五波束ADCP測(cè)波浪的現(xiàn)場(chǎng)比測(cè)實(shí)驗(yàn)

饒 亮，張兆偉，張向軍*，王長(zhǎng)紅

（1.中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所海洋聲學(xué)技術(shù)中心，北京 100190；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049；3.北京市海洋聲學(xué)裝備工程技術(shù)研究中心，北京 100190）

聲學(xué)多普勒流速剖面儀（Acoustic Doppler Current Profiler，ADCP）作為一類(lèi)重要聲學(xué)海洋觀測(cè)設(shè)備，一直以來(lái)被廣泛應(yīng)用，僅配置有3個(gè)或4個(gè)傾斜波束的傳統(tǒng)ADCP，增加中間豎直波束配置后，形成“N+1”模式波束配置的ADCP，兼具聲學(xué)海表面跟蹤技術(shù)測(cè)量海表起伏、聲學(xué)多普勒測(cè)流技術(shù)測(cè)量水體沿各波束方向速度和內(nèi)置壓力傳感器測(cè)量水體靜壓力等三方面觀測(cè)能力，成為一種新型聲學(xué)集成式的潮浪流湍一體化測(cè)量?jī)x器，在海洋全水文要素的時(shí)間、空間觀測(cè)中被廣泛研究和應(yīng)用。“1豎直+4傾斜”波束配置的五波束波浪海流一體測(cè)量ADCP具有布放簡(jiǎn)單、觀測(cè)連續(xù)性較好和豎直剖面時(shí)間序列觀測(cè)能力等優(yōu)勢(shì)，充分結(jié)合了中間波束表面跟蹤能力好、中心對(duì)稱(chēng)正交的傾斜波束流速測(cè)點(diǎn)在海表投影陣列孔徑小、測(cè)量導(dǎo)向矢量豐富，以及壓力傳感器測(cè)靜壓提供校驗(yàn)信息等優(yōu)點(diǎn)。

傳統(tǒng)的波浪觀測(cè)設(shè)備的檢定，如重力加速度式測(cè)波浮標(biāo)，使用模擬波浪運(yùn)動(dòng)的雙環(huán)桁架結(jié)構(gòu)檢測(cè)裝置進(jìn)行浮標(biāo)內(nèi)重力傳感器的自校準(zhǔn)或互校準(zhǔn)。而聲學(xué)測(cè)波浪設(shè)備目前無(wú)法直接進(jìn)行檢定和校準(zhǔn)，通常先對(duì)聲學(xué)多普勒測(cè)速精度、聲學(xué)海表面跟蹤測(cè)距精度、電子羅盤(pán)和姿態(tài)傳感器進(jìn)行檢定，以確定聲學(xué)測(cè)波浪原始數(shù)據(jù)的精確度，然后進(jìn)行同類(lèi)或同種不同類(lèi)測(cè)波儀器的同位觀測(cè)對(duì)比，分析待檢設(shè)備測(cè)波浪結(jié)果的誤差上下限、變化趨勢(shì)、序列相關(guān)性等檢驗(yàn)指標(biāo)。

1 ADCP觀測(cè)波浪背景與發(fā)展

1.1 五波束ADCP測(cè)波浪應(yīng)用的興起與優(yōu)勢(shì)

海洋波浪觀測(cè)技術(shù)自20世紀(jì)中葉起受到海洋學(xué)家和海岸觀測(cè)業(yè)務(wù)部門(mén)關(guān)注，不斷發(fā)展至今，各類(lèi)波浪觀測(cè)方法和儀器陸續(xù)被發(fā)明和使用，按工作原理分為視距式、測(cè)波桿式、壓力式、聲學(xué)式、重力式和遙感式等，按布放位置分為水下、水面、水上和太空四種觀測(cè)方式[1]。聲學(xué)集成式測(cè)波技術(shù)，結(jié)合了水下聲學(xué)海表面跟蹤測(cè)量波面起伏、壓力計(jì)測(cè)量水靜壓變化和聲學(xué)多普勒測(cè)量波致水體往復(fù)流速度等3種方式，是目前波浪觀測(cè)水下測(cè)波法中較為先進(jìn)和常用的一種方式[2]，使用此類(lèi)技術(shù)的儀器如挪威Nortek的AWAC（Acoustic Wave and Current）和 美 國(guó)TRDI（Teledyne RD Instruments）公司生產(chǎn)的波浪模塊聲學(xué)多普勒海流剖面儀。聲學(xué)集成式測(cè)波方法進(jìn)行波浪精確測(cè)量，可較為準(zhǔn)確地獲得波浪功率譜和方向譜[3]，并且由于采用水下平臺(tái)或是海底布放方式，避免了海面大風(fēng)浪或船舶航行對(duì)觀測(cè)系統(tǒng)的破壞，具有測(cè)量準(zhǔn)確度高、收放維護(hù)操作簡(jiǎn)單、環(huán)境影響低、觀測(cè)連續(xù)性好的特點(diǎn)[4]。波浪海流一體測(cè)量的五波束ADCP作為一類(lèi)重要的水下聲學(xué)（集成/綜合）海洋波浪測(cè)量?jī)x器，逐漸在近岸監(jiān)測(cè)和淺海水域水下觀測(cè)系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。

2007年，黃雄飛等[5]分析了深度誤差與波束傾角、波束寬度的關(guān)系，針對(duì)不同波束配置ADCP進(jìn)行性能分析和對(duì)比，論證了四波束配制的基礎(chǔ)上增加一個(gè)垂直向下的波束配置型ADCP，能有效測(cè)量除流場(chǎng)平均速度以外的其他特性，適用于精確測(cè)量流場(chǎng)擾動(dòng)和內(nèi)波等多種特性研究應(yīng)用。2016年，BOUFERROUK A等[6]檢驗(yàn)了傳統(tǒng)的4個(gè)傾斜波束ADCP額外加裝1個(gè)豎直波束測(cè)量海洋表面波浪的性能，通過(guò)同位布放的五波束ADCP和波浪浮標(biāo)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量對(duì)比了兩種測(cè)波設(shè)備的波譜參數(shù)、高頻低頻敏感性和測(cè)量數(shù)據(jù)噪聲水平，論證了傳統(tǒng)ADCP增加中間波束構(gòu)成“1豎直+4傾斜”波束配置時(shí)，在測(cè)波浪應(yīng)用中，不僅原始數(shù)據(jù)質(zhì)量（低噪聲、高分辨率）獲得提升，而且在空間奈奎斯特限制下五波束ADCP測(cè)波陣列孔徑更小、同布放深度下高頻短波方向譜估計(jì)準(zhǔn)確度更高等方面凸顯優(yōu)勢(shì)。

1.2 五波束ADCP波浪方向譜估計(jì)原理

ADCP測(cè)量波浪是使用陣列法進(jìn)行波浪方向譜反演，相對(duì)于波浪浮標(biāo)的Triplet（三參量）波浪方向譜估計(jì)方法，陣列法的測(cè)量矢量大小和方向組成豐富，因此在多向、多組分和波譜較寬波浪觀測(cè)方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。ADCP各波束在海表投影形成測(cè)量海表起伏的波高測(cè)點(diǎn)，以及ADCP各波束在次表層水體中多層測(cè)流單元形成的波生往復(fù)流流速測(cè)點(diǎn)，共同形成了ADCP在海表波浪場(chǎng)的空間測(cè)量陣列，ADCP波浪測(cè)量空間測(cè)點(diǎn)陣列示意圖如圖1所示。

圖1 五波束ADCP測(cè)波浪空間采樣陣列示意圖

ADCP可在波浪場(chǎng)中獲取空間陣列多個(gè)測(cè)點(diǎn)位置的波高或流速觀測(cè)值，即各個(gè)測(cè)點(diǎn)上物理量觀測(cè)時(shí)間序列。利用單個(gè)測(cè)點(diǎn)時(shí)間序列提取的自信息/自譜，利用不同測(cè)點(diǎn)間的互信息/互譜，構(gòu)成測(cè)量陣列的交叉譜矩陣。最后，使用測(cè)點(diǎn)陣列導(dǎo)向矢量矩陣、流速—波面起伏傳遞函數(shù)和測(cè)量數(shù)據(jù)交叉譜矩陣，選用不同估計(jì)算法估計(jì)波浪方向譜。陣列法的方向譜估計(jì)算法主要包括迭代最大似然法（IMLM）、最大熵法（MEM）、貝葉斯方向估計(jì)法（BDM）及它們擴(kuò)展方法如本征矢量法（EEV）和擴(kuò)展最大熵法（EMEP）。2012年李晨等[3]和2015年DONELAN M等[7]對(duì)比了各種方法在海表波浪方向譜反演方面的性能。

2 ADCP測(cè)波浪的同類(lèi)儀器比測(cè)研究意義

ADCP觀測(cè)波浪對(duì)比測(cè)試研究主要包括同種不同類(lèi)儀器的比測(cè)校驗(yàn)和同類(lèi)儀器的相互比測(cè)[8]。2004年，HOITINK A等[9]通過(guò)Nortek公司AWAC（“浪龍”）和RDI公司ADCP進(jìn)行測(cè)波浪對(duì)比實(shí)驗(yàn)，對(duì)近岸ADCP測(cè)波能力評(píng)估，并在后續(xù)研究中，證實(shí)ADCP和浮標(biāo)測(cè)量得到海表重力波高度譜具有良好一致性[10]。2005年，SHIH H H等[11]比較了4種測(cè)波儀器的數(shù)據(jù)質(zhì)量和觀測(cè)結(jié)果，針對(duì)Triaxys波浪浮標(biāo)與ADCP、測(cè)波陣列的測(cè)波結(jié)果進(jìn)行比對(duì)。2008年，WORK P A[12]開(kāi)展了近岸的波浪浮標(biāo)和ADCP測(cè)波浪對(duì)比研究。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者也開(kāi)展了ADCP測(cè)波浪性能分析方面的對(duì)比實(shí)驗(yàn)和研究。2015年，章家保等[13]總結(jié)了當(dāng)前海洋波浪測(cè)量技術(shù)特點(diǎn)并結(jié)合實(shí)測(cè)分析。2017年，黃駿等[14]進(jìn)行了浮標(biāo)和ADCP的比測(cè)實(shí)驗(yàn)研究。2017年，周慶偉等[15]對(duì)測(cè)波浮標(biāo)、AWAC聲學(xué)海流/波浪測(cè)量?jī)x和TWR-2050 壓力式波潮儀等3種測(cè)波設(shè)備的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。目前國(guó)內(nèi)在ADCP測(cè)波浪比測(cè)研究方面缺乏同類(lèi)聲學(xué)測(cè)波浪設(shè)備的對(duì)比研究，本文將側(cè)重于同類(lèi)綜合聲學(xué)測(cè)波設(shè)備的比測(cè)方法研究和性能指標(biāo)分析，對(duì)國(guó)產(chǎn)五波束IOA Wave ADCP與同種同類(lèi)國(guó)外設(shè)備RDI公司Sentinel V ADCP的同位觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

在同種不同型號(hào)測(cè)量?jī)x器測(cè)波結(jié)果對(duì)比時(shí)，由于各個(gè)儀器采集數(shù)據(jù)集合、采樣策略和波浪分析后處理程序不完全相同，波浪觀測(cè)結(jié)果中非方向性結(jié)果一般包括波譜/功率譜分析和跨零法統(tǒng)計(jì)分析兩種形式，方向性結(jié)果為頻率方向譜/方向譜分析。觀測(cè)結(jié)果的整體對(duì)比，即采用譜特征參數(shù)結(jié)果序列進(jìn)行相關(guān)性對(duì)比，來(lái)說(shuō)明參數(shù)結(jié)果的變化趨勢(shì)和離散度。觀測(cè)結(jié)果的單組次對(duì)比，即直接對(duì)比同時(shí)段單組次的波譜和方向譜等，計(jì)算譜偏度和譜對(duì)比均方誤差。

3 現(xiàn)場(chǎng)比測(cè)實(shí)驗(yàn)與儀器

五波束ADCP測(cè)波浪現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比測(cè)試實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行了2次，分別于2019年12月25日至31日和2020年9月17日至10月1日，參試設(shè)備為中科院聲學(xué)所600 kHz IOA Wave型ADCP和美國(guó)TRDI公司Sentinel V型ADCP，兩臺(tái)設(shè)備為相距約100 m準(zhǔn)同位“坐底上看式”布放，開(kāi)始工作時(shí)間和觀測(cè)周期配置相同。采用雙環(huán)衡平式設(shè)計(jì)的坐底支架上安裝IOA Wave WM600 ADCP，實(shí)物圖如圖2所示。兩次比測(cè)實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)儀器布放海域?yàn)樯綎|省威海附近同一海域（經(jīng)緯度為37°35′33.78″N，122°04′24.17″E），坐底布放水深約29～31 m，采用坐底架裝配“浮筒+釋放器”方式進(jìn)行布放回收方案，實(shí)施實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)位于國(guó)家海洋技術(shù)中心建設(shè)的威海市褚島以北的國(guó)家淺海海洋綜合試驗(yàn)場(chǎng)水域。兩次比測(cè)實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)選取在試驗(yàn)場(chǎng)北部，遠(yuǎn)離海岸和島嶼，布放點(diǎn)取在海底較為平坦區(qū)域。

圖2 雙環(huán)衡平式坐底支架安裝IOA Wave WM600 ADCP 實(shí)物圖

依據(jù)《規(guī)范化海上試驗(yàn)管理規(guī)程》中同類(lèi)同種儀器的比測(cè)研究方法[16]，開(kāi)展了比測(cè)實(shí)驗(yàn)，以國(guó)外同類(lèi)型波浪ADCP儀器（RDI Sentinel V ADCP）做參考，與國(guó)產(chǎn)波浪測(cè)量ADCP（IOA Wave ADCP）進(jìn)行坐底式比測(cè)試驗(yàn)。為了避免2臺(tái)設(shè)備同時(shí)工作時(shí)互相干擾，同時(shí)保證ADCP以盡可能高的采樣率采樣，將2臺(tái)設(shè)備分別安裝在不同的坐底支架上，根據(jù)具體水深確定ADCP不會(huì)互相干擾的最小距離。實(shí)驗(yàn)前經(jīng)過(guò)復(fù)機(jī)檢測(cè)和同步時(shí)鐘等操作，對(duì)兩型設(shè)備配置如表1。由于沒(méi)有更加相近的同頻五波束ADCP同類(lèi)設(shè)備，因此選用中心頻率為500 kHz的TRDI Sentinel V S50與IOA Wave WM600進(jìn)行比測(cè)研究。

表1 兩型設(shè)備性能指標(biāo)和測(cè)波模式配置表

處理方法方面，IOA Wave WM600 ADCP波浪數(shù)據(jù)處理中，采用波高流速聯(lián)合法，波高和流速數(shù)據(jù)同步分時(shí)采樣，將原始數(shù)據(jù)測(cè)點(diǎn)作為一個(gè)小時(shí)延空間時(shí)間復(fù)合陣列，進(jìn)行陣列法波浪方向譜反演，估計(jì)方法使用迭代最大似然方法（IMLM），基本原理表達(dá)式見(jiàn)式（1）。

TRDT Sentinel V S50 波浪數(shù)據(jù)處理中，采用后處理軟件Velocity內(nèi)嵌算法SVP，即按照聲學(xué)表面跟蹤測(cè)波高（Surface Track）、波生軌跡流速（Velocity）、壓力（Pressure）等3類(lèi)數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)遞減順序，使用進(jìn)行波譜和方向譜估計(jì)，其中方向譜估計(jì)方法使用迭代最大似然方法（IMLM），最后，使用波譜計(jì)算有效波高HS和譜峰周期TP，使用方向譜估計(jì)結(jié)果得到譜峰方向DP。

4 兩型ADCP測(cè)波浪對(duì)比測(cè)試實(shí)驗(yàn)

4.1 主要比測(cè)參數(shù)和方向固有偏差相對(duì)值估計(jì)

兩型ADCP測(cè)波浪對(duì)比測(cè)試實(shí)驗(yàn)的測(cè)波浪結(jié)果比對(duì)中，主要包括方向性參數(shù)和非方向性參數(shù)的對(duì)比測(cè)試。對(duì)于非方向性參數(shù)結(jié)果，采用有效波高HS（描述波浪起伏平均強(qiáng)度）和譜峰周期TP（描述起伏強(qiáng)度最強(qiáng)的波動(dòng)周期）兩項(xiàng)結(jié)果參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性對(duì)比分析；對(duì)于非方向性參數(shù)結(jié)果，采用譜峰方向DP（描述波浪主要能量來(lái)波方向）進(jìn)行分析。

由于兩型觀測(cè)儀器在數(shù)據(jù)后處理中調(diào)控參數(shù)不是完全相同，而且由于內(nèi)部羅經(jīng)的磁偏角修正值差異和安裝偏角差異導(dǎo)致艏向測(cè)量存在固定偏差，因此使用長(zhǎng)時(shí)平均的流剖面的方向作為聯(lián)系，進(jìn)行兩設(shè)備艏向角的固定偏差的相對(duì)值估計(jì)，即背景流方向作為兩設(shè)備坐標(biāo)系的一致參考方向，估計(jì)兩設(shè)備羅經(jīng)固定偏角的差值。兩設(shè)備羅經(jīng)固定偏角的相對(duì)值，不影響方向結(jié)果DP的相關(guān)性系數(shù)分析，但是會(huì)影響單組次方向譜對(duì)比。圖3為兩設(shè)備坐標(biāo)系與背景流關(guān)系示意圖。

圖3 兩設(shè)備坐標(biāo)系與背景流關(guān)系示意圖

每測(cè)量組次的背景海流測(cè)量是組次內(nèi)多幀流速剖面測(cè)量結(jié)果的平均值，測(cè)得的流速方向?yàn)樵O(shè)備坐標(biāo)系下的艏向到流向的夾角（逆時(shí)針為正），設(shè)備艏向方位角為地理北向到艏向的夾角（順時(shí)針為正），設(shè)備艏向方位角減去設(shè)備坐標(biāo)系下流速方向，得到地理坐標(biāo)系下背景海流方向?？紤]設(shè)備艏向測(cè)量值的偏差，兩設(shè)備坐標(biāo)系通過(guò)背景海流作為參考建立聯(lián)系，關(guān)系式表達(dá)為：

式中，BG為地理坐標(biāo)系下背景海流方向；H1和H2分別為兩設(shè)備艏向測(cè)量值；e1和e2分別為兩設(shè)備艏向測(cè)量值偏差；1θ和 2θ分別為兩設(shè)備測(cè)量在各自設(shè)備坐標(biāo)系背景流方向測(cè)量值。

4.2 第一次比測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

第一次比測(cè)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)時(shí)段為2019年12月25日至31日，觀測(cè)周期為每半個(gè)時(shí)的前20 min進(jìn)行一組觀測(cè)，共獲取了239組結(jié)果。實(shí)驗(yàn)期間的全組次流速剖面中選取中層背景流方向進(jìn)行對(duì)比，如圖4（a）所示。近岸淺水潮流空間變化受水深變化和地形影響，選取背景流幅值大于0.3 m/s組次（共108組）的背景流方向結(jié)果序列，如圖4（b）所示。對(duì)兩儀器固有偏差的相對(duì)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均，得到第一次比測(cè)實(shí)驗(yàn)中兩設(shè)備羅經(jīng)固有偏差的相對(duì)值為 9.3°。

圖4 兩型設(shè)備輸出背景流方向?qū)Ρ?第一次實(shí)驗(yàn))

第一次試驗(yàn)的波浪反演結(jié)果序列對(duì)比圖見(jiàn)圖5。序列統(tǒng)計(jì)表明試驗(yàn)時(shí)間段內(nèi)，布放點(diǎn)波浪特征觀測(cè)結(jié)果：（1）有效波高HS，IOA觀測(cè)值為0.13～2.83 m，RDI觀測(cè)值為0.12～3.05 m，波浪浮標(biāo)結(jié)果為有效波高HS與ADCP測(cè)波結(jié)果一致性很好；（2）譜峰周期TP，IOA觀測(cè)值為2.9～7.72 s，RDI觀測(cè)值為2.6～7.5 s；波浪浮標(biāo)結(jié)果為有效波周期TS與ADCP結(jié)果趨勢(shì)一致性較好，數(shù)值上比ADCP結(jié)果略微偏?。唬?）譜峰方向DP，分布范圍為0°～360°，趨勢(shì)對(duì)比中，使用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供的波浪浮標(biāo)波向結(jié)果中主波向Dmain作為參照。由于方向結(jié)果存在360°周期性，為了便于對(duì)兩列DP序列進(jìn)行趨勢(shì)對(duì)比，當(dāng)兩列DP結(jié)果序列相差大于180°、小于180°時(shí)，對(duì)該點(diǎn)IOA Wave ADCP的DP值分別減、加360°。

第一次比測(cè)實(shí)驗(yàn)期間波浪方向主要為北向、東向和東南向，圖6為第一次比測(cè)實(shí)驗(yàn)的兩型設(shè)備的譜峰方向DP結(jié)果對(duì)比散點(diǎn)圖，其中譜峰方向修正序列IOA-DP-rev是IOA-DP序列減去“兩設(shè)備羅經(jīng)固有偏差的相對(duì)值9.3°”。對(duì)散點(diǎn)圖中的奇異點(diǎn)對(duì)應(yīng)組次進(jìn)行單組次分析，認(rèn)為產(chǎn)生奇異點(diǎn)的主要原因是：這些組次的觀測(cè)期間，有效波高較小、波浪數(shù)據(jù)信噪比不高，且存在能量相當(dāng)、頻率相近、方向不同的雙峰波浪，可能與實(shí)驗(yàn)點(diǎn)以北的海底地形有關(guān)。由于RDI Sentinel V傾斜波束傾角更大、豎直波束開(kāi)角較大，相對(duì)于IOA Wave ADCP，RDI Sentinel V測(cè)波浪結(jié)果總體會(huì)表現(xiàn)為低估高頻、上限截止頻率相對(duì)偏低，因此兩型設(shè)備估計(jì)得到方向譜譜峰方向在個(gè)別組次存在明顯差異。

圖6 譜峰方向Dp對(duì)比散點(diǎn)圖(第一次實(shí)驗(yàn))

4.3 第二次比測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

第二次比測(cè)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)時(shí)段為2020年9月17日至10月1日，觀測(cè)周期為每一個(gè)時(shí)的前20 min進(jìn)行一組觀測(cè)，共獲取了332組結(jié)果。實(shí)驗(yàn)期間的全組次流速剖面中選取中層背景流方向進(jìn)行對(duì)比圖，如圖7（a），選取背景流幅值大于0.3 m/s組次（共108組）的背景流方向結(jié)果序列，如圖7（b）對(duì)兩儀器固有偏差的相對(duì)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均，得到第二次比測(cè)實(shí)驗(yàn)中兩設(shè)備羅經(jīng)固有偏差的相對(duì)值為 6.1°。兩次比測(cè)實(shí)驗(yàn)的兩型設(shè)備羅經(jīng)固定偏差相對(duì)值有所差異，原因可能是兩次實(shí)驗(yàn)非連續(xù)進(jìn)行，設(shè)備安裝坐底支架和更換電池等原因改變了磁場(chǎng)干擾。

圖7 兩型設(shè)備輸出背景流方向?qū)Ρ?第二次實(shí)驗(yàn))

第二次試驗(yàn)的波浪反演結(jié)果序列對(duì)比圖，如圖8。序列統(tǒng)計(jì)表明試驗(yàn)時(shí)間段內(nèi)，布放點(diǎn)波浪特征觀測(cè)結(jié)果如下：（1）有效波高HS，IOA觀測(cè)值為0.12～1.37 m，RDI觀測(cè)值為0.20～1.34 m；（2）譜峰周期TP，IOA觀測(cè)值為2.88～6.73 s，RDI觀測(cè)值為2.7～6.7 s；波浪浮標(biāo)結(jié)果中有效波周期TS序列用于參照對(duì)比；（3）譜峰方向DP，兩型ADCP參與對(duì)比的波向結(jié)果為方向譜譜峰波向DP，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)波浪浮標(biāo)波向結(jié)果中主波向Dmain作為參照，分布范圍為0°～360°，主要分布方向在300°～360°和0°～120°。

圖8 波浪主要參數(shù)結(jié)果序列對(duì)比(第二次實(shí)驗(yàn))

第二次比測(cè)實(shí)驗(yàn)期間波浪方向主要為西北向和東向，圖9為第二次比測(cè)實(shí)驗(yàn)的兩型設(shè)備的譜峰方向DP結(jié)果對(duì)比散點(diǎn)圖，其中譜峰方向修真序列IOA-DP-rev是IOA-DP序列減去“兩設(shè)備羅經(jīng)固有偏差的相對(duì)值6.1°”。

4.4 相關(guān)性分析和趨勢(shì)分析

兩型波浪測(cè)量聲學(xué)儀器布放于同一區(qū)域的觀測(cè)波浪，分別使用配套波浪反演程序?qū)υ紨?shù)據(jù)集進(jìn)行預(yù)處理和后處理，提取重疊的同步時(shí)間段的波浪觀測(cè)輸出結(jié)果有效波高HS、譜峰波周期TP，譜峰波向DP等主要參數(shù)序列用于比對(duì)。同類(lèi)不同儀器之間的海上比測(cè)時(shí)，一般對(duì)結(jié)果序列進(jìn)行相關(guān)處理，海上對(duì)比測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果采用相關(guān)系數(shù)準(zhǔn)則評(píng)價(jià)。測(cè)量結(jié)果序列X和參考結(jié)果序列Y之間的相關(guān)系數(shù)計(jì)算式如下。

式中，ρXY是兩序列相關(guān)系數(shù)；Cov(X,Y)是兩序列的協(xié)方差；Xσ和Yσ是兩序列標(biāo)準(zhǔn)差。

依據(jù)該評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，分別統(tǒng)計(jì)波高、波周期、波向三項(xiàng)指標(biāo)結(jié)果的相關(guān)系數(shù)，見(jiàn)表2。由于聲學(xué)法測(cè)波浪屬于遙感觀測(cè)方法，在波浪較小、海表比較平整的海況下，聲波波束的主瓣漫反射回波能量減弱，旁瓣回波干擾測(cè)高和測(cè)流結(jié)果，導(dǎo)致波浪觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量下降、信噪比較低（波浪能量與觀測(cè)噪聲水平相當(dāng)），因此大深度布放且低海況條件下測(cè)量結(jié)果不具有可對(duì)比性。兩次實(shí)驗(yàn)布放水深為29～31 m，HS和TP參數(shù)的對(duì)比組次條件為HS大于0.2 m，DP參數(shù)的對(duì)比組次條件為HS大于0.4 m，這樣的參數(shù)對(duì)比下限條件設(shè)置依據(jù)：參照設(shè)備TRDI Sentinel V S50參數(shù)手冊(cè)中注明了波浪觀測(cè)檢測(cè)域，非方向性參數(shù)可檢測(cè)最小有效波高HS為0.15 m，方向性參數(shù)可檢測(cè)有效波高HS為0.15 m，按照0.05 m的觀測(cè)預(yù)估誤差，因此將非方向性參數(shù)對(duì)比條件設(shè)為T(mén)RDI輸出HS大于0.2 m的組次。由于在兩次比測(cè)實(shí)驗(yàn)中儀器布放深度較大，實(shí)驗(yàn)海域的小波浪多為HS小于0.4 m、TP大于4 s的涌浪，海表比較平整導(dǎo)致聲學(xué)表面跟蹤測(cè)高數(shù)據(jù)質(zhì)量下降，這類(lèi)波浪條件下，次表層水體中波生往復(fù)流流速幅值（約為10 cm/s量級(jí)）與Sentinel V ADCP單ping測(cè)流標(biāo)準(zhǔn)差（約為7 cm/s，1 m層厚寬帶測(cè)量，參看TRDI Sentinel V S50參數(shù)冊(cè)）的量級(jí)相當(dāng)，因此將方向性參數(shù)對(duì)比條件設(shè)為T(mén)RDI輸出HS大于0.4 m的組次。

表2 兩次比測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果序列相關(guān)系數(shù)表

IOA Wave ADCP測(cè)波結(jié)果與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)附近波浪浮標(biāo)測(cè)波結(jié)果對(duì)比時(shí)，由于作為參照的浮標(biāo)測(cè)波結(jié)果序列被認(rèn)為全部有效，因此，兩者測(cè)波結(jié)果進(jìn)行全組次的相關(guān)性分析。兩次比測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果序列相關(guān)系數(shù)結(jié)果如表2，對(duì)于非方向性參數(shù)結(jié)果，三型測(cè)波儀器的結(jié)果序列一致性很高，對(duì)于方向性參數(shù)結(jié)果，國(guó)內(nèi)外兩型ADCP作為同種同類(lèi)儀器測(cè)波結(jié)果相關(guān)性更好。第一次實(shí)驗(yàn)相比于第二次實(shí)驗(yàn)，觀測(cè)期間的波浪能量更大，實(shí)驗(yàn)結(jié)果序列相關(guān)性表現(xiàn)得更顯著。

威海市褚島北部的國(guó)家淺海海洋綜合試驗(yàn)場(chǎng)提供了實(shí)驗(yàn)觀測(cè)期間的氣象數(shù)據(jù)和波浪浮標(biāo)觀測(cè)記錄，處理后獲取了風(fēng)速風(fēng)向和波浪參數(shù)等，第一次實(shí)驗(yàn)為121組結(jié)果，第二次實(shí)驗(yàn)為326組結(jié)果。由于波浪浮標(biāo)提供的波參數(shù)主要為統(tǒng)計(jì)分析得到非方向性參數(shù)（H1/3、H1/10和Tmean等）和“三參量法”得到有效波高HS、有效波周期TS、方向性參數(shù)中的主波向Dmain，如圖5和圖8所示，浮標(biāo)觀測(cè)結(jié)果序列基本變化趨勢(shì)與IOA Wave ADCP測(cè)波浪結(jié)果一致性較好，但是相對(duì)值存在一定差異。如表2所示，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)波浪浮標(biāo)后報(bào)結(jié)果與IOA Wave ADCP結(jié)果序列，全組次進(jìn)行相關(guān)系數(shù)對(duì)比，浮標(biāo)觀測(cè)結(jié)果只作為三參數(shù)結(jié)果序列變化趨勢(shì)和極值的參考。

5 結(jié) 論

使用國(guó)內(nèi)外兩型五波束ADCP進(jìn)行波浪觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比測(cè)試實(shí)驗(yàn)，對(duì)有效波高HS、波譜譜峰周期TP和方向譜譜峰波向DP等主要波浪參數(shù)結(jié)果序列分別進(jìn)行相關(guān)性分析。兩型設(shè)備的測(cè)量原理相同，但是數(shù)據(jù)采樣率、采樣方案和質(zhì)控策略存在一定差異，兩型設(shè)備的測(cè)速測(cè)高原始數(shù)據(jù)測(cè)量誤差水平也因工作頻率、脈沖長(zhǎng)度等差異而略有不同，因此選取HS大于0.2 m組次用于非方向性參數(shù)對(duì)比、HS大于0.4 m組次用于方向性參數(shù)對(duì)比，減小聲學(xué)測(cè)波浪檢測(cè)域下限限制和原始數(shù)據(jù)本底噪聲水平微小差異的影響，增加實(shí)驗(yàn)顯著性。兩次比測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，有效波高HS和譜峰方向DP兩參數(shù)的相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)大于0.9，而譜峰周期TP相關(guān)性會(huì)因波浪較?。〝?shù)據(jù)信噪比下降）、觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)變短等影響而下降。

總體而言，在相對(duì)開(kāi)闊海域的兩次重復(fù)性波浪觀測(cè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，兩型裝備的測(cè)波浪性能差異較小。適應(yīng)性方面，IOA Wave ADCP因波束開(kāi)角較小，在波浪非方向性參數(shù)觀測(cè)方面的適應(yīng)性和穩(wěn)定性較好；TRDI Sentinel V憑借傾斜波束傾角較大在測(cè)流方面存在優(yōu)勢(shì)，在方向估計(jì)方面的適應(yīng)性和穩(wěn)定性較好。另外，依據(jù)理論分析，IOA Wave ADCP波束傾角小、陣列孔徑較小，相同深度布放時(shí)，方向譜測(cè)量截止頻率上限更高，在高頻風(fēng)浪觀測(cè)方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。