海洋波浪测量技术及实测分析

杜 跃，郭 磊

（1.天津水运工程勘察设计院有限公司，天津 300456；2.天津市水运工程测绘技术企业重点实验室，天津 300456；3.海洋石油工程股份有限公司，天津 300450）

不同现场的波形观测装置因其工作原理的差异而具有各自的适用范围和限制。因此，设计人员要针对不同的需要，选用适合于具体海况的设备。了解海洋工程及相关产业的现场波浪监测技术的发展历程、现状和未来发展趋势，对于进一步提升海洋工程技术的技术水平、确保工程建设的安全、可靠和节约成本具有重要意义。根据观测设备在空间上的分布情况，可以分为水下、水面、水上和卫星遥感这4个方面。文章综述了国内外各种测波仪的发展过程、特点和使用情况，对该技术的发展趋势进行了预测，并提出了有关于今后发展的几点建议。

1 海浪测量技术

海洋工程包括河口、海岸、近海和深海，波浪是其最主要的动力载荷，其直接关系到工程的安全性与成本。设计波浪要素的确定是根据对波浪数据的了解，而这又与海浪数据准确度及是否掌握和了解获取第一波数据的观测技术有着密切的关系。第一次进行海浪观测的时间现已无法准确查证，目前可以确定的是远古航海以及我国东南沿海的海塘建造已经有一千多年的历史了。波浪观测仪器按其工作原理可分为视距测式、测波杆式、压力型、声学模式、重力和遥感测波器等类型。根据仪器布置的空间位置，可分为水下、水面、水上和太空4大类。理论上，可以采用一套三参量式传感器进行测量，但通常仅在实验室中采用。目测是海浪观测的原始技术，受过专业技术人员的目测，其波高仍具有一定的可靠性，但在波周期和波形不规则性测量中并不适用。另外一个主要的缺点是夜间和恶劣的天气无法做到准确观察，而在这样的情况下，通常会出现很大的波浪。因此，目前不建议在水利工程中使用目测方法。在过去的30多年里，世界上的海浪观测技术得到了长足的发展，在发达国家，海浪的测量已经从水下、水面这两方面发展到了卫星的应用。水下波形测量设备由安装在静止平台上或水下浮体上的流量仪和压力仪组成。重力测波仪通常应用于海上，用于测量浮体的升沉高度、倾角和水平位移，是国内应用最广泛的一种。在静止的平台上，还可以使用测波杆、雷达和激光来追踪海面的移动。

2 海洋波浪测量技术分析

2.1 水下波浪测量技术

2.1.1 压力式测波技术

最简易的水下测量设备是利用高精度的传感器来测量由表面波造成的压力变化，即所谓的压力型测波仪。南海研究所对国内SZS3-1型自容压力波潮仪所测出的167套现场数据进行了对比，发现国内同类设备的精度与国外同类设备基本相当。Allender等研究者在WADIC实验中对各种水深的压力/流量计进行了实验，以验证其随入水深度的改变及所采用的非线性波理论。总的来说，压力型测波计具有较强的工程应用价值，但其缺点主要在于其表面高度通常采用反滤波器来获取，其测量结果往往不理想，有的甚至提出了与表面波记录无对应关系的结论；目前，压强波和表面波的关系还处在半理论半经验的状态，其反演结果的精确性仍然存在着诸多问题，有观察结果显示，在不同海域，其转化系数存在差异；同时，其速率测定法是利用探针在实验室水中来回上下移动，来模拟压力和波的变化，这种方式并不能全面地反映出真实海面的压力和地表波的相互关系，因此通常采用2种不同的波浪计进行现场比较。

2.1.2 声学测波技术

水下声学波流测量仪主要利用杜普勒原理及向量综合技术对波浪进行了测量。该装置可置于水底或水面，在水上的称之为气介式，水下称坐底式，其基本原理是一样的。Herbers等对声学杜普勒流速测量系统和压力传感系统进行了比较，发现二者具有很好的一致性。声学杜普勒流速分布仪（ADCP）是一种可以测量多种地点流速成分的仪器，目前国内用于水下地形、流速、泥沙含量的测量。把ADCP置于水底，或置于水下漂浮的构造中，这样就能从海底观察到水面的起伏。因为这种装置可以同时提供水柱上的平均流速，因此，ADCP将成为一种非常有用的水下波测量工具。ADCP在50 m深以下的水中进行测量，仍然可以获得可靠的测量精度。我国的科研人员也在这方面进行了大量的研究，已经有采用S44型声波计对长江深水航道进行实测的事例。某些海洋台站也使用了坐底式超声波测波仪，而国产的产品中也使用了SSA226超声波传感器所制成的声波仪。在声学测波领域，戈登等的研究是很有意义的，他们在1999年7—10月份利用杜普勒流速计中的Aquadopp和Vector这2种来测量海岸和破波区的波浪。

2.2 水面波浪测量技术

2.2.1 波浪测量浮筒

在我国很多工程前期工作中，浮筒对波浪的测量起到了很大的作用，早在连云港港口建立之初，就采用“骑士”进行了一年多海浪观测。近年来，中国科学院南海研究所一直在使用这种仪器来测量海浪。海洋中的波浪测量通常是以船型浮筒的形式进行的，这种类型的浮筒在海洋中有140多个。由卡特赖特等于1947年所使用的P-R-H型浮筒，是附着在船上，由1根缆绳牵引，以及1台陀螺来决定垂直参考系统。而P-F-B型浮筒是以水质量为中心的浮体，通过3个垂直方向的加速度来确定浮体的移动方向，故称为三轴加速计浮体，其外形通常是球形。P-F-B型经济性能好、锚系结构简单、浮筒可靠、体积小、便于抛设、频率较高，在陡坡条件下不易倾覆，所以有些人认为，随着水质的变化而移动的浮筒比P-R-H浮筒的测波性能效果更好。另外还有一种浮筒，即DWR，很早之前巴斯托等就证明了DWR的适用范围。DWR系列采用直线波理论，根据浮体在水体中的跟踪曲线，对2个垂直方向的波高和方向位移进行了测量。这类仪器通常应用在沿海、深海低流速区，由此衍生出许多类似的产品。经过改良，目前用于测定角变率的仪器价格低廉，精度高，体积小，仅需适当的能源就可使用。实际上，即便是更好的P-R-H型浮筒和其的结合体，也只能在一定范围内提供更小的定向分布。尽管数据传感器的实际应用已得到证明，但是由于其在浮球体中的机械结构在某些极端情况下会产生很多问题，因此，研究者们研制更加可靠的加速度和倾斜传感器已有很多年了。例如加拿大AXYS技术仪器公司就与NRC水力研究中心共同开发了Trixys方向的浮体，其直径为0.9 m；据介绍，其纵向位移误差为2%，分辨率为1 cm；周期为1.6～30 s；测向0～360°，运行温度为-30～60℃，这些数据比之前的都进步了不少。

近十年来，GPS技术的应用使浮筒技术取得了长足的进步。例如船只、半潜建筑物、移动或固定建筑物。经现场比对检验，Smart系列浮筒与方向波骑士系列具有很好的一致性。1996年4月，Datawell公司的P-RH传感器与MRU-6进行了完全同步的测量，结果显示MRU-6的方位分布较差，其余均符合要求。与其他常规设备相比，波浪浮筒是一种更为可靠的技术，也是我国海洋工程中应用最广泛的一种。在工程实践中，除易盗性和易损性外，还需注意以下几个技术问题。

首先是不能在强流区和低水深的近岸地区设置波浪浮筒。在沿海和河口海域，布放区的水面流速较大，很容易出现走锚事故，而较大的海流还会将浮筒推到海底，类似的现象在马迹山川一带出现过。在大流量条件下，浮筒的锚固结构会受到拉力，从而对浮体的上下运动产生一定的影响；由于受风和水流的影响，锚索的作用是非对称的。尽管在波浪测量中，对于倾斜的要求并不高，只要在各个方向上都是一致的，数据处理系统就可以独立地处理这些参数，但是由于浮动体的非对称性，会对方向谱的品质产生一定的影响。这就需要在锚链的中心处施加一个不会发生倾斜力的作用物。浮筒的锚系必须是安全的，在水深很低的时候，其会接触到底部，从而影响测量的准确性，有时很难让其随需要的最大波动起伏而变化，英国有些地方的波峰高达30 m，台湾也曾出现过30 m以上的波高。

2.2.2 船载波浪测量系统

SBWR系统的结构主要是由2个传感器组成，分别装有垂直加速计和1个气压表，并通过船体侧面的小孔与海水相连。压力传感器应安装在有充分吃水深度的位置，以便在海浪经过和船只移动时，压力表始终处于水里。即使是在一艘小船上，也要确保压力表在水下1 m或更深，这样就可以消除某些短波的压力干扰。通过在船舶的对称两侧设置传感器，可以减小船舶对波的反射作用，通过将左右2边的实测数据进行相加，使其幅度接近于入射波。

波与船之间的相互作用十分复杂，尤其与船身的压力分布密切相关，目前尚无一种令人满意的理论方法。Crispl使用波浪骑士系统地确定了SBWR。研究发现，在0.15 Hz以前，SBWR与经典理论基本一致，但在超过0.15 Hz时，SBWR的衰减较快。Pitt由此提出了一种修改的方法，随后用于修正以前的SBWR数据。实践证明，甚至在约0.2 Hz时，其效果也是理想的。尽管仍有一定的限制，但在海上，台风浪条件下仍可起到一定的作用。从理论上对此类测量系统的错误和解决办法进行了分析，结果表明，在0.2 Hz的关断频率下，使用反漂移过滤器可以确保其准确度，但是在高海况下，其会变得不准。结果表明，利用频谱计算出的Hmo、Tz可以降低这种误差；在大部分情况下，若使用大船的低截止频率，则可以忽略其误差。但这样做需要在船上设置几个小孔来进行波浪测量，实际上对船舶的安全非常不利。

2.3 水上波浪测量技术

2.3.1 航空摄影技术

航空摄影技术首先应用于地面测绘，通过将各航拍图像重叠点的差异转化为地貌，生成立体地图。但是，在海上进行这种技术时，由于水面的改变，往往要操作2架飞行器，并用2台摄像机进行拍摄。由于受测量环境的制约，其并不是最具吸引力的波形测量工具，但是在光学技术的发展下，仍然具有广泛的应用价值。20世纪90年代，Zhang等采用颜色编码技术，使光学系统能够接收到与其波面上的每个点之间的倾斜度相一致的表面反射光，利用彩色图象的色彩辨识来实现对海浪的观察。由于电脑技术的进步，影像的处理能力得到了很大的提高，数码技术在图像处理、光电等方面的应用，增强了电脑色彩处理的能力，特别是近年来，高分辨率数码摄像系统的应用，降低了摄影过程中某些环节所带来的系统错误，同时也使得整个工艺过程变得更为简洁。

2.3.2 雷达技术

雷达技术一般可分为影像和非影像技术2大类。20世纪70年代最早开发的沿海雷达已经被证实能够有效地用于海浪的探测。在之后的研究中有说明，可以将CODAR应用于一个移动平台，利用适当的运动补偿方法进行测量，与浮筒的测量结果相比较，两者具有良好的一致性。目前，大部分的微波雷达都是在科研实验中使用的，还有一些欧洲的产品在市面上销售。美国、德国、荷兰和日本等国都在使用航海雷达采集海浪影像，并对其进行频域变换、波频谱分析，对海浪要素进行计算，为雷达海浪影像的研究提供了成功实例。日本Kawai等对利用反射原理的窄波束雷达进行了研究，得出了通过调节自然高角来观察波形参数的可行性。在我国，采用雷达测波技术似乎只是最近几年的事情。任福安等在我国第一次利用舰载雷达测量了海浪，利用自主开发的海浪雷达影像采集装置，对海浪雷达的回波进行了处理，采用数字图像方式，将其输入到电脑中，实现对海浪影像的数字处理。

2.4 太空卫星遥感技术

太空波浪测量技术主要是利用卫星遥感方法对海浪进行测量，这是过去30多年来海浪技术中的又一重大进步。目前，用于海上风浪数据观察的卫星微波遥感仪器主要有3种，其中，利用雷达测高仪能对海面的有效波高进行测量；用散射仪可以对海洋表面的风场进行测量；SAR能够对有效波高和波浪的方向频谱进行测量。这项技术的缺陷体现在，当雷达束对准了海面时，覆盖直径通常有几千米宽。这对于判别个别波形来说，覆盖范围太大了，同时，由于海浪的存在，雷达信号会被反射到卫星上，导致变形。2000年交通部资助的“应用卫星微波遥感计算波浪极值的可行性研究”，选取了3颗卫星对海南岛海域表面进行了监测，并试图通过卫星微波遥感数据进行计算。结果表明，在相同的海洋周期中，因经纬变化所产生变化的幅度较小，且在同一海域中的间隔时间很短，这样，每个周期内通过该海域的全部测点数据都可以被平均，从而可以排除个体数值差异很大的影响；因为T/P上装有双频测高仪，所以所得的有效波高值分为Ku、C 2个波段，因此，如果这2个波段的有效波高比较接近，就可以用这2个波段的平均值来计算。

在实际应用中，雷达高度计和合成孔径雷达仍存在许多问题。在沿海使用的雷达高度表由于其空间的巨大变化，轨道覆盖范围和重复度比较有规律，无法得到波浪的周期和方向；风速与反射信号的强弱相关，对风速的测定已达到相当精确的程度，对小型风场也同样适用。由于波形与海平面的均方根斜率相关，因此可以得到波的周期，但是其平均波周期的精确度仍然很低。SAR可以对地球上的海浪方位谱进行观察，并能为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复杂，而且在港口、海湾等近海地区的应用也很有限，要将其转化为准确的波形，还需进行大量的后期处理。而在对海浪数据进行处理方面，现有的SAR图像生成方法存在多种版本，这些方法与实测数据相符合，但精度仍较低，主要是由于SAR向后散射机理尚未完全了解。

3 海浪监测中的问题与思考

3.1 加强产品质量控制

将国内研制的波浪测量仪和国外的测波仪设备进行比较，可以发现，经过数十年的发展，我国的海浪测量仪技术已达到国际先进水平，但仍存在着一定的距离。因此，要加强新技术、新材料的综合运用，也要重视产品的品质和制造技术，逐步缩小与国际市场的差距。

3.2 支持自主研制的国产装备

我国海岛、港口众多，需要大量的观测仪器。开发具有自主知识产权的船舶和装备，是加强海洋事业发展的一个重大举措。多年来，国内的测波仪大多依赖国外，而边口装置在某种程度上弥补了国内测波仪设备的短缺与迫切，为我国测波仪设备的发展提供了技术借鉴。然而，国外的仪器在实际应用中却出现了价格昂贵、维护不便等诸多问题。目前国内的设备技术已经比较成熟，且成本低廉、维护简单，在不断升级和改进的同时，也要给予相应的政策支持。

4 结束语

不同类型的海浪测波仪具有各自的特性，通过对各种测量方法进行实测结果总结，也得到了较好的验证。在前面的文章中，结合近几年的实际观测资料，阐述了有关测量技术和仪器的优缺点。在海洋科研及重大海洋工程的设计中，为了获得真实、可靠的波形资料，必须充分考虑不同类型的波形测量仪器的优点及应用范围。