Un perfilador de corriente Doppler acústico ( 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 ondas sonoras dispersas desde partículas dentro de la columna de agua. El término ADCP es un término genérico para todos los perfiladores de corriente acústica, aunque la abreviatura proviene de una serie de instrumentos introducida por RD Instruments en la década de 1980. El rango de frecuencias de trabajo de los ADCP oscila entre 38 kHz y varios megahercios .
Un dispositivo similar es un 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 da una estimación de la distancia. El cambio de frecuencia del eco es proporcional a la velocidad del agua a lo largo del camino acústico. Para medir velocidades 3D, se requieren al menos tres haces. En los ríos, sólo la velocidad 2D es relevante 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 turbulencias) 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 conocer el rumbo y un sensor de cabeceo/balanceo para conocer la orientación. Se requiere un convertidor analógico a digital y un procesador de señal digital para muestrear la señal de retorno con el fin de determinar el desplazamiento 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 la utiliza 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 tanto, la velocidad del agua a lo largo de los haces acústicos. El primer método utiliza un pulso de transmisión monocromático y se denomina " incoherente " o " 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 "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 sólo es aplicable para rangos de perfilado muy cortos, pero la mejora correspondiente en la resolución espacio-temporal es del orden 1000.
Dependiendo del montaje, se puede distinguir entre ADCP orientados hacia los lados, hacia abajo y hacia arriba. Un ADCP montado en el fondo puede medir la velocidad y la dirección de las corrientes a intervalos iguales hasta la superficie. Montado de lado en una pared o en un puente en ríos o canales, puede medir el perfil actual de orilla a orilla. En aguas muy profundas se pueden bajar mediante cables desde la superficie.
El uso principal es para la oceanografía . [4] Los instrumentos también se pueden utilizar en ríos y canales para medir continuamente el caudal .
Montados sobre amarres dentro de la columna de agua o directamente en el fondo marino, se pueden realizar estudios de corrientes de agua y oleaje. Pueden permanecer bajo el agua durante años seguidos; el factor limitante es la vida útil de la batería. Dependiendo de la naturaleza de la implementación, el instrumento generalmente tiene la capacidad de recibir energía desde la costa, utilizando el mismo cable umbilical para la comunicación de datos. La duración del despliegue se puede ampliar por un factor de tres sustituyendo los paquetes de baterías alcalinas estándar por paquetes de baterías de litio.
Ajustando la ventana donde se calcula el desplazamiento Doppler, es posible medir la velocidad relativa entre el instrumento y el fondo. Esta característica se conoce como seguimiento inferior. El proceso tiene dos partes; Primero identifique la posición del fondo a partir del eco acústico y luego calcule la velocidad desde una ventana centrada alrededor de la posición del fondo. Cuando se monta un ADCP en un barco en movimiento, la velocidad de la trayectoria del fondo se puede restar de la velocidad del agua medida. El resultado es el perfil actual neto. El seguimiento de 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 velocidad e información de rumbo procedente de GPS , giroscopio , etc.
En los ríos, el ADCP se utiliza para medir el transporte total de agua. El método requiere una embarcación con un ADCP montado en el costado para cruzar de un banco a otro mientras se mide continuamente. Utilizando la función de seguimiento del fondo, se estima el rumbo del barco así como el área de la sección transversal después del ajuste para las áreas de la orilla izquierda y derecha. Luego, la descarga se puede calcular como el producto escalar entre la trayectoria del vector y la velocidad actual. El método lo utilizan organizaciones de estudios hidrográficos de todo el mundo y forma un componente importante en las curvas de descarga por etapas utilizadas en muchos lugares para monitorear continuamente la descarga de los ríos.
Para los vehículos submarinos, la función de seguimiento del fondo se puede utilizar como un componente importante en los sistemas de navegación. En este caso, la velocidad del vehículo se combina con una posición inicial fija , un rumbo con brújula o giroscopio y datos del sensor de aceleración . El conjunto de sensores se combina (normalmente mediante el uso de un filtro de Kalman ) para estimar la posición del vehículo. Esto puede ayudar a navegar en submarinos y vehículos submarinos autónomos y operados de forma remota .
Algunos ADCP se pueden configurar para medir la altura y dirección de las olas en la superficie. La altura de la ola se estima 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 encuentra correlacionando cruzadamente las estimaciones de velocidad a lo largo del haz y la medición de la altura de las olas desde el haz vertical. Las mediciones de olas suelen estar disponibles para instrumentos montados en el fondo marino, pero mejoras recientes permiten que el instrumento se monte también en boyas subterráneas giratorias. [5]
Los ADCP con procesamiento coherente pulso a pulso pueden estimar la velocidad con la precisión necesaria para resolver movimientos a pequeña escala. Como consecuencia, es posible estimar parámetros turbulentos a partir de ADCP configurados correctamente. Un enfoque típico es ajustar la velocidad del haz a la configuración de la estructura de Kolmogorov y así estimar la tasa de disipación. La aplicación de ADCP a la medición de turbulencias es posible desde despliegues estacionarios, pero también se puede realizar desde estructuras submarinas en movimiento como planeadores o desde boyas subterráneas .
Las dos principales ventajas de los ADCP son la ausencia de piezas móviles sujetas a bioincrustaciones y el aspecto de detección remota , donde un único instrumento estacionario puede medir el perfil actual en rangos superiores a 1000 m. Estas características permiten mediciones a largo plazo de las corrientes oceánicas en una porción significativa de la columna de agua. Desde principios 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 lóbulos laterales , cubre entre el 6% y el 12% de la columna de agua y, para los instrumentos que miran hacia la superficie, la pérdida de información de velocidad cerca de la superficie es una verdadera desventaja. El costo también es una preocupación, pero normalmente queda 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 funcionan en un rango de frecuencia en el que no se ha identificado que la contaminación acústica sea un problema grave.