利用超聲波測(cè)量流速、流量的技術(shù)，在海洋觀測(cè)、河流流量測(cè)驗(yàn)等各種計(jì)量測(cè)試中已被廣泛應(yīng)用。利用超聲波測(cè)量流速、流量的方法是多種多樣的，有相位差法、時(shí)間差法、射束位移法以及對(duì)流速變化較其他方法更為靈敏的多普勒法。

1、多普勒法測(cè)量原理

       多普勒法測(cè)量原理，是依據(jù)聲波中的多普勒效應(yīng)，其檢測(cè)量為漂移頻率。換能器發(fā)射某一固定頻率的聲波ft，由于顆粒物的漫反射，換能器接收到被水體中顆粒物散射回來(lái)的聲波fr，假定顆粒物的運(yùn)動(dòng)速度V與水體流速相同，當(dāng)顆粒物的運(yùn)動(dòng)方向接近換能器時(shí)，換能器接收到的回波頻率比發(fā)射波頻率高；當(dāng)顆粒物的運(yùn)動(dòng)方向背離換能器時(shí)，換能器接收到的回波頻率比發(fā)射波頻率低。如果靜止介質(zhì)中的聲速取為C，那么聲學(xué)多普勒頻移，即發(fā)射聲波頻率與回波頻率之差fr可表示為：

       式中：θ1θ2分別為超聲波發(fā)射方向、反射方向與水流流動(dòng)方向的夾角；V為流速。

當(dāng)C>>V時(shí)，有：

       在θ1=θ2=θ時(shí)，則：

       即超聲波收發(fā)頻率之差為：

       由此可知，多普勒頻移與流速成正比。

2、聲學(xué)多普勒流速剖面儀

2.1、ADCP（走航式）流量測(cè)量原理

       ADCP（AcousticDopplerCurrentProfiler）是一種利用聲學(xué)多普勒原理測(cè)量水流速剖面的儀器。ADCP儀器內(nèi)有羅盤、傾斜計(jì)、溫度傳感器、DGPS接口、換能器（3個(gè)或4個(gè)）等部件。換能器與ADCP軸線呈一定夾角。每個(gè)換能器既是發(fā)射器又是接收器，換能器發(fā)射的聲波能量集中于較窄的范圍內(nèi)，稱為聲束（類似于手電筒或探照燈發(fā)射的光束）。換能器發(fā)射某一固定頻率的聲波，然后接收被水體中顆粒物散射回來(lái)的聲波。假定顆粒物的運(yùn)動(dòng)速度與水體流速相同，那么聲學(xué)多普勒頻移，即發(fā)射聲波頻率與回波頻率之差由下式確定，即：

       ADCP每個(gè)換能器軸線即為一個(gè)聲束坐標(biāo)。每個(gè)換能器測(cè)量的流速是水流沿其聲束坐標(biāo)方向的速度。任意3個(gè)換能器軸線即組成一組相互獨(dú)立的空間聲束坐標(biāo)系。另外，ADCP自身定義有直角坐標(biāo)系（局部坐標(biāo)系）X-Y-Z，Z方向與ADCP軸線方向一致。ADCP首先測(cè)出沿每一聲束坐標(biāo)的流速分量，然后利用聲束坐標(biāo)與X-Y-Z坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系（取決于聲束角），將聲束坐標(biāo)系下的流速轉(zhuǎn)換為X-Y-Z坐標(biāo)系下的三維流速，再利用羅盤和傾斜計(jì)提供的方向和傾斜數(shù)據(jù)，將X-Y-Z坐標(biāo)系下的流速轉(zhuǎn)換為地球坐標(biāo)系下的流速。

       ADCP測(cè)量流量時(shí)，將測(cè)流斷面分成若干個(gè)子斷面，在每個(gè)子斷面內(nèi)測(cè)量垂線上一點(diǎn)或多點(diǎn)流速并測(cè)量水深，從而得到子斷面內(nèi)的平均流速和流量，再將各個(gè)子斷面的流量疊加，*得到整個(gè)斷面的流量。在進(jìn)行斷面流量測(cè)量過(guò)程中，ADCP實(shí)際測(cè)量的區(qū)域?yàn)閿嗝娴?/span>
中部區(qū)域，這個(gè)區(qū)域稱為ADCP實(shí)測(cè)區(qū)。而在4個(gè)邊緣區(qū)域內(nèi)，ADCP不能提供測(cè)量數(shù)據(jù)或有效測(cè)量數(shù)據(jù)。*個(gè)區(qū)域靠近水面（表層），其厚度大約為ADCP換能器入水深度、ADCP盲區(qū)以及單元尺寸一半之和。第二個(gè)區(qū)域靠近河底（底層），稱為“旁瓣”區(qū)（河底對(duì)聲束的干擾區(qū)），其厚度取決于ADCP聲束角（即換能器與ADCP軸線的夾角）。第三個(gè)區(qū)域和第四個(gè)區(qū)域?yàn)榭拷鼉蓚?cè)河岸的區(qū)域，因其水深較淺，測(cè)量船不能靠近，或者ADCP不能保證在垂線上至少有1個(gè)或2個(gè)有效測(cè)量單元。這4個(gè)區(qū)域通稱為非實(shí)測(cè)區(qū)，其流速和流量需通過(guò)實(shí)測(cè)區(qū)數(shù)據(jù)外延來(lái)估算。

2.2、性能比較

       根據(jù)聲信號(hào)發(fā)射和處理方法，ADCP分為寬帶型和窄帶型。寬帶ADCP與窄帶ADCP的區(qū)別在于它們采用不同的聲信號(hào)發(fā)射、接收和處理方法。窄帶ADCP的聲信號(hào)發(fā)射、接收和處理方法是：對(duì)于每一個(gè)流速測(cè)量，ADCP發(fā)射一個(gè)單獨(dú)的、相對(duì)講較長(zhǎng)的脈沖聲波，然后接受這個(gè)脈沖的反射波，并記錄發(fā)射波與反射波之間的頻率改變來(lái)計(jì)算水體的速度。寬帶ADCP的聲信號(hào)發(fā)射、接收和處理方法是：對(duì)于每一個(gè)流速測(cè)量，ADCP發(fā)射2組或更多組編碼脈沖波，ADCP測(cè)量脈沖波組之間的相關(guān)系數(shù)及相位差，用來(lái)計(jì)算多普勒頻移。

       （1）寬帶ADCP流速測(cè)量短期精度比窄帶ADCP高4倍左右。

       （2）寬帶ADCP流速測(cè)量的時(shí)間分辨率（或走航測(cè)量時(shí)的水平空間分辨率）比窄帶ADCP高16倍左右。

       （3）寬帶ADCP盲區(qū)較小，垂向空間分辨率較高。

       （4）寬帶ADCP對(duì)水深和含沙量變化的適應(yīng)性較好。

3、ADCP在測(cè)流中的應(yīng)用

       近幾年來(lái)，ADCP在水文領(lǐng)域已逐步得到推廣應(yīng)用，取得了很大進(jìn)展。

       2001年9月，上海市水文總站在黃浦江松浦大橋水文站測(cè)流斷面，用1臺(tái)RDI公司生產(chǎn)的“瑞江”牌600kHz走航式ADCP與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子式流速儀進(jìn)行了25小時(shí)連續(xù)測(cè)量比測(cè)，結(jié)果表明，兩者測(cè)量結(jié)果吻合很好。

       2002年9月18-20日，水利部長(zhǎng)江水利委員會(huì)與RDI公司聯(lián)合進(jìn)行了將ADCP與DGPS、測(cè)深儀及電羅經(jīng)集成的試驗(yàn)。試驗(yàn)選擇了位于三峽大壩下游約5km處的黃陵廟水文站測(cè)流斷面，流量約為11000m3/s，河寬約為400m，河床*深處為53m，含沙量約為0.5kg/m3。試驗(yàn)采用了4臺(tái)RDI公司的ADCP儀器。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用DGPS、測(cè)深儀及電羅經(jīng)數(shù)據(jù)得到的流量與底跟蹤得到的流量吻合很好，滿足測(cè)流精度，試驗(yàn)取得了成功。這是國(guó)內(nèi)*將DGPS、測(cè)深儀及電羅經(jīng)同時(shí)與ADCP集成，從而解決了ADCP在洪水期使用時(shí)遇到的高含沙量水流、河底存在推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)以及磁羅盤受鐵殼船干擾等問(wèn)題。

       在1997年三峽工程大江截流和2002年11月6日三峽工程明渠截流中，也使用了ADCP進(jìn)行流量測(cè)量，并取得了圓滿成功。

       由于ADCP測(cè)量方法的優(yōu)越性明顯高于傳統(tǒng)的測(cè)量方法，ADCP將在各領(lǐng)域越來(lái)越多地得以應(yīng)用。