Akustischer Doppler-Strömungsprofiler

Ein akustisches Doppler-Strömungsprofiler ( ADCP ) ist ein hydroakustisches Strömungsmessgerät, ähnlich einem Sonar , das mithilfe des Doppler-Effekts von Schallwellen, die von Partikeln in der Wassersäule zurückgestreut werden , die Strömungsgeschwindigkeiten in einem bestimmten Tiefenbereich misst . Die Bezeichnung ADCP ist ein Oberbegriff für alle akustischen Strömungsprofiler, obwohl die Abkürzung auf eine Gerätereihe von RD Instruments aus den 1980er-Jahren zurückgeht. Der Arbeitsfrequenzbereich von ADCPs reicht von 38  kHz bis zu mehreren Megahertz .

Ein ähnliches Gerät ist ein SODAR , das in der Luft funktioniert und die gleichen Prinzipien zur Windgeschwindigkeitsmessung nutzt.

ADCPs enthalten piezoelektrische Wandler zum Senden und Empfangen von Schallsignalen. Die Laufzeit der Schallwellen ermöglicht eine Entfernungsschätzung. Die Frequenzverschiebung des Echos ist proportional zur Wassergeschwindigkeit entlang des Schallwegs. Zur Messung von dreidimensionalen Geschwindigkeiten sind mindestens drei Schallköpfe erforderlich. In Flüssen ist jedoch nur die zweidimensionale Geschwindigkeit relevant, weshalb ADCPs typischerweise mit zwei Schallköpfen ausgestattet sind. In den letzten Jahren wurden ADCPs um weitere Funktionen erweitert (insbesondere Wellen- und Turbulenzmessungen), und es sind Systeme mit zwei ^{[ 1 ]} , drei ^{[ 2 ] , vier [ 3 ]} , fünf ^{[ 4 ]} oder sogar neun Schallköpfen ^{[ 5 ] erhältlich.}

Weitere Komponenten eines ADCP sind ein elektronischer Verstärker , ein Empfänger , ein Taktgeber zur Laufzeitmessung, ein Temperatursensor , ein Kompass zur Bestimmung der Richtung und ein Neigungs-/Rollsensor zur Lagebestimmung. Ein Analog-Digital-Wandler und ein digitaler Signalprozessor werden benötigt, um das zurückkehrende Signal abzutasten und die Dopplerverschiebung zu bestimmen . Mithilfe eines Temperatursensors wird die Schallgeschwindigkeit am Messpunkt anhand der Zustandsgleichung von Meerwasser geschätzt . Daraus wird die Frequenzverschiebung in Wassergeschwindigkeiten umgerechnet. Dieses Verfahren setzt einen voreingestellten, konstanten Salzgehalt voraus . Die Ergebnisse werden schließlich im internen Speicher gespeichert oder online an eine externe Anzeigesoftware ausgegeben.

Zur Berechnung der Dopplerverschiebung und damit der Wassergeschwindigkeit entlang der akustischen Strahlen werden drei gängige Methoden verwendet. Die erste Methode nutzt einen monochromatischen Sendepuls und wird als „ inkohärent “ oder „ schmalbandig “ bezeichnet. Sie ist robust und liefert qualitativ hochwertige mittlere Strömungsprofile, weist jedoch eine begrenzte räumlich-zeitliche Auflösung auf. Besteht der Sendepuls aus codierten, sich wiederholenden Elementen, spricht man von „Wiederholungssequenzcodierung“ ^{[ 6 ]} oder „Breitband“. Diese Methode verbessert die räumlich-zeitliche Auflösung typischerweise um den Faktor 5. Sie war bis 2011 durch das US-Patent ^{[ 7 ]} 5615173 kommerziell geschützt. Die Puls-zu-Puls-Kohärenzmethode ^{[ 8 ]} basiert auf einer Sequenz von Sendepulsen, bei der angenommen wird, dass sich die Echos aufeinanderfolgender Pulse nicht gegenseitig stören. Diese Methode ist nur für sehr kurze Profilierungsstrecken anwendbar, die entsprechende Verbesserung der räumlich-zeitlichen Auflösung liegt jedoch in der Größenordnung von 1000.

Je nach Montageart unterscheidet man seitlich, nach unten und nach oben gerichtete ADCPs. Ein am Meeresboden montiertes ADCP kann Geschwindigkeit und Richtung der Strömung in gleichmäßigen Abständen bis zur Wasseroberfläche messen. Seitlich an einer Mauer oder einem Brückenpfeiler in Flüssen oder Kanälen angebracht, erfasst es das Strömungsprofil von Ufer zu Ufer. In sehr tiefem Wasser lassen sie sich an Kabeln von der Oberfläche herablassen.

Die primäre Anwendung liegt in der Ozeanographie . ^{[ 9 ]} Die Instrumente können auch in Flüssen und Kanälen zur kontinuierlichen Messung des Abflusses eingesetzt werden .

Montiert an Verankerungen in der Wassersäule oder direkt am Meeresboden, können Strömungs- und Wellenstudien durchgeführt werden. Die Geräte können jahrelang unter Wasser bleiben; die begrenzte Laufzeit wird durch die Batteriekapazität bestimmt. Je nach Einsatzart kann das Instrument in der Regel vom Land aus mit Strom versorgt werden, wobei dasselbe Versorgungskabel auch für die Datenübertragung genutzt wird. Durch den Einsatz von Lithium-Ionen-Akkus anstelle der üblichen Alkali-Batterien lässt sich die Einsatzdauer verdreifachen .

Durch Anpassen des Berechnungsfensters für die Dopplerverschiebung lässt sich die Relativgeschwindigkeit zwischen Instrument und Meeresboden messen. Dieses Verfahren wird als Bodenverfolgung bezeichnet. Es besteht aus zwei Schritten: Zunächst wird die Position des Meeresbodens anhand des akustischen Echos bestimmt, anschließend wird die Geschwindigkeit in einem um die Bodenposition zentrierten Fenster berechnet. Bei der Montage eines ADCP auf einem fahrenden Schiff kann die Bodenverfolgungsgeschwindigkeit von der gemessenen Wassergeschwindigkeit subtrahiert werden. Das Ergebnis ist das resultierende Strömungsprofil. Die Bodenverfolgung bildet die Grundlage für die Untersuchung von Meeresströmungen in Küstengebieten. In tiefem Wasser, wo die akustischen Signale den Meeresboden nicht erreichen, wird die Schiffsgeschwindigkeit anhand einer komplexeren Kombination aus Geschwindigkeits- und Kursinformationen von GPS , Kreiselkompass usw. geschätzt.

In Flüssen wird der gesamte Wassertransport mithilfe des ADCP (Analog-Digital-Pegelmessgerät) gemessen. Das Verfahren erfordert ein Schiff mit einem an der Bordwand montierten ADCP, das von einem Ufer zum anderen fährt und dabei kontinuierlich misst. Anhand der Bodenspur werden die Fahrspur des Schiffes sowie die Querschnittsfläche nach Korrektur der Uferflächen ermittelt. Der Abfluss lässt sich dann als Skalarprodukt zwischen der Fahrspur und der Strömungsgeschwindigkeit berechnen. Das Verfahren wird von hydrographischen Vermessungsorganisationen weltweit eingesetzt und ist ein wichtiger Bestandteil der Abflussganglinien, die vielerorts zur kontinuierlichen Überwachung des Flussabflusses verwendet werden.

Bei Unterwasserfahrzeugen kann die Bodenverfolgung als wichtige Komponente der Navigationssysteme genutzt werden. Dabei wird die Fahrzeuggeschwindigkeit mit einer anfänglichen Positionsbestimmung , Kompass- oder Kreiselkursdaten und Daten des Beschleunigungssensors kombiniert . Die Sensordaten werden zusammengeführt (typischerweise mittels eines Kalman-Filters ), um die Fahrzeugposition zu bestimmen. Dies kann die Navigation von U-Booten, autonomen und ferngesteuerten Unterwasserfahrzeugen erleichtern .

Einige ADCPs können so konfiguriert werden, dass sie die Höhe und Richtung von Oberflächenwellen messen. Die Wellenhöhe wird mithilfe eines vertikalen Messstrahls bestimmt, der den Abstand zur Oberfläche anhand des Echos kurzer Impulse und einfacher Algorithmen zur Spitzenwertschätzung misst. Die Wellenrichtung wird durch Kreuzkorrelation der entlang des Messstrahls ermittelten Geschwindigkeitsschätzungen und der Wellenhöhenmessung mittels des vertikalen Messstrahls bestimmt. Wellenmessungen sind typischerweise für am Meeresboden montierte Instrumente verfügbar, aber neuere Verbesserungen ermöglichen die Montage des Instruments auch auf rotierenden Unterwasserbojen. ^{[ 10 ]}

ADCPs mit Puls-zu-Puls-Kohärenzverarbeitung ermöglichen die Geschwindigkeitsmessung mit der erforderlichen Präzision zur Auflösung kleinskaliger Bewegungen. Dadurch lassen sich Turbulenzparameter mithilfe geeignet konfigurierter ADCPs bestimmen. Ein typischer Ansatz besteht darin, die Geschwindigkeit entlang des Messstrahls an die Kolmogorov-Struktur anzupassen und so die Dissipationsrate zu ermitteln. ADCPs können zur Turbulenzmessung sowohl von stationären Messstationen als auch von beweglichen Unterwasserstrukturen wie Gleitern oder Unterwasserbojen aus eingesetzt werden .

Die beiden Hauptvorteile von ADCPs liegen im Fehlen beweglicher Teile, die anfällig für Biofouling sind , und in der Fernerkundung , bei der ein einzelnes, stationäres Instrument das Strömungsprofil über Entfernungen von mehr als 1000 m messen kann. Diese Eigenschaften ermöglichen Langzeitmessungen der Meeresströmungen in einem erheblichen Teil der Wassersäule. Seit ihren Anfängen Mitte der 1980er-Jahre wurden Tausende von ADCPs in den Weltmeeren eingesetzt, und das Instrument hat wesentlich zu unserem Verständnis der globalen Meereszirkulation beigetragen .

Der größte Nachteil der ADCPs ist der Datenverlust nahe der Wasseroberfläche. Dieser Mechanismus, oft als Nebenkeuleninterferenz bezeichnet , betrifft 6–12 % der Wassersäule, und für Instrumente, die zur Oberfläche hin messen, ist der Verlust von Geschwindigkeitsinformationen in Oberflächennähe ein erheblicher Nachteil. Auch die Kosten spielen eine Rolle, werden aber in der Regel von den Kosten des für einen sicheren und professionellen Einsatz erforderlichen Schiffes in den Schatten gestellt.

Wie jedes akustische Instrument trägt auch das ADCP zur Lärmbelastung im Ozean bei, was die Navigation und Echoortung von Walen und Delfinen beeinträchtigen kann. ^{[ 11 ]} Der Effekt hängt von der Frequenz und der Leistung des Instruments ab, die meisten ADCPs arbeiten jedoch in einem Frequenzbereich, in dem die Lärmbelastung kein gravierendes Problem darstellt.