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。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）：51