波浪浮標測波方法比較

唐原廣+康倩

摘 要： 波浪浮標是一種無人值守，自動檢測的常用的海洋監(jiān)測設備。在介紹國內(nèi)外波浪浮標研究使用現(xiàn)狀的基礎上，對比分析了基于加速度傳感器和GPS傳感器的兩種波浪浮標的共同點和不同點。

關鍵詞： 波浪浮標； GPS； 加速度傳感器； 海洋監(jiān)測設備

中圖分類號： TN911.7?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）15?0121?02

Comparison between two wave measurement methods for wave buoy

TANG Yuan?guang， KANG Qian

（School of Engineering， Ocean University of China， Qingdao 266100， China）

Abstract： Wave buoy is a unmanned， automatic and common marine monitoring equipment. The research and application status of wave buoys made in China and other countries is introduced in this paper. The similarities and differences of two wave buoys respectively based on accelerometer sensor and GPS sensor were analyzed.This paper compared two methods of and differences.

Keywords： wave buoy； GPS； ccelerometer sensor； marine monitoring equipment

0 引 言

在海洋工程建設、海洋災害預防、航海安全等領域中，海浪是最重要且最復雜的一種海洋氣象要素。隨著我國綜合國力和國際地位的提升，海洋監(jiān)測發(fā)揮越來越重要的作用。我國自古以來就是海洋大國，海岸線長達18 000余公里。通過研究和開發(fā)海洋來發(fā)展必然是我國不斷提升國際地位的必走之路[1]。我國的大部分海洋監(jiān)測站脫離了人工觀測已具備了海洋監(jiān)測能力，但是使用的海洋監(jiān)測設備大部分是進口的。

波浪浮標是一種小型浮標測量系統(tǒng)，無人值守，可以長期、自動、定點、定時、全天候的對海浪高度、波浪傳播方向、波浪周期、功率譜和方向譜等水文要素進行遙測[2]。波浪浮標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，因此浮標經(jīng)常被海洋工作者們比喻成為“海洋自動觀測站”[2]。廣泛使用和研發(fā)波浪浮標的國家有美國、英國、荷蘭等。荷蘭Datawell公司的波浪騎士波浪浮標[3]，Directional Waverider buoy（DWR）即Datawell DWR?MkⅢ。在多傳感器的系統(tǒng)中，由于不同的傳感器特征不同，將時間上和空間上的信息按照某種優(yōu)化算法組合起來，可以獲得更多有效的信息。本文探討了基于GPS技術的波浪浮標和基于加速度傳感器的波浪浮標的基本原理與性能，介紹了GPS接收機使用的多普勒方法，在此基礎上針對基于不同傳感器的波浪浮標進行研究，便于在以后的浮標設計中對我國自產(chǎn)浮標進行設計。

1 波浪浮標測波方法

早期的波浪觀測方法是目測法，用目視直接觀測波浪波高、周期等信息。隨著測量技術的進步和觀測儀器的發(fā)明，波浪觀測逐漸進入了一個新的階段。目前常見的波浪觀測儀器有資料浮標、水壓式波浪計、重力式測波儀、遙感測波儀以及聲學式測波儀等。其中，重力式測波儀是目前較通用的一種測波儀器，在我國也是使用最多的一種測波儀器。各種不同的測波儀器都是依據(jù)不同的原理制作而成，都有其自身的局限性，如目測法和光學式手段帶有較強的主觀性，對觀測人員要求較高，不能滿足惡劣天氣及夜間觀測的要求；重力式、水壓式、聲學式測波儀價格昂貴，使用條件較為苛刻。國際上經(jīng)常使用的波浪浮標大多是基于加速度傳感器[4]。還有部分波浪浮標是基于GPS傳感器，簡稱為GPS浮標。

1.1 基于加速度傳感器的波浪浮標測波方法

現(xiàn)行的基于加速度傳感器的浮標測波方法有兩種，一種是基于三軸加速度傳感器，可以測量浮標隨波運動的三軸運動的加速度和三軸旋轉(zhuǎn)（航向角、俯仰角和橫滾角），進而估算出海洋參數(shù)。另一種是基于重力傳感器。

基于加速度傳感器的波浪浮標測波方法進行測量波浪時，浮標伴隨著海面的變化作相應的運動，即代表了水質(zhì)點的運動狀態(tài)，結(jié)果計算輸出一個加速度信號。離散的加速度信號由采集電路采集得到，即通過一定采樣率采集得到一系列豎直加速度值來得出波高，波周期，功率譜等數(shù)據(jù)。

1.2 GPS波浪浮標測波方法

GPS提供全天候測量，測量所得三維數(shù)據(jù)具有較高精度?，F(xiàn)行的波浪浮標有單點GPS，差分GPS，實時動態(tài)GPS等多種。荷蘭Datawell公司出產(chǎn)的差分GPS浮標只含一個GPS傳感器，體積較小，成本低，內(nèi)部沒有移動部件，更加輕便，獲得的數(shù)據(jù)質(zhì)量也更精確[3]。GPS浮標的核心就是GPS接收機。在2000年之前，GPS接收機精確度只能達到分米每秒。2000年5月之后，美國政府取消了選擇可用性干擾，價格較低的GPS接收機的精確度也可以達到厘米每秒量級，可以獲得較高精度的測量結(jié)果，GPS浮標的使用更加普遍[5?7]。武漢大學的程世來、張小紅等探討了使用精密單點定位技術，并用Trip軟件對浮標數(shù)據(jù)進行調(diào)整計算，從而為預警海嘯提供了極具可行性的新方法[8]。中國臺灣成功大學的邱冠維提出了對精密單點定位技術進行研究，而且把結(jié)果與差分GPS觀測結(jié)果，岸站數(shù)據(jù)進行分析比較，證明了該方法的可行性[9]。

因為GPS接收機與衛(wèi)星做相對運動，使GPS接收機接收到的頻率與衛(wèi)星信號發(fā)射器信號頻率不相同，產(chǎn)生了多普勒效應。GPS浮標使用多個衛(wèi)星接收GPS信號，將接收機發(fā)射的數(shù)據(jù)進行調(diào)整后發(fā)送到數(shù)據(jù)控制中心。數(shù)據(jù)控制中心通過計算處理得出收發(fā)機的三維位置，各個水質(zhì)點的瞬時速度，多普勒原理得出頻率變量，計算得出各種海浪參數(shù)，從而達到海洋監(jiān)測的目的。

2 兩種波浪浮標的比較

加速度波浪浮標可以適用于海浪任何高度范圍，浮標本體發(fā)生旋轉(zhuǎn)也不會影響其測量結(jié)果，而GPS浮標在海浪較高時使用信號不穩(wěn)定，不能接收足夠多的衛(wèi)星信號。加速度波浪浮標在數(shù)據(jù)的安全性上比GPS浮標要好很多，其數(shù)據(jù)結(jié)果不容易被國外機構竊取。

加速度波浪浮標很容易受到金屬的干擾，因為內(nèi)部由電子羅盤定位，而GPS不會受到金屬的干擾。GPS浮標的內(nèi)在就是高性能的GPS接收機，它所占體積很小，荷蘭“波浪騎士”浮標直徑只需40 cm，而加速度波浪浮標所需傳感器較多，體積較大，成本較高。

3 結(jié) 語

兩種波浪浮標之間有共通之處，也有相似點和不同點[10]。兩種波浪浮標的測波方法雖然不盡相同，但是原理之間是相通的，可以由傅里葉變換得出相關關系。在以后的浮標研究中如果可以使兩者融會貫通，取長補短，便于在以后的浮標設計中對我國自產(chǎn)浮標進行設計。

參考文獻

[1] 楮同金，曹恒永，王軍成，等.中國海洋資料浮標[M].北京：海洋出版社，2001.

[2] 王金平.SZF型波浪浮標數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理軟件設計[D].青島：中國海洋大學，2008.

[3] DE VRIES J J， WALDRON J， CUNNINGHAM V. Field tests of the new Datawell DWR?G GPS wave buoy [J]. Sea Technology， 2003（12）： 101?103.

[4] HARALD E， STEPHEN F， ERIK S， et al. Some recent developments in wave buoy measurement technology [J]. Coastal Engineering， 1999， 37： 309?329.

[5] SERRANO I， KIM D， LANGLEY R B. AGPS velocity sensor： how accurate can it be a first look [C]// Proceedings of 2004 IONNTM. San Diego， USA： [s.n.]， 2004： 111?121.

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[7] 王甫紅，張小紅，黃勁松.GPS單點測速的誤差分析及精度評價[J].武漢大學學報：信息科學版，2007，32（6）：515? 519.

[8] 程世來，張小紅.基于PPP技術的GPS浮標海嘯預警模擬研究[J].武漢大學學報：信息科學版，2007，32（9）：764?766.

[9] 邱冠維.利用精密單點定位進行GPS浮標近即時精密定位[D].中國臺南：國立成功大學，2009.

[10] 劉國棟.波浪浮標數(shù)據(jù)處理方法[D].天津：天津大學，2011.