海洋水文要素传感技术

海洋水文要素传感技术——波浪浮标姓名：王志光学号：21140911022摘要：波浪浮标是一种无人值守的能自动、定点、定时（或连续）地对海面波浪的高度、波浪周期及波浪传播方向等要素进行遥测的小型浮标测量系统。本文在介绍国内外波浪浮标研究使用现状的基础上，重点介绍基于加速度传感器和基于GPS传感器的波浪浮标。关键词：波浪浮标；加速度传感器；GPS传感器引言海浪是发生在海洋中的一种波动，是海水运动的主要形式之一。海浪形成的主要原因是由于海洋水体受外力作用时，水质点离开平衡位置而往复运动，并向一定的方向传播，此种运动称为波动。海浪是主要包括风浪、涌浪和近岸浪，其周期一般界于1～20秒之间。根据现行的《海滨观测规范》（GB/T14914-2006）规定[1]，海浪的主要的观测要素是波高、周期、波型、波向和海况。在海洋工程建设、海洋灾害预防、航海安全等领域中，海浪是最重要且最复杂的一种海洋气象要素。随着我国综合国力和国际地位的提升，海洋监测发挥越来越重要的作用。我国自古以来就是海洋大国，海岸线长达18000余公里。通过研究和开发海洋来发展必然是我国不断提升国际地位的必走之路[2]。波浪浮标是一种小型浮标测量系统，无人值守，可以长期、自动、定点、定时、全天候的对海浪高度、波浪传播方向、波浪周期、功率谱和方向谱等水文要素进行遥测。波浪浮标在海洋的任何气象和海域情况下都可以采集海洋环境不同的水文要素信息，因此浮标经常被海洋工作者们比喻成为“海洋自动观测站”[3]。国内外发展现状及趋势广泛使用和研发波浪浮标的国家有美国、加拿大、荷兰、中国等。荷兰Datawell公司的波浪骑士波浪方向浮标[4]；美国的956型及其改良型1156型波浪跟踪浮标；加拿大AXYS公司的波浪方向浮标TRIAXYS™等。在多传感器的波浪浮标系统中，由于不同的传感器特征不同，将时间上和空间上的信息按照某种优化算法组合起来，可以获得更多有效的波浪信息。应用较为广泛的是基于GPS技术的波浪浮标和基于加速度传感器的波浪浮标。其中基于加速度传感器的波浪浮标又可以分为两种类型，一种是基于三轴加速度传感器，可以测量浮标随波运动的三轴运动的加速度和三轴旋转（航向角、俯仰角和横滚角），进而估算出海洋参数。另一种是基于重力传感器。第一类基于加速度传感器的波浪浮标，以加拿大著名的浮标生产厂家AXYS公司生产TRIAXYS™波浪浮标为代表，它使用1000G防震固态传感器，内有三个加速度计、三个角速度计、一个罗盘，使用同加拿大国家研究委员会联合开发的专利软件，精确的对波浪进行各种数据计算和统计。由于是采用固态传感器，因此波浪浮标具有可自由旋转和抗低温的性能。它使用太阳能板给蓄电池充电的供电方式，4到5年内，不必更换电池，节省了大量人力物力。采用最新专利的标体材料，抗撞击和抗刺穿能力强。天线、防撞灯及红外接口位于透明聚碳酸酯圆顶内部，避免了被损坏的情况。不需要打开标体的情况下，可以直接使用红外接口对浮标进行设置。可以测得波浪范围为:±20m；涌浪精确度:优于2%；涌浪分辨率:1cm；涌浪周期：1.6到33秒。并且配备先进的波浪分析软件，可以分析波高、波向、波浪周期进行的波浪波谱分析、波浪能量分析、跨零点统计分析等。它是世界上最先进的测量波浪的工具之一。第二类基于加速度传感器的波浪浮标，以波浪骑士MKIII型测波浮标为代表，它基于已被充分证明的精确的稳定平台传感器，采用一个加速度计即可测量波高。在波向方面，可以直接测量纵横摇而不需要积分。结合了水平加速度计和罗经后，构成了完整的传感器单元核心部分。可以测得的波高范围：-20m~+20m；分辨率：0.01m；精度：定标后小于测量值的0.5%；3年后小于测量值的1.0%；周期：1.6s~30s。可以测得波的向范围：0°~360°；分辨率：1.4°；浮标艏向误差：0.4°~2°（与纬度有关），典型0.5°；周期：1.6s~30s。波浪骑士是波高和波向测量的世界标准。基于GPS技术的波浪浮标有单点GPS，差分GPS，实时动态GPS等多种。GPS波浪浮标测波方法GPS提供全天候测量，测量所得三维数据具有较高精度。荷兰Datawell公司出产的差分GPS浮标只含一个GPS传感器，体积较小，成本低，内部没有移动部件，更加轻便，获得的数据质量也更精确[3]。GPS浮标的核心就是GPS接收机。在2000年之前，GPS接收机精确度只能达到分米每秒。2000年5月之后，美国政府取消了选择可用性干扰，价格较低的GPS接收机的精确度也可以达到厘米每秒量级，可以获得较高精度的测量结果，GPS浮标的使用更加普遍[5⁃7]。武汉大学的程世来、张小红等探讨了使用精密单点定位技术，并用Trip软件对浮标数据进行调整计算，从而为预警海啸提供了极具可行性的新方法[8]。中国台湾成功大学的邱冠维提出了对精密单点定位技术进行研究，而且把结果与差分GPS观测结果，岸站数据进行分析比较，证明了该方法的可行性[9]。因为GPS接收机与卫星做相对运动，使GPS接收机接收到的频率与卫星信号发射器信号频率不相同，产生了多普勒效应。GPS浮标使用多个卫星接收GPS信号，将接收机发射的数据进行调整后发送到数据控制中心。数据控制中心通过计算处理得出收发机的三维位置，各个水质点的瞬时速度，多普勒原理得出频率变量，计算得出各种海浪参数，从而达到海洋监测的目的。国内由中国海洋大学生产的SZF型波浪浮标是经过国家863计划海洋监测技术成果标准化工程项目“波浪方向浮标”课题的实施、定型和生产的新一代波浪浮标。它已经拓开了海洋仪器产品的国内市场，打破了国外进口波浪浮标一统天下的局面。目前，波浪浮标已在国内70多家单位应用推广。它是一种基于加速度传感器的波浪浮标，主要技术指标：波浪高度测量范围0.3～20m，系统测量准确度±（0.3+5%×测量值）m；方位测量范围0～360°，系统测量准确度±2°；波浪方向测量范围0～360°，系统测量准确度±10°；波浪周期测量范围3～20s，系统测量准确度±0.5s。SZF型波浪浮标的整体技术水平达到了国际先进水平，填补了我国测波浮标的空白，是我国海洋技术领域少数几个能真正实现国产化的海洋高新技术产品。综上所述，加速度波浪浮标可以适用于海浪任何高度范围，浮标本体发生旋转也不会影响其测量结果，而GPS浮标在海浪较高时使用信号不稳定，不能接收足够多的卫星信号。加速度波浪浮标在数据的安全性上比GPS浮标要好很多，其数据结果不容易被国外机构窃取。加速度波浪浮标很容易受到金属的干扰，因为内部由电子罗盘定位，而GPS不会受到金属的干扰。GPS浮标的内在就是高性能的GPS接收机，它所占体积很小，荷兰“波浪骑士”浮标直径只需40cm，而加速度波浪浮标所需传感器较多，体积较大，成本较高。代表研究单位主要研究成果介绍荷兰Datawell公司：波浪骑士MKIII型方向浮标，波浪骑士差分GPS浮标等。加拿大AXYS公司：TRIAXYS™型波浪方向浮标等。中国海洋大学：SZF型波浪浮标等。山东省科学院海洋仪器仪表研究所：SBF3-1型测波浮等。结论国内基于重力加速度原理波浪浮标技术逐渐成熟、完善,测量要素从波高、波周期扩展到波向，与国际先进水平的差距愈来愈小。基于重力加速度原理波浪浮标已经形成小批量生产能力,产品质量不断提高。基于重力加速度原理波浪浮与基于GPS技术的波浪浮标之间有共通之处，两种波浪浮标的测波方法原理之间是相通的，可以由傅里叶变换得出相应关系。我国在以后的浮标研究中，可以在已成熟掌握的基于重力加速度原理波浪浮标的基础上，使两者融会贯通，有所突破。参考文献[1]GB/T14914-2006.海滨观测规范[S].[2]楮同金，曹恒永，王军成，等.中国海洋资料浮标[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]张骞丹，田红心.GPS系统多普勒频移估算的研究[J].无线电工程，2007，37（4）：24⁃26.[7]王甫红，张小红，黄劲松.GPS单点测速的误差分析及精度评价[J].武汉大学学报：信息科学版，2007，32（6）：515⁃519.[8]程世来，张小红.基于PPP技术的GPS浮标海啸预警模拟研究[J].武汉大学学报：信息科学版，2007，32（9）：764⁃766.[9]邱冠维.利用精密单点定位进行GPS浮标近即时精密定位[D].中国台南：国立成功大学，2009.