五波束ADCP测波浪的现场比测实验

饶 亮，张兆伟，张向军*，王长红

（1.中国科学院声学研究所海洋声学技术中心，北京 100190；2.中国科学院大学，北京100049；3.北京市海洋声学装备工程技术研究中心，北京 100190）

声学多普勒流速剖面仪（Acoustic Doppler Current Profiler，ADCP）作为一类重要声学海洋观测设备，一直以来被广泛应用，仅配置有3个或4个倾斜波束的传统ADCP，增加中间竖直波束配置后，形成“N+1”模式波束配置的ADCP，兼具声学海表面跟踪技术测量海表起伏、声学多普勒测流技术测量水体沿各波束方向速度和内置压力传感器测量水体静压力等三方面观测能力，成为一种新型声学集成式的潮浪流湍一体化测量仪器，在海洋全水文要素的时间、空间观测中被广泛研究和应用。“1竖直+4倾斜”波束配置的五波束波浪海流一体测量ADCP具有布放简单、观测连续性较好和竖直剖面时间序列观测能力等优势，充分结合了中间波束表面跟踪能力好、中心对称正交的倾斜波束流速测点在海表投影阵列孔径小、测量导向矢量丰富，以及压力传感器测静压提供校验信息等优点。

传统的波浪观测设备的检定，如重力加速度式测波浮标，使用模拟波浪运动的双环桁架结构检测装置进行浮标内重力传感器的自校准或互校准。而声学测波浪设备目前无法直接进行检定和校准，通常先对声学多普勒测速精度、声学海表面跟踪测距精度、电子罗盘和姿态传感器进行检定，以确定声学测波浪原始数据的精确度，然后进行同类或同种不同类测波仪器的同位观测对比，分析待检设备测波浪结果的误差上下限、变化趋势、序列相关性等检验指标。

1 ADCP观测波浪背景与发展

1.1 五波束ADCP测波浪应用的兴起与优势

海洋波浪观测技术自20世纪中叶起受到海洋学家和海岸观测业务部门关注，不断发展至今，各类波浪观测方法和仪器陆续被发明和使用，按工作原理分为视距式、测波杆式、压力式、声学式、重力式和遥感式等，按布放位置分为水下、水面、水上和太空四种观测方式[1]。声学集成式测波技术，结合了水下声学海表面跟踪测量波面起伏、压力计测量水静压变化和声学多普勒测量波致水体往复流速度等3种方式，是目前波浪观测水下测波法中较为先进和常用的一种方式[2]，使用此类技术的仪器如挪威Nortek的AWAC（Acoustic Wave and Current）和 美 国TRDI（Teledyne RD Instruments）公司生产的波浪模块声学多普勒海流剖面仪。声学集成式测波方法进行波浪精确测量，可较为准确地获得波浪功率谱和方向谱[3]，并且由于采用水下平台或是海底布放方式，避免了海面大风浪或船舶航行对观测系统的破坏，具有测量准确度高、收放维护操作简单、环境影响低、观测连续性好的特点[4]。波浪海流一体测量的五波束ADCP作为一类重要的水下声学（集成/综合）海洋波浪测量仪器，逐渐在近岸监测和浅海水域水下观测系统中广泛应用。

2007年，黄雄飞等[5]分析了深度误差与波束倾角、波束宽度的关系，针对不同波束配置ADCP进行性能分析和对比，论证了四波束配制的基础上增加一个垂直向下的波束配置型ADCP，能有效测量除流场平均速度以外的其他特性，适用于精确测量流场扰动和内波等多种特性研究应用。2016年，BOUFERROUK A等[6]检验了传统的4个倾斜波束ADCP额外加装1个竖直波束测量海洋表面波浪的性能，通过同位布放的五波束ADCP和波浪浮标的现场测量对比了两种测波设备的波谱参数、高频低频敏感性和测量数据噪声水平，论证了传统ADCP增加中间波束构成“1竖直+4倾斜”波束配置时，在测波浪应用中，不仅原始数据质量（低噪声、高分辨率）获得提升，而且在空间奈奎斯特限制下五波束ADCP测波阵列孔径更小、同布放深度下高频短波方向谱估计准确度更高等方面凸显优势。

1.2 五波束ADCP波浪方向谱估计原理

ADCP测量波浪是使用阵列法进行波浪方向谱反演，相对于波浪浮标的Triplet（三参量）波浪方向谱估计方法，阵列法的测量矢量大小和方向组成丰富，因此在多向、多组分和波谱较宽波浪观测方面具有独特优势。ADCP各波束在海表投影形成测量海表起伏的波高测点，以及ADCP各波束在次表层水体中多层测流单元形成的波生往复流流速测点，共同形成了ADCP在海表波浪场的空间测量阵列，ADCP波浪测量空间测点阵列示意图如图1所示。

图1 五波束ADCP测波浪空间采样阵列示意图

ADCP可在波浪场中获取空间阵列多个测点位置的波高或流速观测值，即各个测点上物理量观测时间序列。利用单个测点时间序列提取的自信息/自谱，利用不同测点间的互信息/互谱，构成测量阵列的交叉谱矩阵。最后，使用测点阵列导向矢量矩阵、流速—波面起伏传递函数和测量数据交叉谱矩阵，选用不同估计算法估计波浪方向谱。阵列法的方向谱估计算法主要包括迭代最大似然法（IMLM）、最大熵法（MEM）、贝叶斯方向估计法（BDM）及它们扩展方法如本征矢量法（EEV）和扩展最大熵法（EMEP）。2012年李晨等[3]和2015年DONELAN M等[7]对比了各种方法在海表波浪方向谱反演方面的性能。

2 ADCP测波浪的同类仪器比测研究意义

ADCP观测波浪对比测试研究主要包括同种不同类仪器的比测校验和同类仪器的相互比测[8]。2004年，HOITINK A等[9]通过Nortek公司AWAC（“浪龙”）和RDI公司ADCP进行测波浪对比实验，对近岸ADCP测波能力评估，并在后续研究中，证实ADCP和浮标测量得到海表重力波高度谱具有良好一致性[10]。2005年，SHIH H H等[11]比较了4种测波仪器的数据质量和观测结果，针对Triaxys波浪浮标与ADCP、测波阵列的测波结果进行比对。2008年，WORK P A[12]开展了近岸的波浪浮标和ADCP测波浪对比研究。

近年来，国内学者也开展了ADCP测波浪性能分析方面的对比实验和研究。2015年，章家保等[13]总结了当前海洋波浪测量技术特点并结合实测分析。2017年，黄骏等[14]进行了浮标和ADCP的比测实验研究。2017年，周庆伟等[15]对测波浮标、AWAC声学海流/波浪测量仪和TWR-2050 压力式波潮仪等3种测波设备的实测数据进行对比分析。目前国内在ADCP测波浪比测研究方面缺乏同类声学测波浪设备的对比研究，本文将侧重于同类综合声学测波设备的比测方法研究和性能指标分析，对国产五波束IOA Wave ADCP与同种同类国外设备RDI公司Sentinel V ADCP的同位观测结果进行对比分析。

在同种不同型号测量仪器测波结果对比时，由于各个仪器采集数据集合、采样策略和波浪分析后处理程序不完全相同，波浪观测结果中非方向性结果一般包括波谱/功率谱分析和跨零法统计分析两种形式，方向性结果为频率方向谱/方向谱分析。观测结果的整体对比，即采用谱特征参数结果序列进行相关性对比，来说明参数结果的变化趋势和离散度。观测结果的单组次对比，即直接对比同时段单组次的波谱和方向谱等，计算谱偏度和谱对比均方误差。

3 现场比测实验与仪器

五波束ADCP测波浪现场对比测试实验共进行了2次，分别于2019年12月25日至31日和2020年9月17日至10月1日，参试设备为中科院声学所600 kHz IOA Wave型ADCP和美国TRDI公司Sentinel V型ADCP，两台设备为相距约100 m准同位“坐底上看式”布放，开始工作时间和观测周期配置相同。采用双环衡平式设计的坐底支架上安装IOA Wave WM600 ADCP，实物图如图2所示。两次比测实验中，实验仪器布放海域为山东省威海附近同一海域（经纬度为37°35′33.78″N，122°04′24.17″E），坐底布放水深约29～31 m，采用坐底架装配“浮筒+释放器”方式进行布放回收方案，实施实验地点位于国家海洋技术中心建设的威海市褚岛以北的国家浅海海洋综合试验场水域。两次比测实验地点选取在试验场北部，远离海岸和岛屿，布放点取在海底较为平坦区域。

图2 双环衡平式坐底支架安装IOA Wave WM600 ADCP 实物图

依据《规范化海上试验管理规程》中同类同种仪器的比测研究方法[16]，开展了比测实验，以国外同类型波浪ADCP仪器（RDI Sentinel V ADCP）做参考，与国产波浪测量ADCP（IOA Wave ADCP）进行坐底式比测试验。为了避免2台设备同时工作时互相干扰，同时保证ADCP以尽可能高的采样率采样，将2台设备分别安装在不同的坐底支架上，根据具体水深确定ADCP不会互相干扰的最小距离。实验前经过复机检测和同步时钟等操作，对两型设备配置如表1。由于没有更加相近的同频五波束ADCP同类设备，因此选用中心频率为500 kHz的TRDI Sentinel V S50与IOA Wave WM600进行比测研究。

表1 两型设备性能指标和测波模式配置表

处理方法方面，IOA Wave WM600 ADCP波浪数据处理中，采用波高流速联合法，波高和流速数据同步分时采样，将原始数据测点作为一个小时延空间时间复合阵列，进行阵列法波浪方向谱反演，估计方法使用迭代最大似然方法（IMLM），基本原理表达式见式（1）。

TRDT Sentinel V S50 波浪数据处理中，采用后处理软件Velocity内嵌算法SVP，即按照声学表面跟踪测波高（Surface Track）、波生轨迹流速（Velocity）、压力（Pressure）等3类数据的优先级递减顺序，使用进行波谱和方向谱估计，其中方向谱估计方法使用迭代最大似然方法（IMLM），最后，使用波谱计算有效波高HS和谱峰周期TP，使用方向谱估计结果得到谱峰方向DP。

4 两型ADCP测波浪对比测试实验

4.1 主要比测参数和方向固有偏差相对值估计

两型ADCP测波浪对比测试实验的测波浪结果比对中，主要包括方向性参数和非方向性参数的对比测试。对于非方向性参数结果，采用有效波高HS（描述波浪起伏平均强度）和谱峰周期TP（描述起伏强度最强的波动周期）两项结果参数进行相关性对比分析；对于非方向性参数结果，采用谱峰方向DP（描述波浪主要能量来波方向）进行分析。

由于两型观测仪器在数据后处理中调控参数不是完全相同，而且由于内部罗经的磁偏角修正值差异和安装偏角差异导致艏向测量存在固定偏差，因此使用长时平均的流剖面的方向作为联系，进行两设备艏向角的固定偏差的相对值估计，即背景流方向作为两设备坐标系的一致参考方向，估计两设备罗经固定偏角的差值。两设备罗经固定偏角的相对值，不影响方向结果DP的相关性系数分析，但是会影响单组次方向谱对比。图3为两设备坐标系与背景流关系示意图。

图3 两设备坐标系与背景流关系示意图

每测量组次的背景海流测量是组次内多帧流速剖面测量结果的平均值，测得的流速方向为设备坐标系下的艏向到流向的夹角（逆时针为正），设备艏向方位角为地理北向到艏向的夹角（顺时针为正），设备艏向方位角减去设备坐标系下流速方向，得到地理坐标系下背景海流方向。考虑设备艏向测量值的偏差，两设备坐标系通过背景海流作为参考建立联系，关系式表达为：

式中，BG为地理坐标系下背景海流方向；H1和H2分别为两设备艏向测量值；e1和e2分别为两设备艏向测量值偏差；1θ和 2θ分别为两设备测量在各自设备坐标系背景流方向测量值。

4.2 第一次比测实验结果

第一次比测实验观测时段为2019年12月25日至31日，观测周期为每半个时的前20 min进行一组观测，共获取了239组结果。实验期间的全组次流速剖面中选取中层背景流方向进行对比，如图4（a）所示。近岸浅水潮流空间变化受水深变化和地形影响，选取背景流幅值大于0.3 m/s组次（共108组）的背景流方向结果序列，如图4（b）所示。对两仪器固有偏差的相对值进行统计平均，得到第一次比测实验中两设备罗经固有偏差的相对值为 9.3°。

图4 两型设备输出背景流方向对比(第一次实验)

第一次试验的波浪反演结果序列对比图见图5。序列统计表明试验时间段内，布放点波浪特征观测结果：（1）有效波高HS，IOA观测值为0.13～2.83 m，RDI观测值为0.12～3.05 m，波浪浮标结果为有效波高HS与ADCP测波结果一致性很好；（2）谱峰周期TP，IOA观测值为2.9～7.72 s，RDI观测值为2.6～7.5 s；波浪浮标结果为有效波周期TS与ADCP结果趋势一致性较好，数值上比ADCP结果略微偏小；（3）谱峰方向DP，分布范围为0°～360°，趋势对比中，使用实验平台提供的波浪浮标波向结果中主波向Dmain作为参照。由于方向结果存在360°周期性，为了便于对两列DP序列进行趋势对比，当两列DP结果序列相差大于180°、小于180°时，对该点IOA Wave ADCP的DP值分别减、加360°。

第一次比测实验期间波浪方向主要为北向、东向和东南向，图6为第一次比测实验的两型设备的谱峰方向DP结果对比散点图，其中谱峰方向修正序列IOA-DP-rev是IOA-DP序列减去“两设备罗经固有偏差的相对值9.3°”。对散点图中的奇异点对应组次进行单组次分析，认为产生奇异点的主要原因是：这些组次的观测期间，有效波高较小、波浪数据信噪比不高，且存在能量相当、频率相近、方向不同的双峰波浪，可能与实验点以北的海底地形有关。由于RDI Sentinel V倾斜波束倾角更大、竖直波束开角较大，相对于IOA Wave ADCP，RDI Sentinel V测波浪结果总体会表现为低估高频、上限截止频率相对偏低，因此两型设备估计得到方向谱谱峰方向在个别组次存在明显差异。

图6 谱峰方向Dp对比散点图(第一次实验)

4.3 第二次比测实验结果

第二次比测实验观测时段为2020年9月17日至10月1日，观测周期为每一个时的前20 min进行一组观测，共获取了332组结果。实验期间的全组次流速剖面中选取中层背景流方向进行对比图，如图7（a），选取背景流幅值大于0.3 m/s组次（共108组）的背景流方向结果序列，如图7（b）对两仪器固有偏差的相对值进行统计平均，得到第二次比测实验中两设备罗经固有偏差的相对值为 6.1°。两次比测实验的两型设备罗经固定偏差相对值有所差异，原因可能是两次实验非连续进行，设备安装坐底支架和更换电池等原因改变了磁场干扰。

图7 两型设备输出背景流方向对比(第二次实验)

第二次试验的波浪反演结果序列对比图，如图8。序列统计表明试验时间段内，布放点波浪特征观测结果如下：（1）有效波高HS，IOA观测值为0.12～1.37 m，RDI观测值为0.20～1.34 m；（2）谱峰周期TP，IOA观测值为2.88～6.73 s，RDI观测值为2.7～6.7 s；波浪浮标结果中有效波周期TS序列用于参照对比；（3）谱峰方向DP，两型ADCP参与对比的波向结果为方向谱谱峰波向DP，实验平台波浪浮标波向结果中主波向Dmain作为参照，分布范围为0°～360°，主要分布方向在300°～360°和0°～120°。

图8 波浪主要参数结果序列对比(第二次实验)

第二次比测实验期间波浪方向主要为西北向和东向，图9为第二次比测实验的两型设备的谱峰方向DP结果对比散点图，其中谱峰方向修真序列IOA-DP-rev是IOA-DP序列减去“两设备罗经固有偏差的相对值6.1°”。

4.4 相关性分析和趋势分析

两型波浪测量声学仪器布放于同一区域的观测波浪，分别使用配套波浪反演程序对原始数据集进行预处理和后处理，提取重叠的同步时间段的波浪观测输出结果有效波高HS、谱峰波周期TP，谱峰波向DP等主要参数序列用于比对。同类不同仪器之间的海上比测时，一般对结果序列进行相关处理，海上对比测试试验结果采用相关系数准则评价。测量结果序列X和参考结果序列Y之间的相关系数计算式如下。

式中，ρXY是两序列相关系数；Cov(X,Y)是两序列的协方差；Xσ和Yσ是两序列标准差。

依据该评价标准，分别统计波高、波周期、波向三项指标结果的相关系数，见表2。由于声学法测波浪属于遥感观测方法，在波浪较小、海表比较平整的海况下，声波波束的主瓣漫反射回波能量减弱，旁瓣回波干扰测高和测流结果，导致波浪观测数据质量下降、信噪比较低（波浪能量与观测噪声水平相当），因此大深度布放且低海况条件下测量结果不具有可对比性。两次实验布放水深为29～31 m，HS和TP参数的对比组次条件为HS大于0.2 m，DP参数的对比组次条件为HS大于0.4 m，这样的参数对比下限条件设置依据：参照设备TRDI Sentinel V S50参数手册中注明了波浪观测检测域，非方向性参数可检测最小有效波高HS为0.15 m，方向性参数可检测有效波高HS为0.15 m，按照0.05 m的观测预估误差，因此将非方向性参数对比条件设为TRDI输出HS大于0.2 m的组次。由于在两次比测实验中仪器布放深度较大，实验海域的小波浪多为HS小于0.4 m、TP大于4 s的涌浪，海表比较平整导致声学表面跟踪测高数据质量下降，这类波浪条件下，次表层水体中波生往复流流速幅值（约为10 cm/s量级）与Sentinel V ADCP单ping测流标准差（约为7 cm/s，1 m层厚宽带测量，参看TRDI Sentinel V S50参数册）的量级相当，因此将方向性参数对比条件设为TRDI输出HS大于0.4 m的组次。

表2 两次比测实验结果序列相关系数表

IOA Wave ADCP测波结果与实验平台附近波浪浮标测波结果对比时，由于作为参照的浮标测波结果序列被认为全部有效，因此，两者测波结果进行全组次的相关性分析。两次比测实验结果序列相关系数结果如表2，对于非方向性参数结果，三型测波仪器的结果序列一致性很高，对于方向性参数结果，国内外两型ADCP作为同种同类仪器测波结果相关性更好。第一次实验相比于第二次实验，观测期间的波浪能量更大，实验结果序列相关性表现得更显著。

威海市褚岛北部的国家浅海海洋综合试验场提供了实验观测期间的气象数据和波浪浮标观测记录，处理后获取了风速风向和波浪参数等，第一次实验为121组结果，第二次实验为326组结果。由于波浪浮标提供的波参数主要为统计分析得到非方向性参数（H1/3、H1/10和Tmean等）和“三参量法”得到有效波高HS、有效波周期TS、方向性参数中的主波向Dmain，如图5和图8所示，浮标观测结果序列基本变化趋势与IOA Wave ADCP测波浪结果一致性较好，但是相对值存在一定差异。如表2所示，实验平台波浪浮标后报结果与IOA Wave ADCP结果序列，全组次进行相关系数对比，浮标观测结果只作为三参数结果序列变化趋势和极值的参考。

5 结 论

使用国内外两型五波束ADCP进行波浪观测现场对比测试实验，对有效波高HS、波谱谱峰周期TP和方向谱谱峰波向DP等主要波浪参数结果序列分别进行相关性分析。两型设备的测量原理相同，但是数据采样率、采样方案和质控策略存在一定差异，两型设备的测速测高原始数据测量误差水平也因工作频率、脉冲长度等差异而略有不同，因此选取HS大于0.2 m组次用于非方向性参数对比、HS大于0.4 m组次用于方向性参数对比，减小声学测波浪检测域下限限制和原始数据本底噪声水平微小差异的影响，增加实验显著性。两次比测实验结果表明，有效波高HS和谱峰方向DP两参数的相关性较好，相关系数大于0.9，而谱峰周期TP相关性会因波浪较小（数据信噪比下降）、观测时长变短等影响而下降。

总体而言，在相对开阔海域的两次重复性波浪观测对比实验，两型装备的测波浪性能差异较小。适应性方面，IOA Wave ADCP因波束开角较小，在波浪非方向性参数观测方面的适应性和稳定性较好；TRDI Sentinel V凭借倾斜波束倾角较大在测流方面存在优势，在方向估计方面的适应性和稳定性较好。另外，依据理论分析，IOA Wave ADCP波束倾角小、阵列孔径较小，相同深度布放时，方向谱测量截止频率上限更高，在高频风浪观测方面具有显著优势。