器歸類不統(tǒng)一，如有時(shí)將 ADCP列為聲學(xué)海流計(jì)的種類之一，而有時(shí)又將其單獨(dú)列類。為使海流觀測(cè)儀器的分類和命名具有連續(xù)性和繼承性 ，避免出現(xiàn)新的混亂 ，本研究參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、權(quán)威專著和專業(yè)文獻(xiàn)等資料 ，依據(jù)海流觀測(cè)儀器的工作原理和使用性質(zhì) ， 結(jié)合業(yè)界實(shí)踐經(jīng)驗(yàn) ， 在原有分類的基礎(chǔ)上對(duì)海流計(jì)的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行梳理和總結(jié) ， 以期提供借鑒和參考。

1 海流計(jì)的概念和分類

國(guó)家專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《海洋儀器術(shù)語(yǔ)》（ZB Y 188-83）將海流計(jì)定義為“測(cè)量海流的流速和流向的儀器總稱”[7] ， 國(guó)家機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《海流儀器測(cè)試方法》（JB/T 7480-94）中的海流儀器即海流計(jì)[9]。近年來(lái) ， 隨著海洋遙感衛(wèi)星和海洋觀測(cè)雷達(dá)等新型測(cè)流技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用 ，遙感測(cè)流已成為海流觀測(cè)的重要組成部分。對(duì)于海洋遙感衛(wèi)星和海洋觀測(cè)雷達(dá)是否納入海流計(jì)范疇 ， 目前鮮有文獻(xiàn)提及 ， 本研究暫不討論。為區(qū)分遙感測(cè)流儀器與海流計(jì) ，建議將海流計(jì)的定義改為“一種用于測(cè)量海水流速和流向的儀器”[10]更加準(zhǔn)確。

根據(jù)工作原理 ， 海流計(jì)主要分為機(jī)械式海流計(jì)、電磁海流計(jì)、聲學(xué)海流計(jì)和其他海流計(jì)4個(gè)大類[1， 11]。

2 機(jī)械式海流計(jì)

機(jī)械式海流計(jì)依據(jù)轉(zhuǎn)子或旋槳受水流推動(dòng)的轉(zhuǎn)速測(cè)量流速，并依據(jù)磁羅盤確定流向[10，12]。根據(jù)水流驅(qū)動(dòng)的慣性元件的不同，機(jī)械式海流計(jì)可分為2種。①機(jī)械轉(zhuǎn)子式海流計(jì)，即在水流作用下轉(zhuǎn)子向一定方向只做單向旋轉(zhuǎn) ，其轉(zhuǎn)速與流速有一定或近似的線性關(guān)系，轉(zhuǎn)子分為薩沃紐斯轉(zhuǎn)子和環(huán)形轉(zhuǎn)子等;②機(jī)械旋槳式海流計(jì) ， 即在水流作用下旋槳依水流的正、反方向旋轉(zhuǎn) ， 其轉(zhuǎn)速與流速有一定或近似的線性關(guān)系，旋槳分為風(fēng)車形旋槳和螺旋形旋槳[7]。根據(jù)數(shù)據(jù)記錄方式的不同，機(jī)械式海流計(jì)可分為厄克曼海流計(jì)、印刷海流計(jì)、照相型海流計(jì)、磁錄式海流計(jì)、遙測(cè)海流計(jì)和直讀式海流計(jì)等類型[7，13]。

需要說(shuō)明的是 ， 由于業(yè)內(nèi)對(duì)于同類型海流計(jì)的稱呼有所差異，為不造成新的混亂 ， 本研究中的海流計(jì)名稱均與國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范保持一致 ，若無(wú)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范則參考業(yè)內(nèi)慣稱。

2.1 厄克曼海流計(jì)[1，4， 10-11]

厄克曼海流計(jì)是由瑞典物理海洋學(xué)家 Ekman 于1905年設(shè)計(jì)并制造的自容式測(cè)流儀器，能夠記錄給定時(shí)間間隔內(nèi)水流的平均流速和流向 ， 由軛架、旋槳、離合器、計(jì)數(shù)器、記錄表盤、承接盒和尾舵等部件構(gòu)成（圖1）。

厄克曼海流計(jì)在工作時(shí)，通過(guò)1個(gè)帶屏蔽殼體的旋槳和記錄表盤測(cè)量平均流速，并根據(jù)流入承接盒內(nèi)小球的分布確定流向，其中旋槳的起動(dòng)速度通常為0.03m/s。流速的最大測(cè)量誤差為±0.05m/s，流向的測(cè)量誤差為±（10°～15°）。

厄克曼海流計(jì)雖已逐漸退出歷史舞臺(tái) ，但其基本原理仍被沿用至今。

2.2 印刷海流計(jì)[11， 14]

印刷海流計(jì)是錨碇船用或浮標(biāo)用的定點(diǎn)自記測(cè)流儀器，能夠測(cè)量和記錄給定時(shí)間間隔內(nèi)水流的平均流速和瞬時(shí)流向 ， 由外殼和記錄機(jī)構(gòu)（包括時(shí)間控制系統(tǒng)、齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)、字盤和印刷系統(tǒng)）等部件構(gòu)成。

印刷海流計(jì)在工作時(shí)，海流推動(dòng)旋杯，通過(guò)記錄紙上印刷出來(lái)的流速字盤數(shù)字得出平均流速，并根據(jù)尾舵方向與記錄機(jī)構(gòu)內(nèi)磁針間的夾角確定流向。代表型號(hào)包括 SLC61型和 SLC62型，最大使用水深分別為250 m 和1200 m，連續(xù)記錄時(shí)間為2～6個(gè)月。流速的測(cè)量范圍通常為0.03～1.50m/s，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差不超過(guò)2%，流向的最大測(cè)量誤差為±5°。

由于數(shù)據(jù)記錄和處理方式較落后，印刷海流計(jì)已逐步被淘汰。

2.3 照相型海流計(jì)

照相型海流計(jì)是錨碇船用或浮標(biāo)用的定點(diǎn)自記測(cè)流儀器，通過(guò)1個(gè)大直徑導(dǎo)流葉輪測(cè)量流速，由隨海流方向轉(zhuǎn)動(dòng)的度盤示數(shù)確定流向，并以照相方式將測(cè)量數(shù)據(jù)記錄在耐壓殼內(nèi)的膠卷上。照相型海流計(jì)通常使用寬為16mm、長(zhǎng)為15 m 的膠卷，每次大約可記錄6000幅照片，測(cè)量深度為150 m ， 自記工作時(shí)間約為30d。

關(guān)于照相型海流計(jì)的文獻(xiàn)資料較少，且該型海流計(jì)目前已被淘汰。

2.4 磁錄式海流計(jì)[15]

磁錄式海流計(jì)是錨碇浮標(biāo)用的定點(diǎn)自記測(cè)流儀器，通過(guò)薩沃紐斯等轉(zhuǎn)子感應(yīng)將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為電壓以測(cè)量流速，利用磁通門羅盤等確定流向，并以二進(jìn)制編碼方式或其他方式將測(cè)量數(shù)據(jù)記錄在磁帶上。儀器的使用深度為1000～6000 m，流速的測(cè)量范圍為0.03～4.00 m/s，測(cè)量誤差為±（0.03～0.05） m/s，流向的最大測(cè)量誤差為±5°。

較常見(jiàn)的磁錄式海流計(jì)為挪威產(chǎn)的安得拉海流計(jì) ，其是目前世界上使用最廣泛的海流計(jì)之一。

2.5 遙測(cè)海流計(jì)

遙測(cè)海流計(jì)是錨碇浮標(biāo)用的定點(diǎn)自記測(cè)流儀器，通過(guò)在自記儀紙帶上記錄脈沖頻率和相對(duì)位置確定流速和流向。儀器上安裝雙頻道無(wú)線電遙測(cè)裝置，包括安裝在浮標(biāo)上的傳感器以及安裝在船上或岸站的接收裝置 ， 接收裝置能夠連續(xù)定向接收3個(gè)浮標(biāo)的測(cè)流數(shù)據(jù)。流速的測(cè)量范圍為0.1～3.6 m/s，最大測(cè)量誤差為±0.05 m/s， 流向的最大測(cè)量誤差為±10°，適合短期現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)觀測(cè)。

2.6 直讀式海流計(jì)[10， 16-18]

直讀式海流計(jì)是能夠直接讀取測(cè)量值的錨碇船用的定點(diǎn)測(cè)流儀器 ， 主要由水下探測(cè)器、水上數(shù)據(jù)終端和聯(lián)接電纜構(gòu)成 ， 可測(cè)量所在深度海流的流速和流向。海流推動(dòng)探測(cè)器轉(zhuǎn)子或旋槳旋轉(zhuǎn) ， 通過(guò)脈沖信號(hào)器測(cè)量流速;尾舵感應(yīng)流向 ， 并通過(guò)磁性同步發(fā)信線圈確定流向。儀器的使用深度為150～660 m ，流速的測(cè)量范圍為0.05～7.00m/s。

因測(cè)量數(shù)據(jù)讀取直觀、資料整理方便和測(cè)量速度快 ，直讀式海流計(jì)適合短期現(xiàn)場(chǎng)多層次實(shí)時(shí)觀測(cè)。我國(guó)自主研制的 SLC9-2型直讀式海流計(jì)代表目前國(guó)內(nèi)機(jī)械式海流計(jì)研制的最高水平 ， 至今仍占有較大的應(yīng)用市場(chǎng);最大探測(cè)深度為200 m ，流速的測(cè)量范圍為0.03～3.50 m/s， 最大測(cè)量誤差為±1.5%FS，流向的最大測(cè)量誤差為±4°。

2.7 小結(jié)

機(jī)械式海流計(jì)是人類最早應(yīng)用的海流觀測(cè)儀器 ，為海流觀測(cè)作出巨大貢獻(xiàn)。其優(yōu)點(diǎn)主要包括結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、使用方便和穩(wěn)定可靠 ， 缺點(diǎn)主要包括接觸測(cè)量有擾流、機(jī)械轉(zhuǎn)子慣性大、測(cè)量精度不高以及無(wú)法測(cè)量低速流和快速變化的湍流。

隨著新型測(cè)流儀器的發(fā)展和應(yīng)用 ， 機(jī)械式海流計(jì)不再是主流的測(cè)流儀器 ， 對(duì)其的研究也逐漸減少[10， 13]。目前機(jī)械式海流計(jì)主要用于對(duì)流速測(cè)量精度要求不高的場(chǎng)合以及 ADCP等其他類型測(cè)流儀器的比測(cè)。

3 電磁海流計(jì)

電磁海流計(jì)利用法拉第電磁感應(yīng)定律 ， 通過(guò)測(cè)量海水流過(guò)磁場(chǎng)時(shí)所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)來(lái)測(cè)量海流。 1948年美國(guó)伍茲霍爾海洋研究所利用此原理研制世界首臺(tái)電磁海流計(jì)[19]。根據(jù)磁場(chǎng)來(lái)源的不同 ， 電磁海流計(jì)可分為地磁場(chǎng)電磁海流計(jì)和人造磁場(chǎng)電磁海流計(jì)。

3.1 地磁場(chǎng)電磁海流計(jì)[13，20]

地磁場(chǎng)電磁海流計(jì)由電纜、電極和記錄器等組成 ，根據(jù)海流穿過(guò)地磁場(chǎng)時(shí)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)實(shí)現(xiàn)海流測(cè)量。儀器工作時(shí) ，2個(gè)電極裝在長(zhǎng)電纜的末端 ，船只拖著傳感器在海面上沿“之”字形路線航行 ， 分別測(cè)量2個(gè)方向的海流分量 ， 然后求出海流的矢量大小和方向。地磁場(chǎng)電磁海流計(jì)適合走航測(cè)流 ， 可在航行中大范圍和連續(xù)地測(cè)量表層海流 ，并在較短時(shí)間內(nèi)獲取大量海流數(shù)據(jù)。

根據(jù)測(cè)量深度的不同 ， 地磁場(chǎng)電磁海流計(jì)分為深海型（100 m 以深）和表層型。流速的測(cè)量范圍為0.03～3.00 m/s，最大測(cè)量誤差為±0.02 m/s， 流向的最大測(cè)量誤差為±5°。地磁場(chǎng)電磁海流計(jì)的優(yōu)點(diǎn)主要包括可走航自記、水下部件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易和可靠性高;缺點(diǎn)為由于其與地球垂直磁場(chǎng)的強(qiáng)度有關(guān) ， 不能在赤道附近使用 ， 而只適用于地磁垂直強(qiáng)度大于0.1 Oe的海區(qū) ，且受船磁的影響較大。

投棄式海流剖面儀（XCP）是利用地磁場(chǎng)快速測(cè)量海流的電磁海流計(jì) ， 可測(cè)量傳感器所在位置的海水流速和流向 ，具有探測(cè)海域廣、測(cè)量深度大、運(yùn)行周期短、探頭體積小、布放形式多樣和數(shù)據(jù)獲取及時(shí)等優(yōu)點(diǎn) ，但流速測(cè)量的精度受地磁場(chǎng)分布的影響較大。

3.2 人造磁場(chǎng)電磁海流計(jì)[13， 18，21]

人造磁場(chǎng)電磁海流計(jì)由殼體（包括球形、環(huán)形和盤形等）、激勵(lì)線圈和接收電極等組成 ， 根據(jù)海流穿過(guò)人工磁場(chǎng)時(shí)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)實(shí)現(xiàn)海流測(cè)量。儀器工作時(shí) ，通過(guò)對(duì)其自身的1個(gè)環(huán)形電磁線圈施加一定頻率的正弦交流電 ，使傳感器周圍產(chǎn)生1個(gè)交流磁場(chǎng) ， 當(dāng)海水流過(guò)該磁場(chǎng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) ， 傳感器通過(guò)測(cè)量感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)確定海水流速和流向。人造磁場(chǎng)電磁海流計(jì)適合船用或錨碇定點(diǎn)測(cè)流 ， 流速的測(cè)量范圍為0～3.5 m/s， 最大測(cè)量誤差為±0.01m/s或±2% FS， 流向的最大測(cè)量誤差為±2°。

人造磁場(chǎng)電磁海流計(jì)的優(yōu)點(diǎn)主要包括受海水深度和海區(qū)緯度的限制不大、準(zhǔn)確度高、測(cè)量數(shù)據(jù)齊全可靠、體積小、可自容或直讀測(cè)量、操作簡(jiǎn)便、無(wú)活動(dòng)部件以及對(duì)流場(chǎng)影響小 ， 缺點(diǎn)主要包括不能進(jìn)行剖面測(cè)量、能耗高、易損壞、操作繁瑣以及易受海水介質(zhì)電導(dǎo)率和地磁場(chǎng)的影響。目前世界上使用最廣泛的人造磁場(chǎng)電磁海流計(jì)是美國(guó) Interocean 公司于1983年研制的 S 4型電磁海流計(jì) ，其球形外表可確保當(dāng)儀器傾斜時(shí)不會(huì)影響流速測(cè)量的準(zhǔn)確性;該型電磁海流計(jì)不僅可確定海水流速和流向 ， 而且可測(cè)量波浪、潮汐、海水溫度、海水濁度和水質(zhì)等 ，此外在船上或錨碇的條件下都可進(jìn)行水下測(cè)量工作。

3.3 小結(jié)

電磁海流計(jì)尤其是人造磁場(chǎng)電磁海流計(jì)應(yīng)用廣泛。與傳統(tǒng)的機(jī)械式海流計(jì)相比 ，其無(wú)機(jī)械磨損部件、使用壽命長(zhǎng)、采樣方式靈活和啟動(dòng)流速低。此外 ， 由于采用矢量平均的測(cè)量方法 ， 電磁海流計(jì)在受風(fēng)浪影響較大的表層海流和垂直流的測(cè)量中具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)[20]。然而電磁海流計(jì)存在易受電磁干擾、擾流嚴(yán)重、能耗高和易損壞等問(wèn)題 ，且海水電導(dǎo)率會(huì)隨季節(jié)或溫度的變化而變化 ，從而直接影響測(cè)量精度。因此 ， 隨著現(xiàn)代海流測(cè)量精度要求的不斷提高 ， 后期關(guān)于電磁海流計(jì)的研究成果較少[12， 16]。

4 聲學(xué)海流計(jì)

聲學(xué)海流計(jì)出現(xiàn)較晚但發(fā)展迅速 ， 目前已形成多種產(chǎn)品。由于聲學(xué)海流計(jì)的命名（譯名）、定義和分類仍存在不一致的問(wèn)題[7， 16] ， 本研究將利用聲學(xué)原理實(shí)現(xiàn)海流測(cè)量的儀器統(tǒng)稱為聲學(xué)海流計(jì) ， 而用于河道和湖泊等的測(cè)流儀器不予討論。

4.1 聲學(xué)多普勒流速剖面儀（ADCP）

ADCP（2008年后實(shí)施的國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范譯為聲學(xué)多普勒流速剖面儀[22-25]）利用聲學(xué)多普勒原理測(cè)量分層水介質(zhì)散射信號(hào)的頻移信息 ，并利用矢量合成法獲取垂直剖面的海流流速和流向[23]。 ADCP 由換能器陣、殼體、通信端口、數(shù)據(jù)電纜、采集計(jì)算機(jī)和軟件組成[24] ，流速剖面的最大探測(cè)深度為800 m，最大測(cè)量層數(shù)為128層 ，底跟蹤的最大測(cè)量深度為1350 m。流速測(cè)量范圍：直讀式和自容式為-4～4 m/s，船用式為-9～9 m/s。流速的測(cè)量誤差為測(cè)量值×1%±（0.005～0.010） m/s，流向的最大測(cè)量誤差為±5°[23]。

ADCP有多種分類方式：按工作方式可分為自容式、直讀式和船用式（走航式） ，按聲信號(hào)發(fā)射、接收和處理方式可分為窄帶、脈沖相干和寬帶 ， 按數(shù)據(jù)讀取方式可分為直讀式和自容式 ，按安裝方式可分為坐底式、懸浮式、走航式、拖曳式和橫向固定式 ，按工作頻率可分為38 kHz、75 kHz、150 kHz、300 kHz、600 kHz和1200 kHz（表1）[5，22-23]。

ADCP是近年來(lái)發(fā)展迅速和應(yīng)用廣泛的快速、經(jīng)濟(jì)和有效的新型測(cè)流儀器 ，是目前世界上測(cè)量多層海流剖面和河道流量的最有效儀器 ， 被國(guó)際海洋學(xué)委員會(huì)列為4種先進(jìn)的海洋觀測(cè)儀器之一[5]。 ADCP具有測(cè)流范圍廣、不擾動(dòng)流場(chǎng)、測(cè)量用時(shí)短、測(cè)量精度高以及不存在機(jī)械慣性和機(jī)械磨損等優(yōu)點(diǎn) ，尤其適合流態(tài)復(fù)雜條件下的測(cè)流 ， 且可進(jìn)行流速和流向的三維測(cè)量 ， 因此被廣泛應(yīng)用于海流和海浪觀測(cè)以及水聲定位導(dǎo)航等領(lǐng)域。目前熱帶海洋與全球大氣計(jì)劃（ TOGA）和世界大洋環(huán)流實(shí)驗(yàn)（WOCE）等國(guó)際大型海洋研究項(xiàng)目都使用 ADCP 進(jìn)行海流觀測(cè)。TRDI、Sontek/YSI和 Nortek 是從事 ADCP研發(fā)的3家主導(dǎo)公司 ， 其研發(fā)的船用式、自容式和直讀式 ADCP具有技術(shù)先進(jìn)、性能可靠和測(cè)量精度高等特點(diǎn) ，工作頻率覆蓋38～1200 kHz， 在全球市場(chǎng)占有很大份額。

ADCP的主要發(fā)展方向包括測(cè)量海流并用于海浪方向譜的計(jì)算 ，發(fā)展相控陣 ADCP技術(shù)以及發(fā)展低頻聲吶陣、作用距離更遠(yuǎn)且適合測(cè)量深海流場(chǎng)的 ADCP技術(shù)[26]。

4.2 聲學(xué)多普勒海流單點(diǎn)測(cè)量?jī)x

聲學(xué)多普勒海流單點(diǎn)測(cè)量?jī)x[27]（又稱多普勒式聲學(xué)海流計(jì)[28]、聲學(xué)多普勒海流單點(diǎn)海流計(jì)或超聲多普勒海流計(jì)[12]）基于聲學(xué)多普勒頻移原理 ，換能器沿窄波束方向發(fā)射短波脈沖 ，接收波束在通過(guò)水體時(shí)由其中的顆粒物散射返回的聲信號(hào) ，并利用接收聲信號(hào)的多普勒頻移計(jì)算海流流速和流向（圖2）。

該型海流計(jì)可在錨系或固定狀態(tài)下 ， 在儀器所在深度距換能器0.4～1.0 m 的區(qū)域測(cè)量流速和流向 ，工作頻率為1.9～2.0 MHz， 流速的測(cè)量范圍通常為0.05～3.00 m/s， 最大測(cè)量誤差為±0.05 m/s （流速≤1m/s）或±5%讀數(shù)（流速>1 m/s） ， 流向的最大測(cè)量誤差為±5°（0°～15°傾角）。聲學(xué)多普勒海流單點(diǎn)測(cè)量?jī)x的代表產(chǎn)品是挪威安德拉儀器公司生產(chǎn)的 RCM 系列 ，分為300 m 型、2000 m 型和6000 m 型 ，除可測(cè)量?jī)x器所在深度的海流流速和流向外 ，還可觀測(cè)海水壓力、濁度和溶解氧濃度等要素 ， 自記時(shí)間最長(zhǎng)可達(dá)2年 ，并因體積小、能耗低、技術(shù)先進(jìn)、測(cè)量精度高和安全實(shí)用而得到廣泛應(yīng)用[29]。

4.3 聲學(xué)多普勒流速儀（ADV）

ADV（又稱聚焦式聲學(xué)多普勒海流計(jì)[1，28] ， 根據(jù)英文直譯為聲學(xué)多普勒流速儀[10，30]）利用聲學(xué)多普勒原理 ，能夠高精度和高分辨率地同時(shí)測(cè)量流速和水壓[30] ， 由換能器（包括1個(gè)發(fā)射換能器和3個(gè)以一定角度均勻分布在發(fā)射換能器周圍的接收換能器）、羅盤、傾斜儀以及壓力和溫度傳感器組成。儀器工作時(shí) ， 由發(fā)射換能器垂直于儀器坐標(biāo)系發(fā)射1個(gè)波束寬度很窄的高頻短脈沖信號(hào) ， 該信號(hào)被水體中的顆粒物散射后由3個(gè)接收換能器接收 ， 通過(guò)解析和處理3個(gè)接收信號(hào)的多普勒頻移確定海流流速和流向[28]。

ADV是近年來(lái)逐漸發(fā)展的新型聲學(xué)海流計(jì) ，具有不破壞流場(chǎng)、響應(yīng)速度快、測(cè)量精度高、可測(cè)量三維流速和低流速以及可反演波浪和懸沙濃度等信息[30-31]的優(yōu)勢(shì) ，且因可測(cè)量近底海流而成為研究海洋近底異重流的重要工具[28]。然而 ADV易受外界環(huán)境干擾 ，水體氣泡、大顆粒懸浮物以及邊界回聲和脈動(dòng)強(qiáng)度等因素都會(huì)影響其測(cè)量的準(zhǔn)確度[30]。 ADV 的代表產(chǎn)品主要由美國(guó)SonTek公司和挪威 Nortek公司研制 ， 其中挪威 Nortek公司研制的 Vector系列的流速測(cè)量精度最高 ， 流速的測(cè)量范圍為0.1～7.0 m/s，最大測(cè)量誤差為測(cè)量值×0.5%或±1mm/s，流向的最大測(cè)量誤差為±2°。

4.4 時(shí)差式聲學(xué)海流計(jì)

時(shí)差式聲學(xué)海流計(jì)（又稱聲學(xué)時(shí)差海流計(jì)[10]或超聲時(shí)差海流計(jì)[12]）通過(guò)2對(duì)正交的換能器構(gòu)成儀器坐標(biāo)系 ，分別測(cè)量海流在儀器坐標(biāo)系上的投影分量 ，再將投影分量通過(guò)矢量合成計(jì)算流速[12，28] ， 并通過(guò)內(nèi)置羅盤和傾角傳感器確定流向。與其他聲學(xué)海流計(jì)不同 ，時(shí)差式聲學(xué)海流計(jì)相對(duì)的2個(gè)換能器通過(guò)測(cè)量聲波在順、逆流時(shí)的傳播速度和時(shí)間差計(jì)算流速（聲波在海水中傳播時(shí) ， 在傳播距離相同的情況下 ，逆流聲波比順流聲波所用時(shí)間長(zhǎng)[32]） ，其測(cè)量?jī)H依靠水體傳播聲波的能力而與其他因素?zé)o關(guān) ， 因此在清水或濁水中都能有效測(cè)量流速[32]。

時(shí)差式聲學(xué)海流計(jì)的優(yōu)點(diǎn)主要包括測(cè)量精度高和不受散射體的限制 ， 缺點(diǎn)主要為輕微的擾流會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生一定的影響[12，32]。時(shí)差式聲學(xué)海流計(jì)的代表產(chǎn)品是美國(guó) FSI公司生產(chǎn)的 ACM- PLUS，流速的測(cè)量范圍為0～6m/s，最大測(cè)量誤差為測(cè)量值×1%±0.005 m/s， 流向的最大測(cè)量誤差為±2°[12] ， 可測(cè)量二維或三維流速 ， 并可搭載電導(dǎo)率、壓力和溫度傳感器。

4.5 小結(jié)

以 ADCP為代表的聲學(xué)海流計(jì)是近代發(fā)展起來(lái)的新型物理海洋觀測(cè)儀器 ， 在業(yè)內(nèi)迅速發(fā)展和應(yīng)用 ，并很快成為海流觀測(cè)的“主力軍”。其中 ， 以聲學(xué)多普勒效應(yīng)為測(cè)量原理的聲學(xué)海流計(jì)可走航和定點(diǎn)觀測(cè) ，具有使用范圍廣、不破壞流場(chǎng)、測(cè)量精度高和可測(cè)三維流速等特點(diǎn);以聲波傳播時(shí)間差為測(cè)量原理的聲學(xué)海流計(jì)不依賴水中散射體 ，具有測(cè)量精度高、頻率響應(yīng)好以及可測(cè)三維流速和弱流等特點(diǎn)。然而聲學(xué)海流計(jì)存在測(cè)量“盲區(qū)”，且受水聲技術(shù)、信號(hào)處理和換能器制造工藝等發(fā)展水平的限制 ，海水溫度、鹽度、懸浮顆粒、聲學(xué)散射體和多徑傳播等因素也會(huì)導(dǎo)致其測(cè)量精度下降。

5 其他海流計(jì)

5.1 激光多普勒測(cè)速儀（LDV）

LDV根據(jù)激光多普勒原理 ，利用被測(cè)流體中的散射粒子對(duì)入射光進(jìn)行散射 ，并通過(guò)光電探測(cè)器探測(cè)散射光的頻移量 ， 依次計(jì)算被測(cè)流體的流速[32-33]。該型海流計(jì)具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、空間分辨率高、測(cè)量范圍大、可非接觸測(cè)量和實(shí)時(shí)性佳等優(yōu)點(diǎn)[34] ，但測(cè)量精度易受海水濁度的影響 ， 因此多用于實(shí)驗(yàn)室流場(chǎng)試驗(yàn)分析[1] ， 同時(shí)被廣泛應(yīng)用于能源、水利、化工、醫(yī)療、冶金、鋼鐵、航空、機(jī)械制造和汽車制造等行業(yè)[34]。

5.2 電阻式海流計(jì)

電阻式海流計(jì)（又稱熱線海流計(jì)[33]）利用海流對(duì)熱敏電阻線的降溫作用實(shí)現(xiàn)測(cè)流。不同流速的海流在流經(jīng)加熱電阻絲時(shí) ， 電阻絲（通常選用鍍鉑鎢絲）的熱損耗與流速形成一定的關(guān)系 ， 通過(guò)此對(duì)應(yīng)關(guān)系可測(cè)量流速。電阻式海流計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是可測(cè)瞬時(shí)流和低速流、測(cè)量精度較高以及可遙測(cè) ， 但由于在海水中須隨時(shí)清除熱線表面的污垢 ， 使用不便 ， 當(dāng)前未見(jiàn)于實(shí)際應(yīng)用[3，33]。

5.3 應(yīng)變片海流計(jì)

應(yīng)變片海流計(jì)的測(cè)流原理是當(dāng)海流經(jīng)過(guò)應(yīng)變片時(shí) ，應(yīng)變片的壓力會(huì)產(chǎn)生變化 ， 且這種變化與流速形成一定的關(guān)系 ， 通過(guò)測(cè)量這種變化實(shí)現(xiàn)對(duì)海流的測(cè)量[33]。目前該項(xiàng)技術(shù)尚處于研究試驗(yàn)階段[1]。

5.4 傾斜式海流計(jì)

傾斜式海流計(jì)利用海流推動(dòng)加速度計(jì)裝置 ， 根據(jù)加速度的變化得到傾斜角 ， 再利用流速與傾斜角的變換公式得到流速值 ，從而實(shí)現(xiàn)流速測(cè)量。該型海流計(jì)由浮力球、加速度計(jì)裝置、磁力計(jì)和存儲(chǔ)器等組成 ，可實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)、自記和長(zhǎng)期的海流觀測(cè)（圖3）[35]。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)于傾斜式海流計(jì)的研究很少 ， 而國(guó)外研制的傾斜式海流計(jì)僅適用于長(zhǎng)期的海底流觀測(cè) ，易受海草和浮游生物等的干擾 ， 須由專業(yè)的潛水人員安裝 ， 測(cè)量傳感器單一且數(shù)據(jù)處理方式簡(jiǎn)單 ，無(wú)法適應(yīng)海面風(fēng)浪環(huán)境下的海流測(cè)量[35]。目前該項(xiàng)技術(shù)尚處于研究試驗(yàn)階段[1]。

5.5 粒子圖像測(cè)速儀（PIV）

PIV通過(guò)拍攝并測(cè)量流場(chǎng)中隨流體共同運(yùn)動(dòng)的顆粒（示蹤粒子）的速度實(shí)現(xiàn)流速測(cè)量 ， 可快速測(cè)得瞬時(shí)全場(chǎng)速度分布。該項(xiàng)技術(shù)突破空間單點(diǎn)測(cè)量技術(shù)的局限性 ，可在瞬間記錄某個(gè)平面內(nèi)的流場(chǎng)信息。受圖像采集和處理速度技術(shù)的限制 ， 目前 PIV 系統(tǒng)的時(shí)間采樣頻率仍不能與熱線和激光相比[20] ， 因此多用于實(shí)驗(yàn)室流場(chǎng)分析[1]。

5.6 海洋湍流剖面儀

隨著測(cè)流技術(shù)的提高 ， 較大尺度的海流觀測(cè)已不能滿足精細(xì)化觀測(cè)需求 ， 可測(cè)量微結(jié)構(gòu)海水湍流的海洋湍流剖面儀應(yīng)運(yùn)而生 ， 代表產(chǎn)品包括德國(guó) Sun & Sea公司的湍流剖面儀 MSS90和 ISW 公司的海水剪切探針 PNS03和 PNS06[19]。隨著對(duì)海水微結(jié)構(gòu)變化的深入了解 ， 海洋湍流剖面儀將成為物理海洋調(diào)查儀器的重要組成部分。

5.7 小結(jié)

LDV、電阻式海流計(jì)、應(yīng)變片海流計(jì)、PIV 和海洋湍流剖面儀的結(jié)構(gòu)和電路設(shè)計(jì)較復(fù)雜 ， 因此造價(jià)較高、使用條件較苛刻且操作較復(fù)雜 ， 使其推廣應(yīng)用受到很大局限 ，僅適用于對(duì)測(cè)量精度要求較高的場(chǎng)合 ，適用于對(duì)表面流、近底層流、切變流和小尺度湍流等海流微結(jié)構(gòu)的測(cè)量[33]。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著海洋科技的不斷進(jìn)步，海流觀測(cè)技術(shù)逐漸發(fā)展和提升，不同類型的海流計(jì)各自發(fā)揮其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。本研究系統(tǒng)梳理各類型海流計(jì)的命名、分類、適用范圍、特點(diǎn)和發(fā)展方向等內(nèi)容，力求進(jìn)一步統(tǒng)一行業(yè)常用術(shù)語(yǔ)，為規(guī)范海流計(jì)的使用提供參考。

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