海洋波浪測量技術及實測分析

杜 躍，郭 磊

（1.天津水運工程勘察設計院有限公司，天津 300456；2.天津市水運工程測繪技術企業重點實驗室，天津 300456；3.海洋石油工程股份有限公司，天津 300450）

不同現場的波形觀測裝置因其工作原理的差異而具有各自的適用范圍和限制。因此，設計人員要針對不同的需要，選用適合于具體海況的設備。了解海洋工程及相關產業的現場波浪監測技術的發展歷程、現狀和未來發展趨勢，對于進一步提升海洋工程技術的技術水平、確保工程建設的安全、可靠和節約成本具有重要意義。根據觀測設備在空間上的分布情況，可以分為水下、水面、水上和衛星遙感這4個方面。文章綜述了國內外各種測波儀的發展過程、特點和使用情況，對該技術的發展趨勢進行了預測，并提出了有關于今后發展的幾點建議。

1 海浪測量技術

海洋工程包括河口、海岸、近海和深海，波浪是其最主要的動力載荷，其直接關系到工程的安全性與成本。設計波浪要素的確定是根據對波浪數據的了解，而這又與海浪數據準確度及是否掌握和了解獲取第一波數據的觀測技術有著密切的關系。第一次進行海浪觀測的時間現已無法準確查證，目前可以確定的是遠古航海以及我國東南沿海的海塘建造已經有一千多年的歷史了。波浪觀測儀器按其工作原理可分為視距測式、測波桿式、壓力型、聲學模式、重力和遙感測波器等類型。根據儀器布置的空間位置，可分為水下、水面、水上和太空4大類。理論上，可以采用一套三參量式傳感器進行測量，但通常僅在實驗室中采用。目測是海浪觀測的原始技術，受過專業技術人員的目測，其波高仍具有一定的可靠性，但在波周期和波形不規則性測量中并不適用。另外一個主要的缺點是夜間和惡劣的天氣無法做到準確觀察，而在這樣的情況下，通常會出現很大的波浪。因此，目前不建議在水利工程中使用目測方法。在過去的30多年里，世界上的海浪觀測技術得到了長足的發展，在發達國家，海浪的測量已經從水下、水面這兩方面發展到了衛星的應用。水下波形測量設備由安裝在靜止平臺上或水下浮體上的流量儀和壓力儀組成。重力測波儀通常應用于海上，用于測量浮體的升沉高度、傾角和水平位移，是國內應用最廣泛的一種。在靜止的平臺上，還可以使用測波桿、雷達和激光來追蹤海面的移動。

2 海洋波浪測量技術分析

2.1 水下波浪測量技術

2.1.1 壓力式測波技術

最簡易的水下測量設備是利用高精度的傳感器來測量由表面波造成的壓力變化，即所謂的壓力型測波儀。南海研究所對國內SZS3-1型自容壓力波潮儀所測出的167套現場數據進行了對比，發現國內同類設備的精度與國外同類設備基本相當。Allender等研究者在WADIC實驗中對各種水深的壓力/流量計進行了實驗，以驗證其隨入水深度的改變及所采用的非線性波理論。總的來說，壓力型測波計具有較強的工程應用價值，但其缺點主要在于其表面高度通常采用反濾波器來獲取，其測量結果往往不理想，有的甚至提出了與表面波記錄無對應關系的結論；目前，壓強波和表面波的關系還處在半理論半經驗的狀態，其反演結果的精確性仍然存在著諸多問題，有觀察結果顯示，在不同海域，其轉化系數存在差異；同時，其速率測定法是利用探針在實驗室水中來回上下移動，來模擬壓力和波的變化，這種方式并不能全面地反映出真實海面的壓力和地表波的相互關系，因此通常采用2種不同的波浪計進行現場比較。

2.1.2 聲學測波技術

水下聲學波流測量儀主要利用杜普勒原理及向量綜合技術對波浪進行了測量。該裝置可置于水底或水面，在水上的稱之為氣介式，水下稱坐底式，其基本原理是一樣的。Herbers等對聲學杜普勒流速測量系統和壓力傳感系統進行了比較，發現二者具有很好的一致性。聲學杜普勒流速分布儀（ADCP）是一種可以測量多種地點流速成分的儀器，目前國內用于水下地形、流速、泥沙含量的測量。把ADCP置于水底，或置于水下漂浮的構造中，這樣就能從海底觀察到水面的起伏。因為這種裝置可以同時提供水柱上的平均流速，因此，ADCP將成為一種非常有用的水下波測量工具。ADCP在50 m深以下的水中進行測量，仍然可以獲得可靠的測量精度。我國的科研人員也在這方面進行了大量的研究，已經有采用S44型聲波計對長江深水航道進行實測的事例。某些海洋臺站也使用了坐底式超聲波測波儀，而國產的產品中也使用了SSA226超聲波傳感器所制成的聲波儀。在聲學測波領域，戈登等的研究是很有意義的，他們在1999年7—10月份利用杜普勒流速計中的Aquadopp和Vector這2種來測量海岸和破波區的波浪。

2.2 水面波浪測量技術

2.2.1 波浪測量浮筒

在我國很多工程前期工作中，浮筒對波浪的測量起到了很大的作用，早在連云港港口建立之初，就采用“騎士”進行了一年多海浪觀測。近年來，中國科學院南海研究所一直在使用這種儀器來測量海浪。海洋中的波浪測量通常是以船型浮筒的形式進行的，這種類型的浮筒在海洋中有140多個。由卡特賴特等于1947年所使用的P-R-H型浮筒，是附著在船上，由1根纜繩牽引，以及1臺陀螺來決定垂直參考系統。而P-F-B型浮筒是以水質量為中心的浮體，通過3個垂直方向的加速度來確定浮體的移動方向，故稱為三軸加速計浮體，其外形通常是球形。P-F-B型經濟性能好、錨系結構簡單、浮筒可靠、體積小、便于拋設、頻率較高，在陡坡條件下不易傾覆，所以有些人認為，隨著水質的變化而移動的浮筒比P-R-H浮筒的測波性能效果更好。另外還有一種浮筒，即DWR，很早之前巴斯托等就證明了DWR的適用范圍。DWR系列采用直線波理論，根據浮體在水體中的跟蹤曲線，對2個垂直方向的波高和方向位移進行了測量。這類儀器通常應用在沿海、深海低流速區，由此衍生出許多類似的產品。經過改良，目前用于測定角變率的儀器價格低廉，精度高，體積小，僅需適當的能源就可使用。實際上，即便是更好的P-R-H型浮筒和其的結合體，也只能在一定范圍內提供更小的定向分布。盡管數據傳感器的實際應用已得到證明，但是由于其在浮球體中的機械結構在某些極端情況下會產生很多問題，因此，研究者們研制更加可靠的加速度和傾斜傳感器已有很多年了。例如加拿大AXYS技術儀器公司就與NRC水力研究中心共同開發了Trixys方向的浮體，其直徑為0.9 m；據介紹，其縱向位移誤差為2%，分辨率為1 cm；周期為1.6～30 s；測向0～360°，運行溫度為-30～60℃，這些數據比之前的都進步了不少。

近十年來，GPS技術的應用使浮筒技術取得了長足的進步。例如船只、半潛建筑物、移動或固定建筑物。經現場比對檢驗，Smart系列浮筒與方向波騎士系列具有很好的一致性。1996年4月，Datawell公司的P-RH傳感器與MRU-6進行了完全同步的測量，結果顯示MRU-6的方位分布較差，其余均符合要求。與其他常規設備相比，波浪浮筒是一種更為可靠的技術，也是我國海洋工程中應用最廣泛的一種。在工程實踐中，除易盜性和易損性外，還需注意以下幾個技術問題。

首先是不能在強流區和低水深的近岸地區設置波浪浮筒。在沿海和河口海域，布放區的水面流速較大，很容易出現走錨事故，而較大的海流還會將浮筒推到海底，類似的現象在馬跡山川一帶出現過。在大流量條件下，浮筒的錨固結構會受到拉力，從而對浮體的上下運動產生一定的影響；由于受風和水流的影響，錨索的作用是非對稱的。盡管在波浪測量中，對于傾斜的要求并不高，只要在各個方向上都是一致的，數據處理系統就可以獨立地處理這些參數，但是由于浮動體的非對稱性，會對方向譜的品質產生一定的影響。這就需要在錨鏈的中心處施加一個不會發生傾斜力的作用物。浮筒的錨系必須是安全的，在水深很低的時候，其會接觸到底部，從而影響測量的準確性，有時很難讓其隨需要的最大波動起伏而變化，英國有些地方的波峰高達30 m，臺灣也曾出現過30 m以上的波高。

2.2.2 船載波浪測量系統

SBWR系統的結構主要是由2個傳感器組成，分別裝有垂直加速計和1個氣壓表，并通過船體側面的小孔與海水相連。壓力傳感器應安裝在有充分吃水深度的位置，以便在海浪經過和船只移動時，壓力表始終處于水里。即使是在一艘小船上，也要確保壓力表在水下1 m或更深，這樣就可以消除某些短波的壓力干擾。通過在船舶的對稱兩側設置傳感器，可以減小船舶對波的反射作用，通過將左右2邊的實測數據進行相加，使其幅度接近于入射波。

波與船之間的相互作用十分復雜，尤其與船身的壓力分布密切相關，目前尚無一種令人滿意的理論方法。Crispl使用波浪騎士系統地確定了SBWR。研究發現，在0.15 Hz以前，SBWR與經典理論基本一致，但在超過0.15 Hz時，SBWR的衰減較快。Pitt由此提出了一種修改的方法，隨后用于修正以前的SBWR數據。實踐證明，甚至在約0.2 Hz時，其效果也是理想的。盡管仍有一定的限制，但在海上，臺風浪條件下仍可起到一定的作用。從理論上對此類測量系統的錯誤和解決辦法進行了分析，結果表明，在0.2 Hz的關斷頻率下，使用反漂移過濾器可以確保其準確度，但是在高海況下，其會變得不準。結果表明，利用頻譜計算出的Hmo、Tz可以降低這種誤差；在大部分情況下，若使用大船的低截止頻率，則可以忽略其誤差。但這樣做需要在船上設置幾個小孔來進行波浪測量，實際上對船舶的安全非常不利。

2.3 水上波浪測量技術

2.3.1 航空攝影技術

航空攝影技術首先應用于地面測繪，通過將各航拍圖像重疊點的差異轉化為地貌，生成立體地圖。但是，在海上進行這種技術時，由于水面的改變，往往要操作2架飛行器，并用2臺攝像機進行拍攝。由于受測量環境的制約，其并不是最具吸引力的波形測量工具，但是在光學技術的發展下，仍然具有廣泛的應用價值。20世紀90年代，Zhang等采用顏色編碼技術，使光學系統能夠接收到與其波面上的每個點之間的傾斜度相一致的表面反射光，利用彩色圖象的色彩辨識來實現對海浪的觀察。由于電腦技術的進步，影像的處理能力得到了很大的提高，數碼技術在圖像處理、光電等方面的應用，增強了電腦色彩處理的能力，特別是近年來，高分辨率數碼攝像系統的應用，降低了攝影過程中某些環節所帶來的系統錯誤，同時也使得整個工藝過程變得更為簡潔。

2.3.2 雷達技術

雷達技術一般可分為影像和非影像技術2大類。20世紀70年代最早開發的沿海雷達已經被證實能夠有效地用于海浪的探測。在之后的研究中有說明，可以將CODAR應用于一個移動平臺，利用適當的運動補償方法進行測量，與浮筒的測量結果相比較，兩者具有良好的一致性。目前，大部分的微波雷達都是在科研實驗中使用的，還有一些歐洲的產品在市面上銷售。美國、德國、荷蘭和日本等國都在使用航海雷達采集海浪影像，并對其進行頻域變換、波頻譜分析，對海浪要素進行計算，為雷達海浪影像的研究提供了成功實例。日本Kawai等對利用反射原理的窄波束雷達進行了研究，得出了通過調節自然高角來觀察波形參數的可行性。在我國，采用雷達測波技術似乎只是最近幾年的事情。任福安等在我國第一次利用艦載雷達測量了海浪，利用自主開發的海浪雷達影像采集裝置，對海浪雷達的回波進行了處理，采用數字圖像方式，將其輸入到電腦中，實現對海浪影像的數字處理。

2.4 太空衛星遙感技術

太空波浪測量技術主要是利用衛星遙感方法對海浪進行測量，這是過去30多年來海浪技術中的又一重大進步。目前，用于海上風浪數據觀察的衛星微波遙感儀器主要有3種，其中，利用雷達測高儀能對海面的有效波高進行測量；用散射儀可以對海洋表面的風場進行測量；SAR能夠對有效波高和波浪的方向頻譜進行測量。這項技術的缺陷體現在，當雷達束對準了海面時，覆蓋直徑通常有幾千米寬。這對于判別個別波形來說，覆蓋范圍太大了，同時，由于海浪的存在，雷達信號會被反射到衛星上，導致變形。2000年交通部資助的“應用衛星微波遙感計算波浪極值的可行性研究”，選取了3顆衛星對海南島海域表面進行了監測，并試圖通過衛星微波遙感數據進行計算。結果表明，在相同的海洋周期中，因經緯變化所產生變化的幅度較小，且在同一海域中的間隔時間很短，這樣，每個周期內通過該海域的全部測點數據都可以被平均，從而可以排除個體數值差異很大的影響；因為T/P上裝有雙頻測高儀，所以所得的有效波高值分為Ku、C 2個波段，因此，如果這2個波段的有效波高比較接近，就可以用這2個波段的平均值來計算。

在實際應用中，雷達高度計和合成孔徑雷達仍存在許多問題。在沿海使用的雷達高度表由于其空間的巨大變化，軌道覆蓋范圍和重復度比較有規律，無法得到波浪的周期和方向；風速與反射信號的強弱相關，對風速的測定已達到相當精確的程度，對小型風場也同樣適用。由于波形與海平面的均方根斜率相關，因此可以得到波的周期，但是其平均波周期的精確度仍然很低。SAR可以對地球上的海浪方位譜進行觀察，并能為海浪的形成提供一定的信息。但是SAR影像中的波形信息非常復雜，而且在港口、海灣等近海地區的應用也很有限，要將其轉化為準確的波形，還需進行大量的后期處理。而在對海浪數據進行處理方面，現有的SAR圖像生成方法存在多種版本，這些方法與實測數據相符合，但精度仍較低，主要是由于SAR向后散射機理尚未完全了解。

3 海浪監測中的問題與思考

3.1 加強產品質量控制

將國內研制的波浪測量儀和國外的測波儀設備進行比較，可以發現，經過數十年的發展，我國的海浪測量儀技術已達到國際先進水平，但仍存在著一定的距離。因此，要加強新技術、新材料的綜合運用，也要重視產品的品質和制造技術，逐步縮小與國際市場的差距。

3.2 支持自主研制的國產裝備

我國海島、港口眾多，需要大量的觀測儀器。開發具有自主知識產權的船舶和裝備，是加強海洋事業發展的一個重大舉措。多年來，國內的測波儀大多依賴國外，而邊口裝置在某種程度上彌補了國內測波儀設備的短缺與迫切，為我國測波儀設備的發展提供了技術借鑒。然而，國外的儀器在實際應用中卻出現了價格昂貴、維護不便等諸多問題。目前國內的設備技術已經比較成熟，且成本低廉、維護簡單，在不斷升級和改進的同時，也要給予相應的政策支持。

4 結束語

不同類型的海浪測波儀具有各自的特性，通過對各種測量方法進行實測結果總結，也得到了較好的驗證。在前面的文章中，結合近幾年的實際觀測資料，闡述了有關測量技術和儀器的優缺點。在海洋科研及重大海洋工程的設計中，為了獲得真實、可靠的波形資料，必須充分考慮不同類型的波形測量儀器的優點及應用范圍。