海洋波浪、潮汐和水位測(cè)量技術(shù)及其現(xiàn)狀思考

堯怡隴，王敬東，葉 松，王曉蕾，周樹(shù)道

（1.南京航空航天大學(xué)，江蘇 南京 210016；2.解放軍理工大學(xué)氣象學(xué)院，江蘇 南京 211101）

0 引 言

海浪和潮汐對(duì)航海、海洋資源開(kāi)發(fā)和海上軍事活動(dòng)等均有很大的影響，而海浪和潮汐資料的精度又與獲得第一手資料的觀測(cè)技術(shù)密切相關(guān)。隨著海洋技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，波浪、潮汐和水位觀測(cè)儀器的種類日趨多樣。按測(cè)量原理的不同可劃分為重力式、壓力式、聲學(xué)式、光學(xué)式和遙感式；按觀測(cè)方法的不同可劃分為人工觀測(cè)和儀器觀測(cè)兩種。

人工觀測(cè)需觀測(cè)員借助一些觀測(cè)設(shè)備（如方位儀、秒表等），在岸站或船只上面向被測(cè)水域，依據(jù)一定的觀測(cè)規(guī)范記錄和處理數(shù)據(jù)，完成波浪、潮汐和水位的測(cè)量任務(wù)[1]。本文重點(diǎn)討論儀器觀測(cè)方法。

1 儀器觀測(cè)法

隨著傳感器和測(cè)量理論的進(jìn)步，基于不同測(cè)量原理的波浪、潮汐及水位測(cè)量?jī)x不斷增多。按儀器布設(shè)的空間位置不同[2]，對(duì)波浪、潮汐和水位測(cè)量技術(shù)展開(kāi)分析，如圖1所示。

1.1 水下測(cè)量技術(shù)

水下測(cè)量方法減少了儀器隨波流引發(fā)的不穩(wěn)定性，可降低設(shè)備易丟失、意外碰撞的危險(xiǎn)性，提高觀測(cè)的安全性。尤其在潮汐/水位測(cè)量時(shí)，具有無(wú)需建站、方便投放、觀測(cè)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)[3]。根據(jù)測(cè)量原理不同可分為壓力、聲學(xué)以及光學(xué)測(cè)量等。

圖1 波浪、潮汐和水位測(cè)量分類

壓力測(cè)量是利用高分辨率壓力傳感器測(cè)得波面升降或潮位、水位變化引起的壓力波動(dòng)，根據(jù)壓力變化可求得表面波譜（由海浪統(tǒng)計(jì)要素與其關(guān)系得到特征波高、波周期）、潮位或水位變化[4-5]。國(guó)外研究機(jī)構(gòu)為實(shí)現(xiàn)壓力測(cè)波儀測(cè)量波向的功能，提出假設(shè)：給定頻率的波浪傳播方向無(wú)交叉，即波向具有一致性，將流速計(jì)與其結(jié)合做同步觀測(cè)，確定波向[6]，如美國(guó)Inter Ocean公司的S4[7]等。

在實(shí)際應(yīng)用中，由于壓力測(cè)量理論公式是依據(jù)小波、線性理論推導(dǎo)的，但表面波引起的壓力變化隨深度衰減，且水層過(guò)濾作用是非線性、隨頻率而異的，而且測(cè)波時(shí)鉛直方向上的加速度也會(huì)對(duì)壓強(qiáng)分布產(chǎn)生一定影響[8]。單靠修正系數(shù)將水下測(cè)得的波壓變化準(zhǔn)確地?fù)Q算為表面波特征波高或波譜是很困難的，尤其是復(fù)雜海況下測(cè)波，目前還缺乏理論和資料上的支持，故壓力測(cè)量更適用于潮汐、水位測(cè)量。

聲學(xué)測(cè)量是依據(jù)多普勒（Doppler）和超聲波回波測(cè)距原理，結(jié)合矢量合成方法和海面高度變化時(shí)間序列數(shù)據(jù)分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)測(cè)量[9]。倒置海底的回聲測(cè)深儀利用聲學(xué)換能器垂直地向海面發(fā)射聲脈沖，通過(guò)回波信號(hào)測(cè)出換能器至海面垂直距離的變化，再換算成波高、水位[10]。

水下光學(xué)測(cè)量是依據(jù)水下發(fā)射光場(chǎng)和海面波高的相關(guān)性測(cè)量波浪的一些物理參數(shù)。如水下小角度現(xiàn)場(chǎng)光學(xué)放射測(cè)量?jī)x可自動(dòng)遙測(cè)波浪特性，該類測(cè)波儀在國(guó)內(nèi)很少使用。

上述3種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)和局限性，可以用多種方法聯(lián)合測(cè)量的方式，提高測(cè)量的準(zhǔn)確性[11]，根據(jù)所測(cè)環(huán)境有所側(cè)重、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，消除單一方法測(cè)量帶來(lái)的誤差。

1.2 水面測(cè)量技術(shù)

水面測(cè)量主要有測(cè)波桿、浮標(biāo)和船載波浪測(cè)量系統(tǒng)3種技術(shù)。測(cè)波桿用于近岸、潮汐/水位測(cè)量，后兩種主要用于近、遠(yuǎn)海測(cè)量。

測(cè)波桿是一種較為古老的測(cè)量方法，根據(jù)原理不同可分為電阻式、電容式、傳輸線式和階式4種?，F(xiàn)今常用于水庫(kù)、湖泊等水域測(cè)量，有時(shí)也用于近海岸測(cè)量[12]。

浮標(biāo)測(cè)波是借助隨波浪升降的浮標(biāo)，利用內(nèi)置的垂直加速度傳感器測(cè)到波浪升降的加速度變化信號(hào)，經(jīng)該信號(hào)的兩次積分給出浮標(biāo)升降位移，進(jìn)而利用浮標(biāo)在不同周期波浪作用下的響應(yīng)函數(shù)，得出波浪頻譜和相應(yīng)的時(shí)間序列，進(jìn)一步數(shù)據(jù)分析處理可獲得波高、波周期等波浪要素[13-14]。

海洋浮標(biāo)的種類繁多，按測(cè)量形式可分為錨定和漂流浮標(biāo)兩種。前者是浮體用錨和鏈固定在海洋中的某一點(diǎn)上進(jìn)行觀測(cè)，亦稱海洋環(huán)境資料浮標(biāo)，包括氣象資料浮標(biāo)、海水水質(zhì)監(jiān)測(cè)浮標(biāo)、波浪浮標(biāo)等；后者是在海面或一定深度隨海流漂動(dòng)的浮標(biāo)，用衛(wèi)星或聲學(xué)方法獲得其位置信息，包括中性浮標(biāo)、表面漂流浮標(biāo)、各種小型漂流器等。

無(wú)論是錨定浮標(biāo)，還是漂流浮標(biāo)，都要求浮體具有良好的隨波性；足夠的抗傾覆能力，以適應(yīng)惡劣的海況環(huán)境；較強(qiáng)的抗水平流作用能力，以保持浮標(biāo)的正浮姿態(tài)，減少傾角引起的測(cè)量誤差；體積不宜過(guò)大，便于投放使用。常用浮體形式有圓盤(pán)形、球形、船形、柱形，它們各有特點(diǎn)：圓盤(pán)形結(jié)構(gòu)對(duì)稱、機(jī)械強(qiáng)度大、可利用面積大、造價(jià)低、隨波性好、穩(wěn)定性好；球形浮標(biāo)穩(wěn)定性較好，而隨波面傾斜的性能差；船形浮體線性好、重量輕、抗風(fēng)浪流的能力強(qiáng)、不易傾翻、適于強(qiáng)海流的海區(qū)工作等；圓柱形浮體吃水線深、穩(wěn)性好、不易傾翻、造價(jià)低等。

一直以來(lái)，浮標(biāo)波向是波浪測(cè)量中的難點(diǎn)和重點(diǎn)。在常用的波向測(cè)量方法中，對(duì)于基于重力加速度原理的浮標(biāo)[15]，是利用波高傾斜傳感器配合方位傳感器測(cè)量擺軸的轉(zhuǎn)角大小和方向，獲得縱傾和橫傾參數(shù)，進(jìn)行波向參數(shù)的測(cè)量。對(duì)基于同步觀測(cè)壓力和矢量流速原理（PUV）的浮標(biāo)，是采用電磁海流傳感器和電子羅盤(pán)測(cè)量流速、流向，估計(jì)波浪方向譜，從而求出主波向。對(duì)基于GPS測(cè)量原理的浮標(biāo)，是通過(guò)接收GPS信號(hào)獲得三維速度和位移信號(hào)，推算波向信息[16]。

船載波浪測(cè)量系統(tǒng)（SBWR）主要是指以艦船作為載體的波浪測(cè)量系統(tǒng)，而艦船隨波浪的運(yùn)動(dòng)，對(duì)測(cè)波有較大的影響，故將艦船也視為測(cè)波系統(tǒng)的一部分，可劃分到水面測(cè)波技術(shù)中?，F(xiàn)有船載波浪測(cè)量系統(tǒng)基于的原理較多，如：將垂直加速度計(jì)和壓力計(jì)對(duì)稱安裝在船的兩側(cè)進(jìn)行測(cè)波，要求壓力計(jì)必須能浸在水里足夠深的地方（一般要求至少1m），以便于消除一些短波的壓力干擾；將氣介式聲學(xué)、激光或微波等波浪儀安裝在船頭，測(cè)量波浪和船舶運(yùn)動(dòng)的相對(duì)距離，并在同一地點(diǎn)安裝加速度計(jì)，用以消除船舶顛簸、搖晃的影響，就可得到波浪運(yùn)動(dòng)特征。如王軍成等研制的船基激光法波浪測(cè)量?jī)x器[17]，可連續(xù)記錄航行過(guò)程中波浪變化的有關(guān)信息；中國(guó)海洋大學(xué)利用三軸加速度傳感器、方位傳感器以及GPS接收機(jī)等實(shí)現(xiàn)了船載測(cè)波，方位傳感器用于測(cè)量航向、傾斜角和磁場(chǎng)強(qiáng)度，利用GPS接收機(jī)對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償，減少船速對(duì)系統(tǒng)測(cè)量的影響[18]。

1.3 水上測(cè)量技術(shù)

水上測(cè)量技術(shù)主要指借助于陸上高大平臺(tái)、飛機(jī)等進(jìn)行的波浪測(cè)量。在過(guò)去十余年中，該測(cè)量技術(shù)的最大進(jìn)步表現(xiàn)在微波遙感方面。根據(jù)其測(cè)量原理不同可分為以下4種。

氣介式聲學(xué)測(cè)量是在水面以上向水面發(fā)射超聲波，經(jīng)水面反射后返回，接收經(jīng)過(guò)時(shí)間，若聲速已知，即可得到距離。此種方法誤差主要來(lái)源為聲速和測(cè)量時(shí)間，聲速可利用高精度的風(fēng)速儀進(jìn)行修正補(bǔ)償。由于聲速與溫度有關(guān)，也可以用簡(jiǎn)單的測(cè)溫方法來(lái)計(jì)算聲速。系統(tǒng)誤差主要來(lái)自大氣溫度測(cè)量和時(shí)間測(cè)量?jī)煞矫鎇19]，重點(diǎn)取決于溫度傳感器的測(cè)溫精度和準(zhǔn)確的時(shí)間檢測(cè)方法，時(shí)間測(cè)量較為準(zhǔn)確的方法有電平檢測(cè)法和相關(guān)檢測(cè)法[20]。

航空攝影技術(shù)是在飛機(jī)、艦船或岸邊建筑物上對(duì)海浪進(jìn)行拍照，對(duì)這些記錄進(jìn)行傅里葉變換、圖像濾波、顏色編碼[21]等復(fù)雜的處理，可得到波面高度的分布。國(guó)內(nèi)提出一種利用視頻圖像坐標(biāo)變換和波浪爬高的圖像[22]，通過(guò)圖像處理、直接線性變換法以及相關(guān)校正算法，找出波浪爬高的世界坐標(biāo)系坐標(biāo)和圖像坐標(biāo)系坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，從而求得近海岸海浪要素。但這一技術(shù)尚不成熟，尤其是在圖像處理算法方面還須進(jìn)行深入的研究。

激光測(cè)量類似于氣介式聲學(xué)測(cè)量，利用安裝在平臺(tái)、飛機(jī)上的激光發(fā)射裝置，精確地測(cè)得從儀器到海表面垂直高度，從而獲得波高、波周期等參數(shù)。如姚春華等分析討論了采用機(jī)載紅外激光測(cè)量海表的精度和探測(cè)概率，并針對(duì)掃描角、海面風(fēng)速對(duì)探測(cè)精度的影響問(wèn)題提出改進(jìn)方案[23]。

雷達(dá)技術(shù)是通過(guò)入射到海洋表面的雷達(dá)電磁波，與波浪中的短波部分產(chǎn)生Bragg共振，其后向散射回波被雷達(dá)接收，形成海雜波，經(jīng)調(diào)制體現(xiàn)在雷達(dá)圖像上，進(jìn)行海浪方向譜反演，通常分為影像或非影像技術(shù)2種[26]。任福安等[27]首次利用自行研制的船載海浪雷達(dá)圖像測(cè)量記錄儀觀測(cè)海面波浪，將海浪反射的雷達(dá)回波視頻信號(hào)經(jīng)數(shù)字化處理、以數(shù)字圖像模式送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行海浪圖像數(shù)值化處理，研究開(kāi)發(fā)了雷達(dá)海浪圖像觀測(cè)和處理系統(tǒng)，得到雷達(dá)海浪數(shù)值圖和二維波譜以及波向、波高、波周期和波速等波浪主要參數(shù)；何宜軍等[28]利用合成孔徑雷達(dá)圖像譜的信噪比與有效波高的線性關(guān)系和最優(yōu)方法反演得到海浪方向譜，計(jì)算有效波高，后來(lái)被應(yīng)用在X波段雷達(dá)圖像估計(jì)有效波高上。

1.4 空間測(cè)量技術(shù)

空間測(cè)量技術(shù)主要指用衛(wèi)星微波遙感技術(shù)測(cè)量波浪，與傳統(tǒng)測(cè)量完全不同。目前，存在3種衛(wèi)星微波遙感儀器可觀測(cè)海面風(fēng)和波浪信息，其中衛(wèi)星高度計(jì)可測(cè)量出海面有效波高[29]，進(jìn)行波浪周期反演[30]；散射計(jì)可測(cè)量出海面風(fēng)場(chǎng)，通過(guò)一定的反演算法也可得到波浪的信息；合成孔徑雷達(dá)（SAR）可測(cè)量有效波高和海浪方向譜，確定海浪的傳播方向[31]。

2 不同測(cè)量法的技術(shù)難點(diǎn)及特點(diǎn)比較

按照上述分類方式，對(duì)基于不同原理波浪、潮汐、水位測(cè)量方法的技術(shù)難點(diǎn)及優(yōu)、缺點(diǎn)進(jìn)行比較分析總結(jié)，得出結(jié)論如表1所示。

3 國(guó)內(nèi)波浪、潮汐觀測(cè)存在的問(wèn)題及思考

我國(guó)的海洋科學(xué)研究起步較晚，波浪、潮汐觀測(cè)技術(shù)、建站能力、監(jiān)測(cè)產(chǎn)品等方面，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比有一定差距，還難以滿足海洋資源開(kāi)發(fā)、災(zāi)害預(yù)報(bào)、海洋運(yùn)輸以及走向深遠(yuǎn)海戰(zhàn)略發(fā)展的需求。結(jié)合我國(guó)波浪、潮汐觀測(cè)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和未來(lái)發(fā)展的需求，提出一些初步的設(shè)想。

3.1 加強(qiáng)新技術(shù)在波浪、潮汐測(cè)量上的應(yīng)用研究

新技術(shù)在波浪、潮汐測(cè)量上的應(yīng)用研究還不夠深入、廣泛。目前，傳感器、計(jì)算機(jī)、嵌入式系統(tǒng)、自動(dòng)控制、數(shù)據(jù)采集與處理等技術(shù)在迅速發(fā)展，為提高我國(guó)波浪、潮汐觀測(cè)的自動(dòng)化、智能化水平提供了可能；但這些技術(shù)在波浪、潮汐觀測(cè)上的應(yīng)用相對(duì)還是較為滯后。根據(jù)近幾年相關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)[2，5-6，10]和測(cè)波、測(cè)潮產(chǎn)品來(lái)看，我國(guó)在波浪、潮汐測(cè)量方面雖也取得了比較大的進(jìn)步，如多種測(cè)量原理的應(yīng)用、觀測(cè)數(shù)據(jù)記錄、通信、處理等。但在產(chǎn)品小型化、高新材料的應(yīng)用、遠(yuǎn)程無(wú)線通信技術(shù)、自動(dòng)化、智能化程度以及實(shí)時(shí)性、連續(xù)觀測(cè)等方面，需要大量高新科技有效融合應(yīng)用，才能逐漸縮短與國(guó)外的差距。

3.2 加強(qiáng)海洋全要素、立體觀測(cè)的網(wǎng)絡(luò)化、集成化、智能化建設(shè)

國(guó)內(nèi)海洋全要素、立體觀測(cè)的網(wǎng)絡(luò)化、集成化、智能化建設(shè)與國(guó)外差距較大。從前面對(duì)測(cè)量原理的分析來(lái)看，衛(wèi)星遙感是目前唯一可以實(shí)現(xiàn)大尺度、寬范圍海浪測(cè)量的方法，但衛(wèi)星遙感有其明顯的局限性（二維性、精度、分辨率和采樣頻率低）。對(duì)于近岸監(jiān)測(cè)，地波雷達(dá)的應(yīng)用在很大程度改善了對(duì)海洋、波浪的監(jiān)測(cè)精度、分辨率和采樣頻率，但二維局限仍存在，而且國(guó)內(nèi)使用雷達(dá)海上進(jìn)行測(cè)波技術(shù)僅是近幾年的事，雷達(dá)反演波浪信息的算法還不夠成熟，尤其是在雷達(dá)測(cè)量有效波高方面，仍有很多問(wèn)題需要進(jìn)一步研究。未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)應(yīng)該是從空中、水面、水下、沿岸對(duì)海洋的水文、氣象要素進(jìn)行立體監(jiān)測(cè)，各種手段優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，構(gòu)成完整的立體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；但國(guó)內(nèi)海洋儀器的智能化程度還不夠高，在便于操作、實(shí)時(shí)處理、綜合性觀測(cè)和智能采集等方面仍需改進(jìn)。

表1 基于不同原理測(cè)量方法的技術(shù)難點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)

3.3 加強(qiáng)大型、綜合性觀測(cè)平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)研究

自主研發(fā)大型、綜合性觀測(cè)平臺(tái)或浮標(biāo)技術(shù)仍不成熟，許多關(guān)鍵技術(shù)仍沒(méi)有完全掌握，是阻礙我國(guó)海洋觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)化、智能化建設(shè)的主要瓶頸。從20世紀(jì)60年代中期至今，經(jīng)過(guò)多年的研究發(fā)展，我國(guó)基本掌握了浮標(biāo)設(shè)計(jì)、制造的關(guān)鍵技術(shù)，攻克了浮標(biāo)殼體的密封耐壓、浮標(biāo)的自動(dòng)潛入、上浮和定深控制、Argos衛(wèi)星通信等技術(shù)難題。但國(guó)內(nèi)自主研制浮標(biāo)的整體技術(shù)水平和世界先進(jìn)水平有相當(dāng)?shù)牟罹?，尤其是硬件工藝?wèn)題，可靠性較差；部件缺乏標(biāo)準(zhǔn)化、通用化設(shè)計(jì)，一些部件國(guó)內(nèi)還需進(jìn)口。故我國(guó)應(yīng)盡快提升自主研發(fā)能力，加快海洋儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，提高新技術(shù)、新科技在海洋波浪、潮汐觀測(cè)上的綜合應(yīng)用能力，為研發(fā)可穩(wěn)定、連續(xù)、實(shí)時(shí)、綜合性、智能化觀測(cè)的平臺(tái)打下基礎(chǔ)。

3.4 加強(qiáng)計(jì)量和標(biāo)定裝置的研究

計(jì)量和標(biāo)定裝置發(fā)展相對(duì)海洋波浪、潮汐及水位測(cè)量?jī)x器滯后，不能很好滿足這類海洋水文儀器的檢定工作。如國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的JBY1_1型波浪浮標(biāo)檢定裝置，只能完成質(zhì)量在180kg以下，直徑1m以下的重力加速度式浮標(biāo)、重力加速度計(jì)的1～6m量程檢定工作[33]。但一般浮標(biāo)的波高測(cè)量范圍是0.1～20m，甚至可達(dá)到25m，無(wú)法實(shí)現(xiàn)其滿量程校準(zhǔn)，而且不具備準(zhǔn)確校準(zhǔn)波向的能力。水塔式潮汐/水位檢定裝置只能檢定基于光學(xué)、聲學(xué)、壓力、浮子等原理的驗(yàn)潮儀、水位儀，潮汐檢定范圍0～8m[34]，同樣存在無(wú)法實(shí)現(xiàn)滿量程校準(zhǔn)。

目前，轉(zhuǎn)臺(tái)技術(shù)、電機(jī)控制技術(shù)、溯源技術(shù)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法等迅速發(fā)展，可為研究設(shè)計(jì)能有效地融合現(xiàn)存兩種檢定裝置的功能，并具有波浪波向校準(zhǔn)以及多種原理測(cè)波儀、驗(yàn)潮/水位儀等綜合檢定能力的檢定裝置提供技術(shù)支撐。

4 結(jié)束語(yǔ)

海洋波浪、潮汐、水位測(cè)量方法和手段日趨多樣化，涉及眾多學(xué)科，如材料科學(xué)、微機(jī)電、物理、無(wú)線電等，從材料、設(shè)計(jì)、加工、傳感到控制、應(yīng)用均需進(jìn)一步深入研究。

本文根據(jù)海浪、潮汐、水位測(cè)量應(yīng)用場(chǎng)合和空間的不同，對(duì)其進(jìn)行分類，歸納總結(jié)各測(cè)量原理及其優(yōu)缺點(diǎn)，著重分析了其中幾種測(cè)量方法的技術(shù)難點(diǎn)，最后，結(jié)合國(guó)內(nèi)海洋波浪、潮汐、水位測(cè)量領(lǐng)域的技術(shù)現(xiàn)狀，探討了其未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

雖測(cè)量方法和手段快速發(fā)展，但相關(guān)檢定計(jì)量領(lǐng)域發(fā)展較為緩慢，本文研究也為課題組波、潮測(cè)試檢定系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)，通過(guò)科學(xué)的測(cè)試檢定來(lái)確保測(cè)量?jī)x器精度和所測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

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