涡动观测系统主要由流速测量模块、浓度测量模块和辅助设施构成，其中流速湍动测量通常采用ADV，浓度湍动测量设备则因待测通量而异。目前国内外采用的涡动观测系统通常由以下设备组成:


a.ADV。ADV基于声学多普勒原理进行高频三维流速测量(部分产品可达128 Hz)，兼测水温、水深、倾角和方位角等物理量。ADV通过中央传感器发射超声波脉冲，当声波遇到水中悬浮颗粒被反射回时，被均匀布置在中央传感器周围的2~4个探头接收。ADV测量的是位于中央传感器下方5~18 cm处一直径和高度均约1 cm的圆柱状水体的流速，该仪器不适宜用于悬浮颗粒稀少的低浊度或静水环境。


b.Clark型微电极。该类型微电极因最早由L.C.Clark研制而得名，具有针端细(约10μm)和响应快(90%响应时间t 90%<0．2 s)等显著优势。工作时，气体从其尖端扩散进入后与阴极发生反应产生电流，电流信号经放大后与校正的标准曲线对比可得到气体浓度值。因此，Clark型微电极在观测过程中消耗了待测气体。目前市面在售微电极的可测指标包括O2、H2 S、NO和pH值等，可用于构建多通量涡动观测系统，但大多数微电极由玻璃制作，其保证使用寿命较短，难以实现长期原位观测。


c.高鲁棒性传感器。


为长期连续开展原位涡动相关观测，可用高鲁棒性溶质浓度传感器代替Clark型微电极。例如，ARO-EC是一款基于荧光寿命法的温氧传感器，不消耗待测气体也不引起信号漂移，且以钛为材质，可满足野外长期工作的需要;Hu等设计了FACT传感器进行荧光性溶解有机物的涡动相关观测，同时可测量水温与盐度等指标。由于无须放大信号，高鲁棒性传感器与ADV的整合往往更为容易，但该类传感器也具备体积较大、通量测量类型较少等不足。


d.辅助设备。


涡动相关观测通常还需要测架、电缆、数据采集器及通信模块等辅助设备。部分传感器能由ADV控制并通过其提供的虚拟通道进行数据输出，从而实现流速和溶质浓度的同步观测;但当外接传感器较多或需要对观测信号进行放大时，则需另配数据采集器。


传感器的选用要求


涡动相关技术需要同步高频测量水流速度湍动和溶质浓度湍动，因此其观测仪器一般需满足测量频率与响应时间、测量精度与灵敏度、探头尺寸与采样范围三方面的要求。


a.测量频率与响应时间。


高频观测是涡动相关技术的主要特征之一，其传感器应具有足够高的测量频率以捕捉对通量有贡献的最小尺度(最高频·83·率)湍动。分别对典型弱湍动水环境(如深海底部流速约为2 cm/s)和强湍动水环境(如陆架海底部流速约为20 cm/s)进行估算，可知湍流存在的最小时间尺度通常为0．2~7．4 s，即5~0．1 Hz，因此涡动传感器的最高观测频率不应低于该值，且越强的湍动环境需要越高的观测频率。响应时间表征了传感器对外界环境改变的反应速度，由于湍流通量主要由大尺度涡旋携带，通常认为t 90%<0．2 s的传感器可满足涡动相关观测要求。


b.测量精度与灵敏度。


涡动观测仪器的测量精度应与其所测物理量的湍动尺度相匹配。流速湍动尺度与湍流发育程度相关，在充分发展的湍流环境中，通常以摩擦流速量化流速湍动;浓度湍动尺度还与其物质浓度梯度有关，可以根据给定的通量数值和流速湍动尺度进行估计。一般来说，提升传感器灵敏度是提高测量精度的方法之一，但过高的灵敏度将产生噪声进而降低涡动观测的数据质量并延长涡动观测的时段长度。c.探头尺寸与采样范围。


为减小对水流运动及ADV声波信号的干扰，溶质浓度测量仪器的探头尺寸应尽可能小，否则将使传感器安装间距增大、数据处理难度增加，甚至使得该系统不宜应用于强湍动水环境。此外，为捕捉与湍流通量相关的最小尺度涡动，理想溶质浓度测量仪器的采样范围应小于柯氏长度，即湍流存在的最小空间尺度;但实际上ADV的圆柱体采样范围通常相对更大，甚至超过柯氏长度，因此溶质浓度测量仪器的采样范围通常不是组建涡动观测系统的限制条件。


系统的空间布置


a.传感器安装间距。ADV与溶质浓度测量仪器测量同一涡旋，因此两者的采样区域理论上需完全重合。但是，浓度测量探头的物理结构会干扰水流状态及ADV声波信号，因此两者之间应保持一定的水平距离，即安装间距Δl(图1)，而这种空间布置错位导致的测量误差将在数据处理过程中通过时滞修正进行校正。一般来说，浓度测量探头与ADV应沿水流方向布置，且探头位于ADV采样体的下游，两者间距不超过10倍柯式长度，否则容易造成通量低估。


不同尺寸的探头所需的安装间距不等，可通过分析ADV观测信号的信噪比进行确定，如ADV与Clark型微电极之间的安装间距通常小于1 cm，而与ARO-EC传感器探头之间的安装间距应为1~2 cm。b.观测点布设高度。观测点布设高度是指ADV采样体或浓度测量探头与沉积物水界面之间的距离，即观测高度h(图1)。一般来说，沉积物水界面附近物质浓度梯度较大，因此当观测点布设较低时传感器更容易观测到浓度湍动。观测高度在一定程度上决定了涡动相关观测的足迹范围，通常取8~80 cm，实际布置时应视环境水深、水动力条件、下垫面异质性等因素而定。