海洋水文要素傳感技術(shù)

海洋水文要素傳感技術(shù)——波浪浮標(biāo)姓名：王志光學(xué)號(hào)：21140911022摘要：波浪浮標(biāo)是一種無(wú)人值守的能自動(dòng)、定點(diǎn)、定時(shí)（或連續(xù)）地對(duì)海面波浪的高度、波浪周期及波浪傳播方向等要素進(jìn)行遙測(cè)的小型浮標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)。本文在介紹國(guó)內(nèi)外波浪浮標(biāo)研究使用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)介紹基于加速度傳感器和基于GPS傳感器的波浪浮標(biāo)。關(guān)鍵詞：波浪浮標(biāo)；加速度傳感器；GPS傳感器引言海浪是發(fā)生在海洋中的一種波動(dòng)，是海水運(yùn)動(dòng)的主要形式之一。海浪形成的主要原因是由于海洋水體受外力作用時(shí)，水質(zhì)點(diǎn)離開(kāi)平衡位置而往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并向一定的方向傳播，此種運(yùn)動(dòng)稱為波動(dòng)。海浪是主要包括風(fēng)浪、涌浪和近岸浪，其周期一般界于1～20秒之間。根據(jù)現(xiàn)行的《海濱觀測(cè)規(guī)范》（GB/T14914-2006）規(guī)定[1]，海浪的主要的觀測(cè)要素是波高、周期、波型、波向和海況。在海洋工程建設(shè)、海洋災(zāi)害預(yù)防、航海安全等領(lǐng)域中，海浪是最重要且最復(fù)雜的一種海洋氣象要素。隨著我國(guó)綜合國(guó)力和國(guó)際地位的提升，海洋監(jiān)測(cè)發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。我國(guó)自古以來(lái)就是海洋大國(guó)，海岸線長(zhǎng)達(dá)18000余公里。通過(guò)研究和開(kāi)發(fā)海洋來(lái)發(fā)展必然是我國(guó)不斷提升國(guó)際地位的必走之路[2]。波浪浮標(biāo)是一種小型浮標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)，無(wú)人值守，可以長(zhǎng)期、自動(dòng)、定點(diǎn)、定時(shí)、全天候的對(duì)海浪高度、波浪傳播方向、波浪周期、功率譜和方向譜等水文要素進(jìn)行遙測(cè)。波浪浮標(biāo)在海洋的任何氣象和海域情況下都可以采集海洋環(huán)境不同的水文要素信息，因此浮標(biāo)經(jīng)常被海洋工作者們比喻成為“海洋自動(dòng)觀測(cè)站”[3]。國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)廣泛使用和研發(fā)波浪浮標(biāo)的國(guó)家有美國(guó)、加拿大、荷蘭、中國(guó)等。荷蘭Datawell公司的波浪騎士波浪方向浮標(biāo)[4]；美國(guó)的956型及其改良型1156型波浪跟蹤浮標(biāo)；加拿大AXYS公司的波浪方向浮標(biāo)TRIAXYS?等。在多傳感器的波浪浮標(biāo)系統(tǒng)中，由于不同的傳感器特征不同，將時(shí)間上和空間上的信息按照某種優(yōu)化算法組合起來(lái)，可以獲得更多有效的波浪信息。應(yīng)用較為廣泛的是基于GPS技術(shù)的波浪浮標(biāo)和基于加速度傳感器的波浪浮標(biāo)。其中基于加速度傳感器的波浪浮標(biāo)又可以分為兩種類型，一種是基于三軸加速度傳感器，可以測(cè)量浮標(biāo)隨波運(yùn)動(dòng)的三軸運(yùn)動(dòng)的加速度和三軸旋轉(zhuǎn)（航向角、俯仰角和橫滾角），進(jìn)而估算出海洋參數(shù)。另一種是基于重力傳感器。第一類基于加速度傳感器的波浪浮標(biāo)，以加拿大著名的浮標(biāo)生產(chǎn)廠家AXYS公司生產(chǎn)TRIAXYS?波浪浮標(biāo)為代表，它使用1000G防震固態(tài)傳感器，內(nèi)有三個(gè)加速度計(jì)、三個(gè)角速度計(jì)、一個(gè)羅盤(pán)，使用同加拿大國(guó)家研究委員會(huì)聯(lián)合開(kāi)發(fā)的專利軟件，精確的對(duì)波浪進(jìn)行各種數(shù)據(jù)計(jì)算和統(tǒng)計(jì)。由于是采用固態(tài)傳感器，因此波浪浮標(biāo)具有可自由旋轉(zhuǎn)和抗低溫的性能。它使用太陽(yáng)能板給蓄電池充電的供電方式，4到5年內(nèi)，不必更換電池，節(jié)省了大量人力物力。到了國(guó)際先進(jìn)水平，填補(bǔ)了我國(guó)測(cè)波浮標(biāo)的空白，是我國(guó)海洋技術(shù)領(lǐng)域少數(shù)幾個(gè)能真正實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化的海洋高新技術(shù)產(chǎn)品。綜上所述，加速度波浪浮標(biāo)可以適用于海浪任何高度范圍，浮標(biāo)本體發(fā)生旋轉(zhuǎn)也不會(huì)影響其測(cè)量結(jié)果，而GPS浮標(biāo)在海浪較高時(shí)使用信號(hào)不穩(wěn)定，不能接收足夠多的衛(wèi)星信號(hào)。加速度波浪浮標(biāo)在數(shù)據(jù)的安全性上比GPS浮標(biāo)要好很多，其數(shù)據(jù)結(jié)果不容易被國(guó)外機(jī)構(gòu)竊取。加速度波浪浮標(biāo)很容易受到金屬的干擾，因?yàn)閮?nèi)部由電子羅盤(pán)定位，而GPS不會(huì)受到金屬的干擾。GPS浮標(biāo)的內(nèi)在就是高性能的GPS接收機(jī)，它所占體積很小，荷蘭“波浪騎士”浮標(biāo)直徑只需40cm，而加速度波浪浮標(biāo)所需傳感器較多，體積較大，成本較高。代表研究單位主要研究成果介紹荷蘭Datawell公司：波浪騎士MKIII型方向浮標(biāo)，波浪騎士差分GPS浮標(biāo)等。加拿大AXYS公司：TRIAXYS?型波浪方向浮標(biāo)等。中國(guó)海洋大學(xué)：SZF型波浪浮標(biāo)等。山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所：SBF3-1型測(cè)波浮等。結(jié)論國(guó)內(nèi)基于重力加速度原理波浪浮標(biāo)技術(shù)逐漸成熟、完善,測(cè)量要素從波高、波周期擴(kuò)展到波向，與國(guó)際先進(jìn)水平的差距愈來(lái)愈小?；谥亓铀俣仍聿ɡ烁?biāo)已經(jīng)形成小批量生產(chǎn)能力,產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高?；谥亓铀俣仍聿ɡ烁∨c基于GPS技術(shù)的波浪浮標(biāo)之間有共通之處，兩種波浪浮標(biāo)的測(cè)波方法原理之間是相通的，可以由傅里葉變換得出相應(yīng)關(guān)系。我國(guó)在以后的浮標(biāo)研究中，可以在已成熟掌握的基于重力加速度原理波浪浮標(biāo)的基礎(chǔ)上，使兩者融會(huì)貫通，有所突破。參考文獻(xiàn)[1]GB/T14914-2006.海濱觀測(cè)規(guī)范[S].[2]楮同金，曹恒永，王軍成，等.中國(guó)海洋資料浮標(biāo)[M].北京：海洋出版社，2001.[3]DEVRIESJJ，WALDRONJ，CUNNINGHAMV.FieldtestsofthenewDatawellDWR?GGPSwavebuoy[J].SeaTechnolo?gy，2003（12）：101?103.[4]HARALDE，STEPHENF，ERIKS，etal.Somerecentdevelop?mentsinwavebuoymeasurementtechnology[J].CoastalEngi?neering，1999，37：309?329.[5]SERRANOI，KIMD，LANGLEYRB.AGPSvelocitysensor：howaccuratecanitbeafirstlook[C]//Proceedingsof2004IONNTM.SanDiego，USA：[s.n.]，2004：111?121.[6]張騫丹，田紅心.GPS系統(tǒng)多普勒頻移估算的研究[J].無(wú)線電工程，2007，37（4）：24?26.[7]王甫紅，張小紅，黃勁松.GPS單點(diǎn)測(cè)速的誤差分析及精度評(píng)價(jià)[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)：信息科學(xué)版，2007，32（6）：51