جهاز قياس التيار الصوتي دوبلر

جهاز قياس التيار الصوتي دوبلر (ADCP) هو جهاز قياس تيار صوتي مائي، يشبه السونار، ويُستخدم لقياس سرعات تيار الماء على نطاق عمق معين باستخدام تأثير دوبلر للموجات الصوتية المتناثرة من الجسيمات داخل عمود الماء. مصطلح عام لجميع أجهزة قياس التيار الصوتي، على الرغم من أن الاختصار يعود إلى سلسلة أجهزة قدمتها شركة تيليدين للتقنيات في ثمانينيات القرن الماضي. يتراوح نطاق ترددات عمل أجهزة القياس هذه بين 38 كيلوهرتز إلى عدة ميغا هرتز.

جهاز مماثل هو السودار، الذي يعمل في الهواء ويستخدم نفس المبادئ لتحديد سرعة الرياح.

 مبدأ العمل 
تصغير|تُحلل أجهزة ADCP ذات الحزم الثلاث مكونات السرعة الثلاثة. (طرازات بروفايلر أكوادوب بتردد 1 ميجاهرتز و0.6 ميجاهرتز، نورتيك)
تصغير|رأس ADCP بأربعة محولات (طراز WH-600)
تحتوي أجهزة ADCP على محولات كهرضغطية لإرسال واستقبال الإشارات الصوتية. يُقدّر زمن انتقال الموجات الصوتية المسافة المقطوعة. يتناسب انزياح تردد الصدى طرديًا مع سرعة الماء على طول المسار الصوتي. لقياس السرعات ثلاثية الأبعاد، يلزم استخدام ثلاث حزم على الأقل. في الأنهار، تكون السرعة ثنائية الأبعاد فقط هي المهمة، وعادةً ما تحتوي أجهزة ADCP على حزمتين. في السنوات الأخيرة، أُضيفت وظائف جديدة إلى أجهزة ADCP (لا سيما قياسات الأمواج والاضطرابات)، ويمكن العثور على أنظمة مزودة بحزمتين أو ثلاث أو أربع أو خمس حزم أو حتى تسع حزم.

المكونات الأخرى لجهاز ADCP هي مُضخِّم إلكتروني وجهاز استقبال وساعة لقياس زمن الرحلة، ومستشعر درجة حرارة وبوصلة لتحديد الاتجاه، ومستشعر ميل/ميلان لتحديد الاتجاه. يتطلب الأمر مُحوِّلاً تناظريًا إلى رقمي ومعالج إشارة رقمية لأخذ عينات من الإشارة المُعادة لتحديد انزياح دوبلر. يُستخدم مستشعر درجة حرارة لتقدير سرعة الصوت عند موضع الجهاز باستخدام معادلة حالة مياه البحر، ويُستخدم هذا لتقدير انزياح التردد إلى سرعات المياه. تفترض هذه العملية أن للملوحة قيمة ثابتة مُحدَّدة مسبقًا. أخيرًا، تُحفظ النتائج في الذاكرة الداخلية أو تُعرض عبر الإنترنت على برنامج عرض خارجي.
تصغير|صورة تحت الماء لجهاز ADCP مزود بخمسة محولات طاقة (طراز Signature1000، نورتك)

 طرق المعالجة 
تُستخدم ثلاث طرق شائعة لحساب انزياح دوبلر، وبالتالي سرعة الماء على طول الحزم الصوتية. تستخدم الطريقة الأولى نبضة إرسال أحادية اللون، وتُعرف باسم "غير متماسكة" أو "ضيقة النطاق". تتميز هذه الطريقة بالدقة وتوفر أنماط تيار متوسط عالية الجودة، إلا أن دقتها المكانية-الزمانية محدودة. عندما تتكون نبضة الإرسال من عناصر مُرمَّزة ومتكررة، تُعرف الطريقة باسم "ترميز تسلسل التكرار"  أو "النطاق العريض". تُحسِّن هذه الطريقة دقة المكانية-الزمانية بمعامل 5 (نموذجي). كانت هذه الطريقة محمية تجاريًا بموجب براءة الاختراع الأمريكية  رقم 5615173 حتى عام 2011. تعتمد طريقة التماسك النبضي  على سلسلة من نبضات الإرسال، حيث يُفترض ألا يتداخل صدى النبضات اللاحقة مع بعضها البعض. لا تُطبَّق هذه الطريقة إلا على نطاقات تحديد أنماط قصيرة جدًا، ولكن التحسين المُقابل في دقة المكانية-الزمانية يبلغ 1000.

 التطبيقات 
بناءً على طريقة التركيب، يُمكن التمييز بين أجهزة قياس التيارات الموجهة الجانبية، والمنخفضة، والعلوية. يُمكن للجهاز المُثبّت في الأسفل قياس سرعة واتجاه التيارات على فترات متساوية حتى السطح. أما عند تركيبه جانبيًا على جدار أو جسر في الأنهار أو القنوات، فيُمكنه قياس مسار التيار من ضفة إلى أخرى. وفي المياه العميقة جدًا، يُمكن إنزاله بواسطة كابلات من السطح.

الاستخدام الأساسي هو علم المحيطات.  يمكن أيضًا استخدام الأجهزة في الأنهار والقنوات لقياس التصريف بشكل مستمر.

يمكن إجراء دراسات تيارات المياه والأمواج، سواءً مثبتة على مراسي داخل عمود الماء أو مباشرة في قاع البحر. يمكن أن تبقى هذه الأجهزة تحت الماء لسنوات، ويحد من ذلك عمر البطارية. وحسب طبيعة الاستخدام، عادةً ما يمكن تشغيل الجهاز من الشاطئ، باستخدام نفس الكابل لنقل البيانات. ويمكن إطالة مدة الاستخدام ثلاثة أضعاف عن طريق استبدال البطاريات القلوية القياسية ببطاريات الليثيوم.

 تتبع القاع 
من خلال ضبط النافذة التي يُحسب فيها إزاحة دوبلر، يُمكن قياس السرعة النسبية بين الجهاز والقاع. تُعرف هذه الميزة باسم مسار القاع. تتكون العملية من جزأين؛ أولًا تحديد موضع القاع من الصدى الصوتي، ثم حساب السرعة من نافذة متمركزة حول موضع القاع. عند تركيب الجهاز على سفينة متحركة، يُمكن طرح سرعة مسار القاع من سرعة الماء المقاسة. والنتيجة هي مخطط التيار الصافي. يُوفر مسار القاع الأساس لمسوحات التيارات المائية في المناطق الساحلية. في المياه العميقة حيث لا يُمكن للإشارات الصوتية الوصول إلى القاع، تُقدر سرعة السفينة من مزيج أكثر تعقيدًا من معلومات السرعة والاتجاه من نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) والجيروسكوب وما إلى ذلك.

 قياسات التفريغ 
في الأنهار، يُستخدم جهاز ADCP لقياس إجمالي نقل المياه. تتطلب هذه الطريقة سفينةً مُثبّتًا عليه الجهاز للعبور من ضفة إلى أخرى مع إجراء قياسات مستمرة. باستخدام خاصية المسار السفلي، يُقدّر مسار القارب ومساحة المقطع العرضي بعد تعديل مناطق الضفتين اليمنى واليسرى. يمكن بعد ذلك حساب التصريف كحاصل ضرب نقطي بين مسار المتجه وسرعة التيار. تستخدم منظمات المسح الهيدروغرافي هذه الطريقة حول العالم، وتُشكّل عنصرًا هامًا في منحنيات التصريف المرحلي المُستخدمة في العديد من الأماكن لمراقبة تصريف الأنهار باستمرار.

 سجل سرعة دوبلر (DVL) 
بالنسبة للمركبات تحت الماء، يمكن استخدام ميزة تتبع القاع كمكون أساسي في أنظمة الملاحة. في هذه الحالة، تُدمج سرعة المركبة مع تحديد الموقع الأولي، والبوصلة أو اتجاه الجيروسكوب، وبيانات مستشعر التسارع. تُدمج مجموعة المستشعرات (عادةً باستخدام مرشح كالمان) لتقدير موقع المركبة. قد يُساعد هذا في توجيه الغواصات، والمركبات ذاتية القيادة، والمركبات التي تُشغّل عن بُعد تحت الماء.
تصغير|الموجات الصوتية والتيارات هو نوع من ADCP تم تصميمه خصيصًا لارتفاع واتجاه الموجة السطحية.

 قياسات الموجات 
يمكن تهيئة بعض أجهزة ADCP لقياس ارتفاع واتجاه الموجة السطحية. يُقدَّر ارتفاع الموجة بشعاع عمودي يقيس المسافة إلى السطح باستخدام صدى النبضات القصيرة وخوارزميات بسيطة لتقدير الذروة. يُحدَّد اتجاه الموجة من خلال الربط المتبادل بين تقديرات سرعة الشعاع على طوله وقياس ارتفاع الموجة من الشعاع العمودي. عادةً ما تتوفر قياسات الأمواج للأجهزة المثبتة في قاع البحر، ولكن التحسينات الحديثة تسمح بتركيب الجهاز أيضًا على عوامات دوارة تحت السطح. 

 الاضطرابات 
تستطيع الأجهزة المزودة بمعالجة متماسكة من نبضة إلى نبضة تقدير السرعة بالدقة اللازمة لتحليل الحركة على نطاق صغير. ونتيجةً لذلك، يُمكن تقدير معاملات الاضطراب من أجهزة مُعدّة بشكل صحيح. تتمثل الطريقة المُتبعة عادةً في مُلاءمة سرعة الشعاع على طول مساره مع تكوين هيكل كولموغوروف، وبالتالي تقدير معدل التبديد. يُمكن تطبيق هذه الأجهزة على قياس الاضطراب من خلال عمليات النشر الثابتة، كما يُمكن تطبيقها من خلال هياكل متحركة تحت الماء مثل الطائرات الشراعية أو العوامات تحت السطحية.

 المزايا والعيوب 
تتمثل الميزتان الرئيسيتان لأجهزة قياس التيارات المحيطية في عدم وجود أجزاء متحركة معرضة للتلوث الحيوي، وميزة الاستشعار عن بُعد، حيث يمكن لجهاز واحد ثابت قياس نمط التيار على مسافات تتجاوز 1000 متر. تتيح هذه الميزات إجراء قياسات طويلة المدى لتيارات المحيطات على جزء كبير من عمود الماء. منذ بدايتها في منتصف ثمانينيات القرن الماضي، استُخدمت آلاف أجهزة قياس التيارات المحيطية في محيطات العالم، ولعبت دورًا هامًا في فهمنا لدوران المحيطات العالمي.

العيب الرئيسي لهذه الأجهزة هو فقدان البيانات قرب الحدود. تغطي هذه الآلية، التي تُعرف غالبًا باسم تداخل الفص الجانبي، ما بين 6% و12% من عمود الماء، وبالنسبة للأجهزة التي تنظر نحو السطح، يُعد فقدان معلومات السرعة قرب السطح عيبًا حقيقيًا. كما تُشكل التكلفة مصدر قلق، ولكنها عادةً ما تكون ضئيلة مقارنةً بتكلفة السفينة اللازمة لضمان نشر آمن واحترافي.

مثل أي أداة صوتية، يساهم جهاز ADCP في التلوث الضوضائي في المحيط والذي قد يتداخل مع الملاحة والتحديد بالصدى للحيتانيات.  يعتمد التأثير على التردد وقوة الأداة ولكن معظم أجهزة ADCP تعمل في نطاق تردد لم يتم تحديد التلوث الضوضائي فيه على أنه مشكلة خطيرة.

 مراجع 

تصنيف:أجزاء المركبة المائية
تصنيف:تيارات محيطية
تصنيف:علم المحيطات الفيزيائي
تصنيف:سونار
تصنيف:صفحات بترجمات غير مراجعة