波浪滑翔器測波技術研究

秦玉峰, 齊占峰, 張 爽, 侯二虎, 李國富, 馮志濤

波浪滑翔器測波技術研究

秦玉峰1,2, 齊占峰1, 張 爽1, 侯二虎1, 李國富1, 馮志濤1

(1. 國家海洋技術中心, 天津, 300112; 2. 自然資源部 海洋環境探測技術與應用重點實驗室, 廣東 廣州, 510300)

當前波浪觀測主要采用波浪浮標進行定點觀測, 利用波浪滑翔器等新型海洋移動觀測平臺進行走航式波浪觀測的研究較少。針對此, 文章利用“藍鯨”波浪滑翔器開展波浪滑翔器的測波可行性、測波方法及測波能力研究。介紹了波浪滑翔器的結構組成、工作原理和測波實現方法, 在分析波浪滑翔器和波浪浮標不同測波原理的基礎上設置對比試驗?；谠囼灲Y果分析了波浪滑翔器和波浪浮標關于波高、波周期、波數及波向等波浪特征數據的差值和相關性, 解析差值存在機理并提出消除差值和修正波浪滑翔器觀測數據的理論依據。分析可知, 波浪滑翔器和波浪浮標相比, 波浪數據重合度較高, 差值較小, 相關性極高, 平均相關系數達到0.9以上, 數據質量可信度高, 驗證了波浪滑翔器測波數據的準確性, 證明了波浪滑翔器用于波浪觀測的可行性。

波浪滑翔器; 波浪浮標; 波浪特征

0 引言

波浪滑翔器是一種利用波浪動力推進, 吸收太陽能為通信、定位、控制、導航及數據采集系統供電的新型海洋移動觀測平臺[1-3]。其特有的雙體結構可有效利用環境能源為自身長周期、不間斷地環境探測和數據采集提供源源不斷的動力, 是目前唯一不需要外部能源供給即可實現長周期海洋環境作業的無人航行器, 目前已廣泛應用于海洋環境觀測、科學考察、石油及天然氣探測和軍事領域[4-8]。波浪滑翔器起源于美國, 國外對波浪滑翔器的研究主要集中在液體機器人公司(Liquid Robotics), 目前該公司已完成SV2和SV3兩型波浪滑翔器的產品化, 并在多個領域進行了應用。國內波浪滑翔器技術的研究始于2010年前后, 經過多年發展, 已較為成熟, 具有代表性的主要有國家海洋技術中心研制的“藍鯨”號[9]、中國船舶集團第710研究所研制的“海瑤”號[10]和中國海洋大學研制的“海哨兵”號[11], 如圖1所示。此外, 中國海洋大學還研制了體積較大的“黑珍珠”波浪滑翔器, 并進行了南海臺風的觀測應用試驗[12]。

圖1 “藍鯨”號、“海鰩”號及“海哨兵”號波浪滑翔器

目前, 海面波浪的觀測方式主要有重力測波、激光測波、雷達測波及衛星高度計測波等[13], 最常用的是采用重力測波方式的波浪浮標。波浪浮標是指放置在水面隨波浪上下起伏的錨系系統, 通過其內部的加速度傳感器或重力傳感器采集浮標隨海面波動而變化的運動參數, 進而計算出波浪要素參數[14]。典型的波浪浮標有荷蘭的“wave rider”[15-16]和加拿大的“Triaxys”[17]。國內如國家海洋技術中心[18]、中國海洋大學[19]和山東省科學院海洋儀器儀表研究所[20]等多家單位也研制了此類型的浮標。然而, 利用移動觀測平臺諸如波浪滑翔器搭載測波傳感器進行海面波浪走航式觀測技術的研究還較少, 對于波浪滑翔器的測波特性尚不清楚。

Maqueda等[21]利用全球定位系統(global po- sitioning system, GPS)測波技術在波浪滑翔器上開展了波高觀測技術研究, 但缺少波數、波向及波周期等參數的采集。Ngo和Smith等[22-23]探討了波高與波浪滑翔器航速的對應關系, 但對波浪特征數據觀測的真實性及有效性研究尚未涉及。

文中開展了基于波浪滑翔器的測波技術研究, 分析了其結構組成、工作原理及測波方法, 簡要介紹了測波算法。為檢驗波浪滑翔器的測波特性和測波數據的真實性, 利用“藍鯨”波浪滑翔器在青島千里巖海域設置了波浪滑翔器與波浪浮標的對比試驗, 并依據試驗結果, 分別對波浪滑翔器和波浪浮標觀測獲得的波高、波周期、波數和波向等波浪要素進行了差值和相關性分析。由分析結果可知, 波浪滑翔器觀測的波浪數據與波浪浮標觀測的波浪數據間相關性極高, 差值較小, 驗證了波浪滑翔器進行波浪觀測的可行性, 為我國波浪觀測提供了一種新的研究方向和技術手段。

1 波浪滑翔器結構組成與工作原理

1.1 結構組成

波浪滑翔器由漂浮于水面的舟形上浮體和懸浮于水下的水下牽引機組成。舟形上浮體采用流體線型動力結構, 其上搭載有太陽能電池板、航向穩定舵、通信及定位天線、數據采集傳感器等。舟形上浮體具有較小的阻力和較大的浮力, 可隨波上下振蕩。水下牽引機是轉化波浪動力的主要部件, 其上對稱布置6對能量轉化翼板、轉向舵、電子羅盤及傳感器等, 水下牽引機上下振蕩的過程中, 能量轉化翼板會因水阻作用上下擺動, 將舟形上浮體吸收的波浪動力轉化為水下牽引機的前向動能。

1.2 工作原理

波浪滑翔器利用波浪向前運動, 當海面水質點向上運動時, 波浪滑翔器在波浪力的作用下被迫向上運動; 當水質點向下運動時, 波浪滑翔器會因自重而跟隨水質點向下運動, 如圖2所示。

利用波浪滑翔器隨波運動的特點, 在波浪滑翔器的舟形上浮體上安裝測波傳感器即可對海面波浪進行實時的觀測, 獲取波高、波周期、波數和波向等波浪要素參數。

圖2 波浪滑翔器隨波運動示意圖

2 測波算法

波浪是水質點離開平衡位置, 做周期性的振動, 并向一定方向傳播而形成的一種波動。假設波浪水質點的波動為平穩的正態過程且具有各態歷經性, 則波浪在時間和空間上的統計具有一致性。波面可表示成無數個不同振幅、頻率、相位及不同波向余弦波的疊加。

假設波浪滑翔器完全隨波運動, 則波浪滑翔器觀測波浪的垂直波面位移為

由此可知要測量波浪信息, 需要記錄波浪滑翔器隨波運動的位移和時間。

1) 波高和波周期

波高和波周期的計算公式如下

2) 波向

3) 波數

波數是單位觀測時間內, 觀測到的波浪數量累計值。

3 試驗設計

為研究波浪滑翔器的測波特性, 開展了“藍鯨”波浪滑翔器走航式測波特性的試驗研究, 并在相關路徑附近設置波浪浮標進行波浪信息比對?；谠囼灲Y果, 將波浪滑翔器與波浪浮標所觀測的波浪數據進行波浪特征信息相關性及差值分析, 以此研究波浪滑翔器走航式測波的技術特點及測波特性。“藍鯨”波浪滑翔器的結構組成如圖3所示。其主要特征參數見表1。

圖3 “藍鯨”波浪滑翔器結構

表1 “藍鯨”波浪滑翔器主要特征參數

為保證觀測數據在時間和地點上的同步性及采集信息的一致性, 試驗方案設計遵循以下原則:

1) 波浪滑翔器和波浪傳感器應選取相同型號、相同觀測精度及量程的傳感器;

2) 波浪滑翔器與波浪浮標的觀測位置應大致處于同一區域;

3) 對波浪特征信息的觀測應遵循同步觀測的原則。

設定波浪滑翔器的走航路徑為繞定點的圓周運動, 并在波浪滑翔器走航路徑的圓心位置布放用于試驗數據對比的波浪浮標。波浪滑翔器的走航路徑及波浪浮標的錨定位置如圖4所示。

圖4 海試區域及走航路徑

4 數據分析

基于波浪滑翔器和波浪浮標對比試驗的數據, 分別進行波高、波周期、波向及波數等數據質量的比對, 并對波浪滑翔器與波浪浮標所觀測的波浪特征數據進行相關性和差值分析。

相關性分析是指對2個或多個具備相關性的數據進行相關程度研究, 用相關系數表示, 且

對于,之間的相關系數, 有:

1) ||越大, 表示和之間相關性越強;

2) 當0＜1時, 表示和正相關;

統計學一般認為||≥0.8即表示2個變量高度相關。

4.1 波高分析

4.1.1 相關性分析

圖5 波高曲線

由圖5和圖6可知, 波浪滑翔器和波浪浮標的波高分布曲線大致相同, 曲線重合度較高, 4種特征波高中僅最大波高的分布曲線重合度稍低(見圖6(a))。由圖7可知, 4種特征波高的相關系數分別是0.8491, 0.9205, 0.9401和0.9414, 平均相關系數為0.9127。4種波高相關系數的大小關系為最大波高<1/10波高<有效波高≤平均波高。

4.1.2 差值分析

分別計算波浪滑翔器與波浪浮標間單一特征波高的觀測差值及差值絕對值, 并分別繪制差值曲線, 如圖8所示。分析4種特征波高差值曲線, 波高差值最大的是最大波高, 最大差值為0.74 m, 平均差值為0.16 m, 平均差值與波浪浮標波高數據比值的百分比為13.4%; 波高差值最小的是平均波高, 最大差值為0.32 m, 平均差值為0.05 m, 平均差值與波浪浮標波高數據比值的百分比為10.9%。綜合4種特征波高的平均差值為0.095 m。

此外, 長期的觀測數據表明, 波浪滑翔器觀測到的波高平均值略大于波浪浮標, 波高的平均值存在微小的偏差, 差值約0.03 m。

由于“藍鯨”波浪滑翔器的測波傳感器安裝位置稍稍偏后, 當其舟形上浮體隨波上下震蕩時,會產生5~10°的傾角, 導致測波傳感器的位置產生一定的上揚和下降, 進而使得波高的觀測值有一定增大, 因測波傳感器的安裝位置導致波高觀測的偏差圖解如圖9所示。差值可通過調整測波傳感器的安裝位置予以消除。

圖6 波高對比曲線

圖7 波高相關性分布

圖8 波高差值曲線

圖9 波高差值圖解

4.1.3 小結

由波高相關性以及差值分析可以知道, 波浪滑翔器與波浪浮標針對波高的觀測數據有較好的一致性, 數據相關性極高, 平均相關系數達到0.912 7。雖然2種平臺觀測的波高間存在一定差值, 但差值較小, 平均差值僅為0.095 m, 且差值可通過調整測波傳感器的安裝位置予以消除, 因此可認為波高的觀測結果一致。由此說明, 波浪滑翔器具有很好的隨波性, 能夠較為真實地反應波高的變化, 證明運用波浪滑翔器進行波高的觀測是可行的。波浪滑翔器和波浪浮標波高觀測的部分特征數據見表2。

4.2 波周期分析

4.2.1 相關性分析

表2 波高特征參數

分別繪制波浪滑翔器和波浪浮標關于波周期數據的對比曲線, 如圖10所示。分別繪制波浪滑翔器和波浪浮標關于單一特征波周期的對比曲線, 如圖11所示。根據式(7)計算每一種特征波周期的相關系數, 繪制波浪滑翔器和波浪浮標關于單一特征波周期的相關性分布圖, 如圖12所示。

波浪滑翔器與波浪浮標的波周期分布曲線大致相同, 重合度較高。4種特征波周期中僅最大波周期的分布曲線重合度稍低, 見圖11(a)。

由相關系數計算結果可知, 4種特征波周期的相關系數分別為0.8352, 0.9377, 0.9670, 0.9469, 平均相關系數為0.9217。其中, 相關系數最大的是有效波周期, 達到0.9670; 相關系數最小的是最大波周期, 為0.8352。4種波周期相關系數的關系如下: 最大波周期<(1/10)波周期<平均波周期<有效波周期, 與波高相關性的大小分布趨勢大致相同。

圖10 波周期曲線

4.2.2 差值分析

分別計算波浪滑翔器與波浪浮標間單一特征波周期的觀測差值及差值絕對值, 并繪制差值曲線, 如圖13所示。

如波高的觀測一樣, 最大波高對應的最大波周期的差值最大, 最大差值2.81 s, 平均差值為0.73 s, 平均差值與波浪浮標波周期數據比值的百分比為10%; 波周期差值最小是平均波周期, 最大差值為1.1 s, 平均差值為0.29 s, 平均差值與波浪浮標波高數據比值的百分比為4.1%; 綜合4種特征波周期的平均差值為0.425 s。

圖11 波周期對比曲線

圖12 波周期相關性分布

圖13 波周期差值曲線

4.2.3 小結

由波周期相關性和差值分析可知, 針對波周期的觀測, 波浪滑翔器與波浪浮標相比, 觀測數據一致性較高, 數據相關性極高, 平均相關系數達0.921 7。波浪滑翔器與波浪浮標觀測的波周期間雖存在一定差值, 但差值較小, 平均差值僅為 0.425 s。通過調整測波傳感器的安裝位置, 在消除波高觀測數據差值的同時亦可消除波周期觀測的差值, 可認為波浪滑翔器與波浪浮標對波周期的觀測結果一致。由此說明, 針對波周期的觀測, 波浪滑翔器具有很好的隨波性, 能夠較為真實地反應波周期的變化, 運用波浪滑翔器進行波周期的觀測是可行的。有關波浪滑翔器和波浪浮標關于波周期觀測部分特征數據如表3所示。

表3 波周期特征參數

4.3 波向分析

4.3.1 相關性分析

繪制波浪滑翔器和波浪浮標關于波向數據的對比曲線, 如圖14(a)所示。根據式(7)計算波浪滑翔器和波浪浮標間關于波向數據的相關系數, 繪制相關性分布圖, 如圖14(b)所示。

圖14 波向對比曲線及相關性分布

由圖14(a)可知, 除第3天前后外, 波浪滑翔器和波浪浮標關于波向的曲線分布大致相同, 曲線重合度較高, 波向相關系數為0.921 8,相關性極高。此外, 由波向對比曲線可知, 試驗開始的前5天波浪浮標觀測的波向大約在140°左右上下振蕩, 而波浪滑翔器觀測的波向則分布在波浪浮標觀測波向的上下大幅振蕩, 角度相差大約20°。

4.3.2 差值分析

進一步分析波浪滑翔器和波浪浮標間的波向數據差值, 并繪制差值曲線如圖15所示。

圖15 波向差值曲線

波向差值最大為53.63°, 平均差值為21.64°, 平均差值與波浪浮標觀測的波向比值的百分比為15%, 波浪滑翔器和波浪浮標間關于波向的觀測結果存在較大差值。

波向由計算浮體受到的加速度方向得到。通常波浪浮標為圓球形, 不具備航向保持及轉向能力, 因此能更加精確地反映真實的波向。

然而因波浪滑翔器特殊的浮體結構及自身較強的航線保持和自主導航能力, 在隨波運動的過程中, 其本體會在某一方向產生一定加速度, 其所觀測的波向是本體加速度方向和真實波向的合方向。因此只有當波浪滑翔器本體加速度方向和真實波向重合時, 波浪滑翔器所觀測的才是真實波向; 當本體加速度和真實波向不重合時, 其觀測的波向需要經過一定的算法修正才能得到真實的波向。

波浪滑翔器的本體加速度方向(WD)與觀測的波向(OD)之間存在5種對應關系, 即:

1) WD＞OD, 差值小于180°;

2) WD＞OD, 差值大于180°;

3) OD＞WD, 差值小于180°;

4) OD＞WD, 差值大于180°;

5) WD與OD重合, 差值為180°和0。

圖16 波向幾何關系

根據角度關系, 真實波向為

5) WD與OD重合, 差值為0, 真實波向即為觀測波向, 當WD與OD差值為180°時, 真實波向為WD和OD中較大的那個所代表的方向, 即:

4.3.3 小結

由波向相關性和差值分析可以知道, 波浪滑翔器與波浪浮標對波向的觀測數據有很高的一致性, 數據相關性極高, 達到0.921 8。但因波浪滑翔器本體的航向保持和導航能力, 使得其觀測的波向數據與波浪浮標觀測的存在一定差值, 但波向差值可通過算法進行修正。由此說明, 針對波向的觀測, 波浪滑翔器具有很好的隨波性, 經過波向修正后, 波浪滑翔器能夠較為真實地反應波向的變化, 運用波浪滑翔器進行波向的觀測是可行的。

有關波浪滑翔器和波浪浮標波向觀測的部分特征數據如表4所示。

4.4 波數分析

4.4.1 相關性分析

分別繪制波浪滑翔器和波浪浮標關于波數的對比曲線, 如圖17(a)所示。根據式(7)計算波浪滑翔器和波浪浮標關于波數的相關系數, 繪制相關性分布圖如圖17(b)所示。

表4 波向相關特性參數

圖17 波數對比曲線及相關性分布

由圖17可知, 波浪滑翔器和波浪浮標關于波數的觀測, 波數分布曲線大致相同, 曲線重合度較高, 波數相關系數達0.9471, 相關性極高。

4.4.2 差值分析

進一步分析波浪滑翔器和波浪浮標間的波數差值, 并繪制差值曲線如圖18所示。

圖18 波數差值曲線

由波數差值分析和計算結果可知, 波數差值最大為40, 平均差值為9.99, 平均差值與波浪浮標觀測的波向比值的百分比為5.3%, 波浪浮標觀測的波數平均值為189.8, 波浪滑翔器觀測的波數平均值為191.3。因波浪滑翔器對波周期的觀測稍小于波浪浮標, 使得波浪滑翔器隨波的響應速度稍快于波浪浮標, 導致波浪滑翔器長期觀測的波數均值稍多于波浪浮標, 然而差值并不大, 僅為1.5。波周期的觀測與波高相關, 因此導致波浪滑翔器和波浪浮標間產生波數差值的根本原因在于“藍鯨”波浪滑翔器測波傳感器的偏心安裝方式, 在影響波高觀測的同時影響了波周期的觀測, 進而影響了波數的觀測。如同波高差值的消除方法一樣, 波數差值亦可通過調整測波傳感器的安裝位置予以消除。

4.4.3 小結

由波數相關性和差值分析可知: 針對波數的觀測, 波浪滑翔器和波浪浮標相比, 觀測數據一致性較高, 數據相關性極高, 達到了0.95。雖然所觀測的波數間存在一定差值, 但可通過調整測波傳感器的安裝位置予以消除。由此說明, 針對波數的觀測, 波浪滑翔器具有很好的隨波性, 能較為真實地反應海面波數情況, 運用其進行波數觀測是可行的。有關波浪滑翔器和波浪浮標關于波數的相關特性參數如表5所示。

4.5 總結

由波浪滑翔器和波浪浮標關于波高、波周期、波數和波向的相關性及差值分析結果可知, 波浪滑翔器隨波運動時具有較好的隨波性, 能夠較為真實地反映出波高、波周期、波數及波向特征。其中波高的平均相關系數為0.912 7, 波周期的平均相關系數為0.9217, 波向的相關系數為0.921 8, 波數的相關系數為0.947 1。波高平均差值為0.095 m, 波周期平均差值為0.468 s, 波向平均差值為21.64°, 波數平均差值為9.99個?？傮w來看, 波浪滑翔器具有很好的隨波性, 利用波浪滑翔器進行波浪觀測是可行的。

表5 波數特征參數

波浪滑翔器和波浪浮標間關于波浪信息觀測的數據對比如表6所示。

表6 波浪數據對比

5 結束語

文章開展了基于波浪滑翔器的測波技術研究,設置了波浪滑翔器和波浪浮標關于波浪觀測的對比試驗, 并對波浪滑翔器和波浪浮標間關于波高、波周期、波向和波數進行了相關性和差值分析。由分析結果可知, 波浪滑翔器和波浪浮標相比, 觀測數據一致性較好, 相關性極高, 差值較小?？傮w來看, 波浪滑翔器具有很好的隨波性, 可用于波浪觀測。然而, 因波浪滑翔器本體的航向保持和自主導航能力, 導致波浪滑翔器與波浪浮標觀測的波向間存在較大差值, 但差值可通過波向差值修正算法進行修正。后續將對波向的修正算法進行仿真和試驗驗證, 并基于驗證結果對波向修正算法進行優化, 以期提高波浪滑翔器觀測波向的準確性。

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3. 孫秀軍, 王力偉, 桑宏強. 波浪滑翔器水下牽引機滑翔動力分析. 2020, 28(3).

4. 桑宏強, 游宇嵩, 孫秀軍. 波浪滑翔器網絡版岸基監控中心設計. 2019, 27(5).

5. 孫秀軍, 王雷, 桑宏強. “黑珍珠”波浪滑翔器南海臺風觀測應用. 2019, 27(5).

6. 桑宏強, 李燦, 孫秀軍. 波浪滑翔器縱向速度與波浪參數定量分析. 2018, 26(1).

Research on Wave Observation Technology of Wave Glider

QIN Yu-feng1,2, QI Zhan-feng1, ZHANG Shuang1, HOU Er-hu1, LI Guo-fu1, FENG Zhi-tao1

(1. National Ocean Technology Center, Tianjin 300112, China; 2. Key Laboratory of Marine Environmental Survey Technology and Application, Ministry of Natural Resources, Guangzhou 510300, China)

At present, wave observation is mainly based on wave buoys for fixed-point observation, and few studies have been conducted on wave observation in navigation by using new ocean mobile observation platforms such as wave glider. The feasibility, method and capability of wave observation by using wave glider “Blue Whale” are studied in this paper. The structure, working principle and wave observation method of wave glider “Blue Whale” is introduced, and a comparison test on the basis of analyzing the different wave observation principles of wave glider and wave buoy is established. Based on the test results, the difference and correlation of the wave height, wave period, wave number and wave direction between the wave glider and the wave buoy are analyzed. The existence mechanism of the difference value is analyzed, and the theoretical basis of eliminating the difference value and correcting the observed data of wave glider is provided. According to the test analysis, compared with that of the wave buoy, the wave data of the wave glider has higher coincidence degree, smaller difference value and a high correlation. The average correlation coefficient is above 0.9 and the data quality is highly reliable. The accuracy of wave data observed by wave glider is verified, and the feasibility of wave observation by wave glider is proved.

wave glider; wave buoy; wave feature

TJ630; P715.5

A

2096-3920(2021)02-0135-12

10.11993/j.issn.2096-3920.2021.02.002

秦玉峰, 齊占峰, 張爽, 等. 波浪滑翔器測波技術研究[J]. 水下無人系統學報, 2021, 29(2): 135-146.

2020-05-15;

2020-06-08.

自然資源部海洋環境探測技術與應用重點實驗室開放基金課題(MESTA-2020-B016); 天津市自然基金青年項目(18JCQNJC08700); 國家自然科學基金(4200060803); 國家重點研發計劃(2017YFC0305902).

秦玉峰(1990-), 男, 碩士, 工程師, 主要研究方向為海洋移動觀測平臺技術.

(責任編輯: 楊力軍)