Perfilador de corriente Doppler acústico

Un perfilador de corrientes Doppler acústico ( ADCP ) es un medidor de corrientes hidroacústico similar a un sonar , que se utiliza para medir la velocidad de las corrientes de agua en un rango de profundidad mediante el efecto Doppler de las ondas sonoras que se dispersan al interactuar con las partículas de la columna de agua. El término ADCP es genérico para todos los perfiladores de corrientes acústicos, 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 abarca desde 38 kHz hasta varios megahercios . 

Un dispositivo similar es el SODAR , que funciona en el aire y utiliza los mismos principios para la elaboración de perfiles de velocidad del viento.

Los ADCP contienen transductores piezoeléctricos para transmitir y recibir señales de sonido. El tiempo de propagación de las ondas sonoras permite estimar la distancia. El desplazamiento 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 la velocidad 2D es relevante y los ADCP suelen tener dos haces. En los últimos años, se ha añadido más funcionalidad a los ADCP (en particular, mediciones de olas y turbulencia) y se pueden encontrar sistemas con dos, ^{[ 1 ]} tres, ^{[ 2 ]} cuatro, ^{[ 3 ]} cinco ^{[ 4 ]} o incluso nueve haces. ^{[ 5 ]}

Otros componentes de un ADCP son un amplificador electrónico , un receptor , un reloj para medir el tiempo de propagación, un sensor de temperatura , una brújula para determinar el rumbo y un sensor de cabeceo/balanceo para determinar la orientación. Se requiere un convertidor analógico-digital y un procesador de señal digital para muestrear la señal de retorno y determinar el desplazamiento Doppler . Un sensor de temperatura se utiliza para estimar la velocidad del sonido en la posición del instrumento mediante la ecuación de estado del agua de mar , y utiliza este valor para escalar el desplazamiento de frecuencia a velocidades del agua. Este procedimiento asume 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 haces acústicos. El primer método utiliza un pulso de transmisión monocromático y se denomina " incoherente " o " de banda estrecha ". Este método es robusto y proporciona perfiles de corriente promedio 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" ^{[ 6 ]} 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 ^{[ 7 ]} 5615173 hasta 2011. El método coherente pulso a pulso ^{[ 8 ]} se basa en una secuencia de pulsos de transmisión donde se supone que el eco de los pulsos subsiguientes 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 su montaje, se pueden distinguir ADCP de visión lateral, descendente y ascendente. Un ADCP montado en el fondo marino puede medir la velocidad y la dirección de las corrientes a intervalos regulares hasta la superficie. Montado lateralmente en un muro o en el pilar 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 mediante cables desde la superficie.

Su uso principal es en oceanografía . ^{[ 9 ]} Los instrumentos también se pueden utilizar en ríos y canales para medir continuamente el caudal .

Instalados en amarres dentro de la columna de agua o directamente en el lecho marino, permiten realizar estudios de corrientes y oleaje. Pueden permanecer sumergidos durante años; el factor limitante es la duración de la batería. Según el tipo de despliegue, el instrumento suele poder alimentarse desde tierra, utilizando el mismo cable umbilical para la comunicación de datos. La duración del despliegue puede triplicarse sustituyendo las baterías alcalinas estándar por baterías de litio.

Registro de velocidad Doppler (DVL)

Para vehículos submarinos, la función de seguimiento del fondo marino puede ser un componente importante en los sistemas de navegación. En este caso, la velocidad del vehículo se combina con una posición inicial , la orientación de la brújula o el giroscopio y los datos del sensor de aceleración . El conjunto de sensores se combina (normalmente mediante un filtro de Kalman ) para estimar la posición del vehículo. Esto puede ayudar a la navegación de submarinos, vehículos submarinos autónomos y operados a distancia .

Las dos principales ventajas de los ADCP son la ausencia de partes móviles susceptibles a la bioincrustación y la teledetección , que permite que un único instrumento fijo mida el perfil de la corriente en rangos superiores a 1000 m. Estas características posibilitan mediciones a largo plazo de las corrientes oceánicas en una porción significativa de la columna de agua. Desde su inicio a mediados de la década de 1980, se han utilizado miles de ADCP en los océanos del mundo, y este instrumento ha desempeñado un papel fundamental 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 , abarca 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 representa una desventaja importante. El costo también es un factor a considerar, pero suele ser insignificante en comparación con el costo del buque 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 . ^{[ 11 ]} El efecto depende de la frecuencia y la potencia del instrumento, pero la mayoría de los ADCP operan en un rango de frecuencia donde la contaminación acústica no se ha identificado como un problema grave.