Ultraschall-Doppler-Profil-Strömungsmesser


Ultraschall-Doppler-Profil-Strömungsmesser
Kopf eines ADCP mit den vier Schwingern
ADCP mit Blickrichtung nach oben, montiert an einem ozeanographischen Messgerät zur Langzeitbeobachtung der Meeresströmung in der Tiefsee

Das heute wichtigste Messgerät zur Strömungsmessung ist der Ultraschall-Doppler-Profil-Strömungsmesser (engl.: Acoustic Doppler Current Profiler (ADCP)), ein Aktivsonar, das die Doppler-Frequenzverschiebung des Nachhalls von Streukörpern im Wasser (vorwiegend Plankton) zur Bestimmung der lokalen Strömungsgeschwindigkeit nutzt. Das Gerät ist mit vier voneinander unabhängigen Schwinger ('Transducer') ausgestattet, wobei die gegenüberliegenden jeweils Paare bilden. Jeweils ein Schwingerpaar misst die Horizontalbewegung in einer Richtung, die Vertikalbewegung wird von beiden parallel gemessen. Dazu geben die Geräte in festen Zeitintervallen Schallimpulse im Bereich von 500 kHz-10 MHz ab. Zwischen den Impulsen werden die zurück gestreuten Signale wieder empfangen. Diese erlauben über ihre Laufzeit eine Zuordnung zur relativen Entfernung zum Signalgeber. Die Geräte können je nach Bauart und Konfiguration die dreidimensionale Wassergeschwindigkeit in verschiedenen Tiefenhorizonten messen.[1] Mit Hilfe der Beziehung:

u = C * \frac{F_D}{2*F_S}

wobei FD die vom Gerät gemessene Doppler-Frequenzverschiebung und FS die Frequenz des ausgesendeten Signals ist, kann die relative Geschwindigkeit u des Wasserkörpers berechnet werden.[2] Bei autonom arbeitenden Geräten werden die gemessenen Geschwindigkeiten der verschiedenen Schichten gespeichert und können später ausgelesen werden. Die Geräte können auch im Lotschacht eines Schiffes angebracht sein. Dann wird die relative Geschwindigkeit zwischen Wasserkörper und Schiff gemessen. Über ein Bordgerät können die Messergebnisse jederzeit analysiert werden. Befindet sich der Meeresboden in der Reichweite des ADCP so ist es möglich, über die relative Geschwindigkeit des Bodens zum Schiff (bottom track), die absolute Wassergeschwindigkeit der einzelnen Schichten unterhalb des Schiffs zu berechnen.[3]

Grundsätzlich ist die Auflösung des Messverfahrens durch die Nachhallunschärfe-Relation

\Delta v_n \Delta z = \frac{c^2}{2f_0}

begrenzt, wobei Δvn die Auflösung der Strömungsgeschwindigkeit, Δz die Abstandsauflösung, c die Schallgeschwindigkeit und f0 die Mittenfrequenz des Sendesignals sind. Je höher die Frequenz, desto besser ist also die erzielbare Auflösung, desto kürzer ist wegen der frequenzabhängigen Dämpfung auch die Länge des Strömungsprofils. Die Auflösung lässt sich mit Hilfe großer Sendesignalbandbreite gegenüber der Nachhallunschärferelation erhöhen (Breitband-ADCP, BB-ADCP).

Siehe auch: Wasserschall

Einzelnachweise

  1. http://www.tu-harburg.de/wb/forschung/messtechnik/adcp/adcp.html Messtechnische Ausstattung Acoustic Doppler Current Profiler (ADCP)
  2. RD Instruments (1987): "RD-MV Model acustic doppler current profiler, Operation and maintenance manual"
  3. Luff, R. (1994): "Ausbreitung passiver, konservativer Substanzen in der Nordsee, unter Verwendung eines hydro- und thermodynamischen Langzeitdatensatzes", Diplomarbeit im Fach Ozeanographie an der Universität Hamburg

Weblinks


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