جهاز قياس التيار الصوتي دوبلر

جهاز قياس سرعة التيار الصوتي دوبلر ( ADCP ) هو جهاز قياس هيدروصوتي للتيارات المائية، يشبه السونار ، ويُستخدم لقياس سرعات التيارات المائية على مدى عمق معين باستخدام تأثير دوبلر للموجات الصوتية المتناثرة من الجزيئات الموجودة في عمود الماء. يُعد مصطلح ADCP مصطلحًا عامًا لجميع أجهزة قياس سرعة التيار الصوتي، على الرغم من أن الاختصار يعود إلى سلسلة أجهزة طرحتها شركة RD Instruments في ثمانينيات القرن الماضي. يتراوح نطاق ترددات التشغيل لأجهزة ADCP من 38 كيلوهرتز إلى عدة ميغاهرتز . 

جهاز مشابه هو جهاز SODAR ، الذي يعمل في الهواء ويستخدم نفس المبادئ لتحديد سرعة الرياح.

تحتوي أجهزة قياس سرعة التيار الصوتي (ADCPs) على محولات طاقة كهرضغطية لإرسال واستقبال الإشارات الصوتية. ويُعطي زمن انتقال الموجات الصوتية تقديرًا للمسافة. ويتناسب انزياح تردد الصدى طرديًا مع سرعة الماء على طول المسار الصوتي. لقياس السرعات ثلاثية الأبعاد، يلزم وجود ثلاثة حزم على الأقل. أما في الأنهار، فالسرعة ثنائية الأبعاد فقط هي المهمة، وعادةً ما تحتوي أجهزة قياس سرعة التيار الصوتي على حزمتين. في السنوات الأخيرة، أُضيفت وظائف أخرى إلى هذه الأجهزة (لا سيما قياسات الأمواج والاضطرابات)، وتتوفر أنظمة مزودة بحزمتين، ^{[ 1 ]} أو ثلاث، ^{[ 2 ]} أو أربع، ^{[ 3 ]} أو خمس ^{، [ 4 ]} أو حتى تسع حزم. ^{[ 5 ]}

تتضمن المكونات الأخرى لجهاز قياس سرعة التيار الصوتي (ADCP) مُضخِّمًا إلكترونيًا ، وجهاز استقبال ، وساعة لقياس زمن انتقال الموجة، ومستشعرًا لدرجة الحرارة ، وبوصلة لتحديد الاتجاه، ومستشعرًا للميل/الدوران لتحديد الوضع. ويتطلب الأمر مُحوِّلًا تناظريًا رقميًا ومعالجًا للإشارات الرقمية لأخذ عينات من الإشارة العائدة لتحديد انزياح دوبلر . يُستخدم مستشعر درجة الحرارة لتقدير سرعة الصوت عند موضع الجهاز باستخدام معادلة حالة مياه البحر ، ويُستخدم هذا لتقدير مقياس انزياح التردد ليتناسب مع سرعات المياه. تفترض هذه العملية أن الملوحة لها قيمة ثابتة مُسبقة الضبط. أخيرًا، تُحفظ النتائج في الذاكرة الداخلية أو تُعرض مباشرةً على برنامج عرض خارجي.

تُستخدم ثلاث طرق شائعة لحساب إزاحة دوبلر، وبالتالي سرعة الماء على طول الحزم الصوتية. تعتمد الطريقة الأولى على نبضة إرسال أحادية اللون، وتُعرف باسم " غير المتماسكة " أو " ضيقة النطاق ". تتميز هذه الطريقة بقوتها وتوفر بيانات جيدة عن متوسط ​​التيار، ولكن دقتها المكانية والزمانية محدودة. عندما تتكون نبضة الإرسال من عناصر مشفرة متكررة، تُعرف الطريقة باسم "ترميز التسلسل المتكرر" ^{[ 6 ]} أو "واسعة النطاق". تُحسّن هذه الطريقة الدقة المكانية والزمانية بمعامل 5 (عادةً). تجاريًا، كانت هذه الطريقة محمية ببراءة اختراع أمريكية ^{[ 7 ]} رقم 5615173 حتى عام 2011. تعتمد طريقة التماسك النبضي ^{[ 8 ]} على سلسلة من نبضات الإرسال، حيث يُفترض أن صدى النبضات المتتالية لا يتداخل مع بعضها البعض. هذه الطريقة قابلة للتطبيق فقط على نطاقات قياس قصيرة جدًا، ولكن التحسين المقابل في الدقة المكانية والزمانية يصل إلى 1000.

بحسب طريقة التركيب، يمكن التمييز بين أجهزة قياس سرعة التيار الصوتي (ADCP) الجانبية، والهابطة، والصاعدة. يقيس الجهاز المثبت في قاع النهر سرعة واتجاه التيارات على فترات متساوية حتى السطح. أما الجهاز المثبت جانبياً على جدار أو دعامة جسر في الأنهار أو القنوات، فيقيس شكل التيار من ضفة إلى أخرى. وفي المياه العميقة جداً، يمكن إنزالها بواسطة كابلات من السطح.

يُستخدم هذا الجهاز بشكل أساسي في علم المحيطات . ^{[ 9 ]} ويمكن استخدامه أيضًا في الأنهار والقنوات لقياس التصريف بشكل مستمر .

يمكن إجراء دراسات تيارات المياه والأمواج عن طريق تثبيتها على عوامات داخل عمود الماء أو مباشرة على قاع البحر. ويمكنها البقاء تحت الماء لسنوات متواصلة، ويُعد عمر البطارية العامل المحدد. وبحسب طبيعة النشر، عادةً ما يكون الجهاز قابلاً للتزويد بالطاقة من الشاطئ، باستخدام نفس كابل التوصيل لنقل البيانات. ويمكن تمديد مدة النشر بمقدار ثلاثة أضعاف باستبدال بطاريات الليثيوم ببطاريات القلوية القياسية.

سجل سرعة دوبلر (DVL)

بالنسبة للمركبات تحت الماء، يمكن استخدام خاصية تتبع القاع كمكون أساسي في أنظمة الملاحة. في هذه الحالة، تُدمج سرعة المركبة مع تحديد الموقع الأولي ، واتجاه البوصلة أو الجيروسكوب ، وبيانات مستشعر التسارع . تُدمج بيانات المستشعرات (عادةً باستخدام مرشح كالمان ) لتقدير موقع المركبة. قد يُساعد هذا في توجيه الغواصات، والمركبات ذاتية القيادة ، والمركبات التي تُشغل عن بُعد تحت الماء .

تتمثل الميزتان الرئيسيتان لأجهزة قياس سرعة التيار الصوتي (ADCPs) في خلوها من الأجزاء المتحركة المعرضة للتلوث البيولوجي ، وقدرتها على الاستشعار عن بُعد ، حيث يمكن لجهاز واحد ثابت قياس خصائص التيار على مسافات تتجاوز 1000 متر. تتيح هذه الميزات إجراء قياسات طويلة الأمد لتيارات المحيطات على جزء كبير من عمود الماء. منذ بدء استخدامها في منتصف ثمانينيات القرن الماضي، استُخدمت آلاف من أجهزة ADCPs في محيطات العالم، ولعبت هذه الأجهزة دورًا هامًا في فهمنا لدوران المحيطات العالمي .

تتمثل العيوب الرئيسية لأجهزة قياس سرعة التيار الصوتي (ADCPs) في فقدان البيانات بالقرب من الحدود. تغطي هذه الآلية، التي يُشار إليها غالبًا بتداخل الفصوص الجانبية ، ما بين 6 و12% من عمود الماء، وبالنسبة للأجهزة التي تتجه نحو السطح، يُعد فقدان معلومات السرعة بالقرب من السطح عيبًا حقيقيًا. كما أن التكلفة تُشكل مصدر قلق، ولكنها عادةً ما تكون ضئيلة مقارنةً بتكلفة السفينة اللازمة لضمان نشر آمن واحترافي.

كأي جهاز صوتي، يُساهم جهاز قياس سرعة التيار الصوتي (ADCP) في التلوث الضوضائي في المحيط، مما قد يُؤثر على قدرة الحيتان على الملاحة وتحديد الموقع بالصدى. ^{[ 11 ]} يعتمد هذا التأثير على تردد الجهاز وقدرته، ولكن معظم أجهزة قياس سرعة التيار الصوتي تعمل ضمن نطاق ترددي لا يُعتبر فيه التلوث الضوضائي مشكلة خطيرة.