脈衝式和連續式聲學都卜勒原理比較 (第二章)

都卜勒流量計（如圖示 SonTek-IQ）根據從水中顆粒反射回來的信號來測量水流速度。水流速度（由箭頭表示）隨深度和與邊界的距離而變化，從而形成速度（流量）剖面（由曲線表示）。對如 SonTek-IQ 之類的脈衝都卜勒系統，顆粒的形狀、大小和在水中的分佈不會使速度測量結果產生偏差，因為每個測量結果均由在水柱中多個已知位置進行的多次平均。

即使條件產生變化，脈衝都卜勒系統也會捕獲速度剖面資訊。當流量發生變化或顆粒濃度隨每日、季節性或運行因素而變化時，剖面資訊能夠獲得更精確的測量結果。由於連續波系統缺乏檢測流量剖面的能力，只能依賴於流量校正，然而遇到每種新的流量或顆粒條件，都可能需要重新校正。

SonTek-IQ 在義大利普利亞地區 Vasca Tavoliere 的部署範例。該定制安裝架是由 Consorzio di Bonifica della Capitanata 設計的，目的為安全高效地維護儀器。

波束角有效範圍

都卜勒儀器的波束角（聲束「向上投射」到水中的角度）由製造商和型號決定。由於波束角會影響儀器的有效測量範圍，因此為重要參數。SonTek-IQ 採用與垂直方向成 35°的波束角，這意味著波束更為垂直。相反，許多連續波系統採用接近水平的波束角，例如與水平方向成 20° 角。當以更大的水準角度發送時，聲脈衝在到達水面之前會有更長的傳播距離，傳播距離越長，連續波系統的信號越易衰減。

較深的水環境可能導致信號強度不足以測量水柱的中層或上層。某些連續波型號設置在低功率（首先產生較弱的信號）下運行，增加了在較長距離下信號丟失的可能性。因此，在較高的水位下，較大的水準波束角會使測量結果偏向靠近河床的水流速度。同樣，通常會針對此類偏差或無法測量的區域校正連續波感測器，但如果環境條件不夠穩定，則水深、流態或顆粒條件的任何變化（無論好壞）都會影響信號衰減，因此需要更改校正以保持資料準確性。

深度要求和盲區

由於連續發射和接收信號，連續波系統具有最小盲區要求極低的優勢。因此，連續波系統可以在比脈衝都卜勒系統更淺的深度進行測量，實際情況取決於換能器的設計和尺寸。此外，連續波系統通常採用分體兩件式設計，並使用一根小型水下感測器電纜將其連接到位於水面某處的大盒子上。因為可以將處理電子設備、記錄器和通訊模組放置在較大的頂側盒中，所以可以將水下感測器外殼作得更小，在較淺的深度進行測量。

脈衝都卜勒系統可以採用一體或分體式設計。SonTek-IQ 是一體式設計，只需連接到外部電源即可運行。但是，由於系統包含處理電子設備和內部記錄器並採用了更多的聲換能器，因此其尺寸可能比大多數連續波設計中可能採用的小型水下感測器要大。此外，如前所述，諸如 SonTek-IQ 類的脈衝都卜勒在感測器面附近設計了最小的盲區。與連續波式都卜勒相比，脈衝式都卜勒對操作深度的條件要求更高。

聲學都卜勒流量計的典型硬體元件。連續波 (CW) 和脈衝都卜勒系統均可採用一體或分體式配置。脈衝都卜勒 SonTek-IQ（上圖）由包含感測器、處理和通訊電子設備的單個單元組成。大多數連續波系統由兩個元件組成，感測器由電纜連線到裝有處理和通訊電子設備的頂盒。

SonTek-IQ 採用與垂直波束角呈 35° 的角度，而許多連續波系統則採用更水平的波束角。不同的波束角，許多連續波系統在較高水位時更有機會遭受更大的信號衰減，從而導致流域上層的採樣不足或變成完全不可測的區域。