หลักการวัดคลื่นของ ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler)

หลักการวัดคลื่นของ ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler)

Beachlover วิชาการ

ในทางสมุทรศาสตร์ชายฝั่งทะเล คุณลักษณะของคลื่นที่สำคัญอย่าง ความสูงคลื่น คาบคลื่น และทิศทางของคลื่น นับว่าเป็นข้อมูลที่สำคัญและจำเป็นอย่างยิ่งเพื่องานศึกษาวิเคราะห์ในรายละเอียด ในยุคปัจจุบัน เราใช้เครื่องมือที่เรียกว่า ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler) ในการวัดข้อมูลดังกล่าว

ที่มา:https://en.wikipedia.org/wiki/Acoustic_Doppler_current_profiler

ADCP ไม่ได้วัดคลื่นโดยตรงแบบ wave buoy (ทุ่นลอยวัดคลื่น) แต่ใช้การประมวลผลจากการเปลี่ยนแปลงของระดับน้ำ (surface tracking) และ การเปลี่ยนแปลงของความเร็วกระแสน้ำในคอลัมน์น้ำ (orbital velocities) เพื่อคำนวณค่าทางสถิติของคลื่นโดยใช้เทคนิค spectral analysis (เช่น FFT)

ที่มา: https://www.nortekgroup.com/knowledge-center/wiki/guide-to-understanding-adcps

โดยโหมดหลักเพื่อการวัดคลื่นของ ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler) มีดังต่อไปนี้

1. PUV Method (Pressure – U – V):

เหมาะสำหรับ ADCP ที่ติดตั้งบนพื้นทะเล (bottom-mounted)

  • P = ความดัน → ใช้คำนวณการเปลี่ยนแปลงของระดับน้ำ U, V = ความเร็วการเคลื่อนที่ของน้ำ บริเวณใกล้ผิวน้ำ (orbital velocities) โดยนำทั้งสามค่าไปวิเคราะห์ด้วย Fast Fourier Transform (FFT) เพื่อแปลงข้อมูลจากเวลา → ความถี่
  • จะคำนวณได้:
    • ความสูงคลื่นเฉลี่ย (Significant Wave Height, Hs)
    • คาบคลื่น (Wave Period)
    • ทิศทางคลื่น (Wave Direction)
    • สเปกตรัมคลื่น (Wave Spectrum)

2. Surface Tracking Method (AST หรือ Echo Envelope):

  • บางรุ่นมีเซนเซอร์ติดตามผิวน้ำโดยตรง (Acoustic Surface Tracking) ใช้การสะท้อนกลับของคลื่นเสียงจากผิวน้ำเพื่อตรวจวัดการแกว่งตัวขึ้นลงของผิวน้ำแบบ real-time
ที่มา: https://www.hydro-international.com/content/news/teledyne-rd-instruments-presents-workhorse-proteus-adcp

ขั้นตอนโดยย่อของการวัดคลื่น

  1. ตั้งให้เครื่องบันทึกข้อมูลต่อเนื่อง เช่น 17 นาทีทุก 30 นาที
  2. บันทึกข้อมูลความดัน + ความเร็วกระแสน้ำที่ระดับใกล้ผิวน้ำ
  3. วิเคราะห์คลื่นโดยใช้วิธี spectral analysis → แสดงผลในรูปแบบสถิติของคลื่น

เหตุผลที่ใช้ “17 นาที”

  • การวิเคราะห์คลื่นต้องการ ช่วงเวลาที่นานพอ เพื่อให้สามารถวิเคราะห์สเปกตรัมของคลื่นได้ดี (wave spectrum) ช่วง 17 นาที นี้เป็นค่าที่เหมาะสมสำหรับการจับลักษณะคลื่นแบบสุ่มในธรรมชาติ (random wave field) ได้อย่างแม่นยำ เป็นค่ามาตรฐานที่ใช้กันอย่างแพร่หลายใน ADCP หลายยี่ห้อ เช่น Teledyne RDI, Nortek

เหตุผลที่ทำทุก “30 นาที”

  • เพื่อให้มีข้อมูลคลื่นทุกช่วงเวลาแบบ ครึ่งชั่วโมงต่อจุดหนึ่ง (30-min interval) เหมาะสำหรับการศึกษาการเปลี่ยนแปลงของคลื่นตลอดวัน ช่วยประหยัด พลังงานแบตเตอรี่ และ พื้นที่เก็บข้อมูล (memory/storage) ของ ADCP โดยไม่ต้องบันทึกตลอดเวลา
ตัวอย่างข้อมูลคลื่นที่ได้จาก ADCP

อธิบายง่าย ๆ คือ “เก็บ 17 นาทีในทุก 30 นาที” เป็นจุดลงตัวระหว่าง ความแม่นยำของข้อมูลคลื่น และ ข้อจำกัดด้านพลังงาน/หน่วยความจำของ ADCP เพราะช่วงเวลานี้เพียงพอสำหรับการสร้างสเปกตรัมของคลื่นที่แม่นยำ แล้วการตั้งให้วัดทุก 30 นาที จะช่วยให้การเก็บข้อมูลต่อเนื่องยาวนานขึ้นโดยไม่สิ้นเปลืองทรัพยากรเกินจำเป็น