Un perfilador de corriente acústica Doppler ( ADCP ) es un medidor de corriente hidroacústico similar a un sonar , que se utiliza para medir las velocidades de las corrientes de agua en un rango de profundidad utilizando el efecto Doppler de las ondas sonoras dispersadas desde las partículas dentro de la columna de agua. El término ADCP es un término genérico para todos los perfiladores de corriente acústica, aunque la abreviatura se origina en una serie de instrumentos introducida por RD Instruments en la década de 1980. El rango de frecuencias de trabajo de los ADCP va desde 38 kHz hasta varios megahercios .
Un dispositivo similar es el SODAR , que funciona en el aire y utiliza los mismos principios para perfilar la velocidad del viento.
Los ADCP contienen transductores piezoeléctricos para transmitir y recibir señales de sonido. El tiempo de viaje de las ondas sonoras proporciona una estimación de la distancia. El cambio de frecuencia del eco es proporcional a la velocidad del agua a lo largo de la trayectoria acústica. Para medir velocidades 3D, se requieren al menos tres haces. En los ríos, solo es relevante la velocidad 2D y los ADCP suelen tener dos haces. En los últimos años, se han añadido más funciones a los ADCP (en particular, mediciones de olas y turbulencia) y se pueden encontrar sistemas con 2, 3, 4, 5 o incluso 9 haces.
Otros componentes de un ADCP son un amplificador electrónico , un receptor , un reloj para medir el tiempo de viaje, un sensor de temperatura , una brújula para saber el rumbo y un sensor de cabeceo/balanceo para saber la orientación. Se requieren un convertidor analógico a digital y un procesador de señal digital para muestrear la señal de retorno con el fin de determinar el efecto Doppler . Se utiliza un sensor de temperatura para estimar la velocidad del sonido en la posición del instrumento utilizando la ecuación de estado del agua de mar , y se utiliza esto para estimar la escala del cambio de frecuencia a las velocidades del agua. Este procedimiento supone que la salinidad tiene un valor constante preconfigurado. Finalmente, los resultados se guardan en la memoria interna o se envían en línea a un software de visualización externo.
Se utilizan tres métodos comunes para calcular el desplazamiento Doppler y, por lo tanto, la velocidad del agua a lo largo de los rayos acústicos. El primer método utiliza un pulso de transmisión monocromático y se denomina " incoherente " o " de banda estrecha ". El método es robusto y proporciona perfiles de corriente media de buena calidad, pero tiene una resolución espacio-temporal limitada. Cuando el pulso de transmisión consta de elementos codificados que se repiten, el método se denomina "codificación de secuencia repetida" [1] o "de banda ancha". Este método mejora la resolución espacio-temporal en un factor de 5 (típico). Comercialmente, este método estuvo protegido por la patente estadounidense [2] 5615173 hasta 2011. El método coherente pulso a pulso [3] se basa en una secuencia de pulsos de transmisión donde se supone que el eco de los pulsos posteriores no interfiere entre sí. Este método solo es aplicable para rangos de perfilado muy cortos, pero la mejora correspondiente en la resolución espacio-temporal es del orden de 1000.
Según el montaje, se pueden distinguir entre ADCP de orientación lateral, de orientación inferior y de orientación superior. Un ADCP de orientación inferior puede medir la velocidad y la dirección de las corrientes a intervalos iguales hasta la superficie. Montado de lado en un muro o en un pilote de un puente en ríos o canales, puede medir el perfil de la corriente de orilla a orilla. En aguas muy profundas se pueden bajar con cables desde la superficie.
El uso principal es para oceanografía . [4] Los instrumentos también se pueden utilizar en ríos y canales para medir continuamente el caudal .
Montados en amarres dentro de la columna de agua o directamente en el fondo marino, se pueden realizar estudios de corrientes de agua y olas. Pueden permanecer bajo el agua durante años, el factor limitante es la vida útil del paquete de baterías. Dependiendo de la naturaleza del despliegue, el instrumento suele tener la capacidad de recibir alimentación desde la costa, utilizando el mismo cable umbilical para la comunicación de datos. La duración del despliegue se puede extender por un factor de tres sustituyendo los paquetes de baterías alcalinas estándar por paquetes de baterías de litio .
Al ajustar la ventana donde se calcula el desplazamiento Doppler, es posible medir la velocidad relativa entre el instrumento y el fondo. Esta función se conoce como trayectoria del fondo. El proceso tiene dos partes: primero, se identifica la posición del fondo a partir del eco acústico y luego se calcula la velocidad a partir de una ventana centrada en la posición del fondo. Cuando se monta un ADCP en un barco en movimiento, la velocidad de trayectoria del fondo se puede restar de la velocidad del agua medida. El resultado es el perfil de corriente neta. La trayectoria del fondo proporciona la base para los estudios de las corrientes de agua en las zonas costeras. En aguas profundas, donde las señales acústicas no pueden llegar al fondo, la velocidad del barco se estima a partir de una combinación más compleja de información de velocidad y rumbo del GPS , giroscopio , etc.
En los ríos, el ADCP se utiliza para medir el transporte total de agua. El método requiere que una embarcación con un ADCP montado en el costado cruce de una orilla a otra mientras realiza mediciones continuas. Mediante la función de trayectoria inferior, se estima la trayectoria de la embarcación, así como el área de la sección transversal, después de ajustar las áreas de la orilla izquierda y derecha. Luego, el caudal se puede calcular como el producto escalar entre la trayectoria vectorial y la velocidad de la corriente. El método se utiliza en organizaciones de estudios hidrográficos en todo el mundo y constituye un componente importante en las curvas de nivel-caudal que se utilizan en muchos lugares para monitorear continuamente el caudal de los ríos.
En el caso de los vehículos submarinos, la función de seguimiento del fondo puede utilizarse como un componente importante de los sistemas de navegación. En este caso, la velocidad del vehículo se combina con una posición inicial fija , un rumbo de brújula o giroscopio y datos del sensor de aceleración . El conjunto de sensores se combina (normalmente mediante el uso de un filtro Kalman ) para estimar la posición del vehículo. Esto puede ayudar a navegar en submarinos, vehículos submarinos autónomos y operados a distancia .
Algunos ADCP pueden configurarse para medir la altura y la dirección de las olas en la superficie. La altura de las olas se calcula con un haz vertical que mide la distancia a la superficie utilizando el eco de pulsos cortos y algoritmos simples de estimación de picos. La dirección de las olas se determina mediante la correlación cruzada de las estimaciones de velocidad a lo largo del haz y la medición de la altura de las olas a partir del haz vertical. Las mediciones de olas suelen estar disponibles para instrumentos montados en el fondo marino, pero las mejoras recientes permiten que el instrumento también se monte en boyas giratorias subsuperficiales. [5]
Los ADCP con procesamiento coherente pulso a pulso pueden estimar la velocidad con la precisión necesaria para resolver el movimiento a pequeña escala. En consecuencia, es posible estimar parámetros turbulentos a partir de ADCP configurados correctamente. Un enfoque típico es ajustar la velocidad a lo largo del haz a la configuración de la estructura de Kolmogorov y, de ese modo, estimar la tasa de disipación. La aplicación de ADCP a la medición de turbulencia es posible desde implementaciones estacionarias, pero también se puede realizar desde estructuras submarinas en movimiento, como planeadores o desde boyas subsuperficiales .
Las dos principales ventajas de los ADCP son la ausencia de piezas móviles que estén sujetas a la bioincrustación y el aspecto de teledetección , donde un solo instrumento estacionario puede medir el perfil de corriente en rangos superiores a 1000 m. Estas características permiten mediciones a largo plazo de las corrientes oceánicas en una parte significativa de la columna de agua. Desde el comienzo a mediados de la década de 1980, se han utilizado miles de ADCP en los océanos del mundo y el instrumento ha desempeñado un papel importante en nuestra comprensión de la circulación oceánica mundial .
La principal desventaja de los ADCP es la pérdida de datos cerca del límite. Este mecanismo, a menudo denominado interferencia de lóbulo lateral , cubre entre el 6 y el 12 % de la columna de agua y, para los instrumentos que apuntan hacia la superficie, la pérdida de información de velocidad cerca de la superficie es una verdadera desventaja. El costo también es un problema, pero normalmente es eclipsado por el costo del barco necesario para garantizar un despliegue seguro y profesional.
Como cualquier instrumento acústico, el ADCP contribuye a la contaminación acústica en el océano, lo que puede interferir con la navegación y la ecolocalización de los cetáceos . [6] El efecto depende de la frecuencia y la potencia del instrumento, pero la mayoría de los ADCP operan en un rango de frecuencia en el que no se ha identificado que la contaminación acústica sea un problema grave.