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ADCP的奇妙原理：你知道如何利用聲波測量水流速度嗎？
在水文學與海洋科學領域，聲波技術的應用日益受到重視。其中，聲學多普勒流速剖面儀（ADCP）便是一項重要的工具，透過聲波的多普勒效應來測量水流速度。這項技術於1980年代初由RD Instruments公司首次推出，並迅速成為流速測量中的佼佼者。
ADCP的基本原理在於應用聲波的傳播與反射來計算水流速度。當聲波遇到水中的顆粒時，會產生返回的回聲，而這些回聲的頻率變化恰好可用來推算水流的速度。
工作原理
聲學多普勒流速剖面儀主要由壓電傳感器組成，這些傳感器可以發送和接收聲波信號。聲波的傳播時間可以用來估算距離，而回聲的頻率變化則與水流速成正比。為了測量三維的速度，至少需要三個聲波束；而在河流中，雙維速度通常足夠，因此ADCP一般配有兩個聲波束。
現今的ADCP不僅能測量水流，還能加入波浪和湍流的測量能力，配備的聲波束數也從兩根增加到九根，增加了數據的準確性與豐富性。
資料處理方法
在計算多普勒頻移及水流速度時，通常有三種常見方法。第一種叫做“不可干涉式”或“窄帶”，這種方法穩定且能提供良好的平均流速剖面，但在時空解析度上的表現較為有限。而重複序列編碼法，則能提高時空解析度，通常提升約五倍。此外，脈衝間的相干處理方法雖然僅適用於非常短的剖面範圍，但其時空解析度卻可提升高達千倍之多。
應用
根據安裝的位置，ADCP可以分為側視、向下和向上觀測型。底部安裝的ADCP可以在垂直方向上均勻測量水流速度和方向。若將其側裝於河流或運河的橋樁上，則可測量從岸到岸的水流剖面。在深水中，這些儀器可透過電纜從水面懸掛下來進行測量。ADCP最主要的應用在於海洋學上，也可用於河流與運河，進行持續性的水流流量測量。
ADCP可在水下長時間運行，使得其成為水流及波浪研究的重要工具，持續的數據收集可達到數年，這在科學研究中是極其珍貴的資源。
其他測量功能
除了水流速度，ADCP還能進行波浪高低及方向的測量。透過垂直聲波束估算海平面與儀器之間的距離，並利用簡單的峰值估算法獲取波浪的高度和方向。此外，ADCP也能估算湍流參數，這一應用可幫助研究者更深入了解水體中的小尺度運動，進而推導出湍流的能量耗散率。
優缺點
ADCP的兩大主要優勢在於無需移動部件以避免生物附著，以及其遠程感測能力，使得單一靜止儀器可測量超過1000米的水流剖面。然而，ADCP的劣勢在於靠近邊界的數據損失，通常這一現象稱為旁瓣干擾，可能會導致高達6%-12%的水柱信息遺失。成本也是一個考量因素，儘管相較於確保專業部署所需的船舶成本，ADCP的成本通常相對較低。
隨著科技的發展，ADCP的使用日益廣泛，成為科學研究中不可或缺的工具。這項技術讓我們對水流運動的了解更加深入，然而它同時也引發了關於海洋噪音對生態影響的討論：當你在海上觀察到一個ADCP運行時，是否會思考它與周圍海洋生物的互動呢？
