知识窗▏波浪测量仪器
海洋中所发生的海水波动现象，即海浪，它也是海洋环境重要的动力要素之一，它包含有巨大的能量，影响着海上船舶的航行与安全，对海洋、海堤、港口码头产生着巨大冲击和破坏，对海中泥沙起着搬移作用，侵蚀海岸，影响港湾航道的通畅，这是它的破坏方面；但由于它包含巨大能量，也有可利用的方面，即利用波浪发电，以及它对海水的大范围扰动混合，有利于海洋生物的繁殖与生成，因此对海浪的研究与认识，观测与分析是海洋科学的重要内容。科学的，准确的观测与测量是基础。根据海浪的生成机理及海浪的特征，对海浪的观测方法与手段有声学测波，压力式测波，惯性测波等多种方式。以下示例说明。
一、SBA3—2型声学测波仪
⒈ 用途和特点
目前，国内外波浪测量有压力式、重力加速度计、电容式、声学等几种形式。每种形式有其特点和特定的使用环境。声学测波仪分为有缆式和无缆式，有缆式声学测波仪布放在海底，只有很好的隐蔽性，不易丢失、不易被破坏，声学测波仪对测量水深有较宽的适应能力。有缆式声学测波仪可长期、实时地测量。不受能源限制，可长期使用，特别适用于海洋台站、无人站和石油平台长期连续观测。
国内自20世纪80年代开始研制声学测波仪，SBA3－2型声学测波仪是在原有的SBL3－1型台站测波仪基础上改进的，在技术指标，自动化程度、可靠性等方面有了较大提高(详见于表1)。能够按照《海滨观测规范》的要求完成定时测量，仪器具有两种工作模式：单机模式和系统模式。采用大容量非易失性数据存储器。可存储2个月的特征值及原始数据。
SBA3－2型声学测波仪与SBL3－l型台站测波仪技术性能与可靠性比较如下表。
SBA3－2声学测波仪 | SBL3－1型台站测波仪 | |
技术性能 | 单机和系统两种模式 | 单机模式 |
单片机，自动采集控制 | 单板机，手动操作 | |
40×4LCD显示 | 6位LED显示 | |
自动打印数字输出 | 记录纸带 | |
大容量非易失半导体存储 | 磁带存储 | |
阈值设置，自动判别 | 无 | |
换能器开角2.5° 效率>50%，主副瓣比26dB | 换能器开角3° 效率>40%，主副瓣比20dB | |
有声速自动修正功能 | 无 | |
可靠性 | 工业级大规模集成器件 | 分立器件 |
专用收发电路模块，VMOS管 无T－V转换电路 | 分立器件，B类大功率晶体管 T－V转换电路的场将就管易击穿 | |
常平架高度0.5m；底盘直径1m
| 常平架高度0.8m；底盘0.5m | |
宽范围（85～265V）高可靠性开关电源、 交直流自动转换 | 220V±10%模拟电源 | |
有大波检测、处理手段 | 未考虑 | |
多级防雷击措施 | 未考虑 | |
特殊机箱 | 普通机箱 |
1998年在绥中36－1油田二期开发原油处理基地的原油外输码头工程的前期调查过程中，采用SBA3－2型声学测波仪完成波浪的测量。换能器投放点平均水深6.5m，投放点距岸650m。在4个月的观测过程中仪器工作稳定、可靠，取得了完整的波浪数据。
⒉ 主要技术指标
工作水深：5～60m。
地质条件：常平架投放点最大倾角<20°。
淤泥厚度：<0.8m；底流<3节。
测波范围：0.1～20m；准确度：±l0％。
周期范围：2～20s；准确度：±0.25s。
采样间隔：0.5s或0.25s。
采样数量：2048或4096个采样样本数据。
电缆长度：1000m。
换能器：压电式换能器，半开角2.5°。
使用环境：温度0～40℃，相对湿度：20％～95％(无凝结)。
电 源：交流输入范围：85～265V；直流12V±lV；交、直流自动切换，电瓶可连续供电时间≥72h。具有电瓶自动浮充电功能。
工作方式：每3h定时测量；可根据用户预先设置的平均波高的阈值自动转换到每lh加密测量；手动连续测量。
⒊ 主要技术功能
⑴工作模式
SBA3－2型声学测波仪具有两种工作模式，即单机模式和系统模式。可适应海洋仪器的标准化、系列化、模块化的要求，满足不同用户的使用要求和使用环境。
①单机模式：仪器可独立使用。仪器由键盘置入参数，完成测量、运算、存储、显示和打印。
②系统模式：仪器可作为一智能采集终端通过标准RS－232C串行口与其他系统相连接。
仪器系统模式的缺省设置符合国家海洋技术所研制的台站测量系统通讯协议。系统机(上位机)通过串口设置仪器的工作参数和工作方式，可强迫仪器工作。仪器通过串行口将采集的原始数据和计算的特征值传送给系统机，再由系统机完成测量数据的转储及按照《海滨观测规范》完成波浪观测月报表等。
仪器在系统模式下，单机模式的功能也可同时执行。
⑵定时测量、数据处理和数据输出
仪器由硬件时钟控制，按照《海滨观测规范》的要求完成定时测量。采用滑动窗口方法对原始数据进行奇异值检测，利用内插方法剔除测量的粗大误差值，采用分段处理方法剔除涨落潮的影响。按照《海滨观测规范》的要求，采用上跨零点法对测波原始数据进行统计处理，计算特征值(Hmax、Tmax、Hs、Ts、Hm、Tm、H1/10、T1/10)。
实时地将特征值及原始数据存储并显示和打印特征值。也可根据用户的需要非实时地显示和打印最近2个月内的任意时段的波浪特征值。
⑶仪器具有阈值设置和阈值检测功能
用户可根据当地的海况和使用需要置入阈值。仪器将每次测量后算出的平均波高与阈值比较，当平均波高大于阈值，仪器自动进入每小时加密测量状态，以满足用户对大波浪测量的要求。
⑷仪器具有大容量数据存储和掉电不丢失功能
采用大容量非易失性静态存储器，可存储2个月的特征值和平均波高大于阈值的原始数据和仪器的工作状态数据。掉电后数据不丢失。
⑸仪器具有大屏幕液晶显示功能
仪器采用40×4字符大屏幕液晶显示器，可显示工作状态、参数和特征值。
⑹仪器具有适应宽范围电源电压的波动能力
针对台站电压波动大的问题，采用85～265Ｖ宽输入范围的开关电源，以保证仪器可靠地工作。同时备有可连续供电时间≥72h的直流电瓶。仪器可自动在交流断电的情况下切换到直流(12V±lV)供电。并具有电瓶自动浮充电功能。
⑺仪器具有一定的防雷击能力
⒋ 工作原理和组成结构
⑴工作原理
本仪器采用超声波回声测距原理如下图所示。由发射机通过电缆和置于海底的换能器向海面垂直发射超声波，当超声波到达海面(波面)时产生反射，反射波回到海底，激励换能器，再把声信号转换成电信号送给接收机。若连续向海面发射超声波信号，随着波浪的变化，即可得到连续的、返回时间不同的回波。
⑵组成结构
SBA3－2型声学测被仪，由水上机和水下机两部份组成。
水上机由单片机采集系统、发射机、接收机等模块组成，如下图所示。
水下机由声学换能器、常平架、标志浮标、电缆，尼龙绳及锚链组成，如下图所示。
⒌ 使用操作注意事项
根据对海洋台站情况的长期调查了解和经验总结，认为海洋台站及平台都存在以下不可靠因素，采取相应的可靠性设计与解决措施是十分必要的。
①绝大多数海洋台站存在供电不正常、电压波动大和电源干扰等问题。
②多数台站处于雷电区，雷击和电磁干扰非常严重。
③换能器常平架投放点经常有渔民下网作业，常平架被拖网拖倒或破坏。
④潮间带的环境多为岩石，电缆很容易被磨断，同时电缆也存在着人为破坏和被盗等问题。
⑤台站观测室处于海边，环境潮湿。
⑥操作人员水平不同，维修人员少，影响仪器的正常使用和维护。
针对以上问题，分别采取以下解决措施：
①电源采用宽输入范围的开关电源，该电源平均无故障时间为274000h，电压输入范围85～265V。确保仪器稳定可靠地工作。
②仪器在串口、电源上采用压敏电阻、浪涌二圾管等多级避雷措施，确保仪器在多雷区可靠运行。
③常平架采用加大底盘直径，降低重心，常平架的导流罩为表面平滑无凸起的流线型设计，底盘直径lm，高0.5m(原常平架高0.8m底盘直径0.5m有棱角和裸露吊环，很容易被渔网挂倒)。改型的设计增加了稳定性，提高了防拖倒能力。
④潮间带电缆采用上述可靠的保护措施，保证水下机可靠地工作。
⑤机箱采用德国PITTAL公司生产的AE系列壁挂式机箱，该机箱具有密封、防潮、防水、防电磁辐射等功能。适用于台站或无人站的恶劣环境。
⑥简化操作，仪器仅使用6个键既可完成所有的设置和控制功能，同时在软件上采取了容错措施，防止误操作。采用模块化结构，通过仪器的自检功能可及时准确地判断故障模块，操作者仅需要简单地将出现故障的模块更换就可恢复仪器正常工作。减少了失效时间，提高了维护效率。
SBA3–2型声学测波仪外形图如下。
二、MARK II型“波浪骑士”浮标
⒈ 概述
测量波向的“波浪骑士”是个球形的、直径0.9m的浮标，测量波高、波向和表层水温。
波向的测量基于位移原理（translational principle），测量的是波浪水平方向的运动而不是波浪的倾斜，因此测量与浮标的横摇运动无关。
单点的垂直系留系统确保浮标即使在低频小运动时也有足够对称的水平响应。
浮标装有以下传感器：①Hippy-40型垂荡—纵摇—横摇传感器；②三轴磁通门罗盘；③两个固定的“X”和“Y”加速度计；④温度传感器。
⑴波向测量：根据运动的“浮标参考系”的X方向和Y方向测量得到的加速度，计算出固定的水平面上的北向和西向的加速度。对这三项加速度（垂向、北向和西向）进行数字积分，得到经过滤波的位移，高频截止在0.6Hz处。最后，每隔半小时把8列数据（每列256个点，200s）的快速傅里叶变换（FTT）结果累加起来，得出1600s数据的16个自由度。
⑵数据压缩：为了节省发送功率，实时数据被压缩成垂向、北向和西向三种运动数据。
⑶数据处理：在浮标上对数据进行处理，计算：能量密度，主要波向，波向分布范围，波向分布归一化的二次谐波。频率分辨率：
从0.025Hz到0.1Hz，分辨率为0.005Hz；
从0.1Hz到0.59Hz，分辨率为0.01Hz。
⑷Argos报文：为了方便卫星通信，把数据编制成32字节的Argos报文。为此，按照一定的方式把波谱划分成多个能量段，通过优化使用报文中允许支配的字节位数，重新形成一幅能够详细描述能量、波向、波向分布范围与频率关系的图表。
⑸标准发送：测量波向的“波浪骑士”浮标连续发送27～40MHz的HF信号。MARK II型测量波向的“波浪骑士”浮标发送：
①实时数据：包括垂向运动、北向运动和西向运动。
②准静态数据：通过计算得到的波谱密度、波向参数、Hm0、Tz、监控数据，诸如表层水温、电池电压、系统状态、GPS位置（可选）和奇偶校验位（供检错使用）。发送速率为81.92bps。
⑹Argos卫星发送：测量波向的“波浪骑士”浮标可以通过卫星发送数据，方式有：①传输Argos报文给Argos卫星；②既传输Argos报文给Argos卫星，又使用标准的27～40MHz无线电通信；③只用Argos卫星对浮标定位，同时使用标准的27～40MHz无线电通信。
由于Argos可以跟踪浮标的位置，因此可以作为一个漂流的浮标使用。对于系留浮标来说，Argos提供漂移警报。
⑺GPS（全球定位系统）：测量波向的“波浪骑士”浮标可以配备GPS接收机模块。纬度、经度和某些状态数据每隔半小时刷新一次，并传送到系统文件里。其电源消耗可以忽略不计。
⑻内部记录：测量波向的“波浪骑士”浮标可以配备内部记录器。记录能力取决于所安装的存储器容量和所选择何种数据记录，记录时间可以从几星期（连续记录所有的数据，包括实时数据或者称“原始数据”）延伸到几年（只记录波谱）。记录器电源消耗为200mW。
⑼系留系统：测量波向的“波浪骑士”浮标配备一个5kg的锚链配重，悬挂在系留孔上。当浮标自由漂浮或布放在浅水区，只有很小的垂直方向的锚系作用力出现时，配重提供了稳定性。单点的垂直系留系统带有30m长的橡皮绳（rubbercord），确保浮标在低频小运动时也有足够的对称水平响应。30m长的橡皮绳刚性低，允许浮标随波起伏，最大达40m；浮标可以承受3m/s的海流速度；浮标浮力1630N。
⑽水温测量：海水表层水温测量设备是浮标标准配置。
⑾碰撞风险：加速度计周围填充的液体，以及加速度计壳体、电路和电池安装所采取的防冲击措施，都可以吸收强烈的冲击加速度。浮标壳体采用AISI316，厚度3mm，即使发生大的形变也能保持水密。为了减少碰撞的危险，浮标安装一盏闪光灯（按照IALA浮标系统“A”中对ODAS的规定，每20s内闪5次黄光，形成一组信号）。当日光强度低于60 lux时闪光灯工作，其可见距离约4海里。
⑿腐蚀风险：虽然少数几个表面没有喷涂的“波浪骑士”浮标的AISI316不锈钢壳体出现了点蚀，但海生物的污损更为普遍。喷涂可以防止点蚀，不过所用的涂料必须认真选择。采用Cunifer 10（锌镍铜合金）壳体可以保证得到较好的性能。这种材料不被点蚀或污损。尽管其强度低于不锈钢，却可以经受较大的形变。
⒉ 规格
①壳体直径（不包括碰垫）：0.9m；壳体材料：AISI316（标准型）；或Cunifer10（可选）。
②浮标高度（不包括天线）：1.25m；浮标高度（包括卫星天线）：1.45m。
③浮标（包装在运输框架内）：高度：1.50m；宽度（＝浮标＋碰垫）：1.0m。
④包装后的重量：255kg（Cunifer10：264kg）；净重量（包括电池和链条连接器）：212kg（Cunifer10：221kg）。
⑤静态浮力：1630N（Cunifer10：1540N）；动态浮力（加速度＝2.5m/s2）：1215 N（Cunifer10：1135N）；拉力（水平方向）：小福罗德数（Froude number）：80V 2N；中等流速直到1.8m/s120V 2N；2.3m/s左右：200V 2N（式中V为流速，m/s）；锚绳所受的力：当锚绳顶角45°时，等于拉力×√2。
⑥橡皮绳（包含在系留系统中）：长度：30m或者2×15m；直径：3.5cm；硬度：45～50°shore（肖氏硬度）。
⑦最大流速：3m/s。
⑧采样频率：3.84Hz。
⑨数字滤波（线性相位、组合带通、双重积分的FIR滤波器）：滞后：45.6s；带通指数：0.033～0.6Hz（3dB）、0.04～0.59Hz（0.3dB）、0.056～0.58Hz（0.03dB）；低频侧：24dB／倍频程；高频侧：>60dB。
⑩起伏：范围：-20～+20m；分辨率：1cm；定标准确度：测量值的3%；零点漂移：<0.1m；周期：1.6～30s；横向灵敏度：<3%。
⑪波向：范围：0～360°；分辨率：1.5°；浮标波向误差：0.4～2°，与纬度有关，通常为0.5°；在自由漂浮状态下的周期：1.6s～30s；在系留状态下的周期：1.6s～20s。
⑫系留系统：移动的浮标对于不对称系留系统的刚性十分敏感。若波浪频率等于或低于系留系统的固有频率，则这种不对称性可以引起波向误差。若波浪频率高于系留系统的固有频率，则这些误差随着频率增高而迅速减小。
⑬系留系统的弹性：在系留系统中必须使用全长为30m的橡皮绳，以确保浮标水平运动有足够的弹性。这种配置产生的固有频率是0.05Hz 。
⑭表层水温测量：范围：-5～+46℃；分辨率：0.05℃；准确度：0.2℃；长期稳定性：优于0.1℃／年。
⑮发射机：输出功率：150～200mW；频率：27～40MHz；距离：最大50km；调制：±80 Hz FSK（0.2F1）。
⑯电池寿命：Leclanché 4511/561型（锌碳电池，每个单体80 Wh，85块，每年的自放电小于5%）。电池寿命取决于浮标的配置。在闪光灯每天工作12h的条件下，电池寿命可以从12个月左右（浮标配置了全部可选项目，即HF＋Argos＋GPS＋记录器）延伸到30个月左右（浮标只通过Argos发送）。
只用HF发送：约19个月；用HF＋Argos发送：约17个月。
⑰极限温度：工作（水中）：-5～+35℃；储藏：-5～+40℃；短期储藏（几星期）：最高55℃。
⑱外部电源：不装电池时，从舱盖上红和黑两个插孔接入12～30 V直流电源。如果外部电源电压高于内部电池电压（典型值为28 V），外部电源也会取代内部电池供电。
⒊ 接收系统
⑴接取系统功能
全部的波浪测量系统包括一个测量波向的波浪骑士浮标、一台波向接收机和一台运行 WAREC-PC软件的个人电脑（数据显示和存储）。
测量波向的波浪骑士浮标测量波浪运动引起的位移，从而计算波向。所有固定坐标轴中（北、西和垂直方向）位移的计算以及从位移数据记录中确定波谱和波向数据都是在测量波向的波浪骑士浮标内部完成的。三个方向的位移数据和部分波谱数据被按64位矢量编帧，每0.78125秒被发送一次。
测量波向的“波浪骑士”浮标每半个小时内处理8组数据样本（每组包含256个位移数据采样），得到一个波浪和波向谱。在这半个小时内，前一个波谱的全套波谱数据被周期性地重复发送8次。这就使部分波谱丢失的可能性很小，即使在由干扰因素引起的不利接收情况下。接收机利用纠错码来检验并纠正发送错误（最多可纠正2处错误）。这种检错能力非常强，将畸变的矢量作为可靠数据接受的可能性非常小。
接收机对接收的数据分类，该分类方法能最可靠地将全套波谱数据分离出来。从而得到最近和前一个（前半小时）计算的波谱数据。
可以通过一个RS232串口与WAREC通信。利用命令可以从测量波向的波浪骑士浮标中得到两类波谱数据。也可以利用命令获得实时位移的数据（垂直、北向位移、西向位移），速率为1.28Hz。测量波向的波浪骑士浮标发送的未处理的数据矢量也可以得到。通过一个串行接口，一台计算机可以与多达8台接收机通信。
⑵接收机
①频率范围：标准的：27.5-32MHz；可选的：32～42MHz；当接收晶体改变后，接收机必须（检验）重新校整。
②灵敏度：0.2uV，输入阻抗50W；频带宽度：1000Hz；MF频率：9MHz；接收机晶体：对于标准的频率范围，高于发射机频率9MHz；对于可选的频率范围，低于发射机频率9MHz。
注意：内部振荡器振荡频率分别为1677.72kHz、9001.5kHz和11059.2kHz；振荡器工作于这些频率的倍数时，实际工作频率与其至少相差5kHz。
⑶天线：
有三种天线可供选用，标准的为四分之一波长平面接地全向天线，可以经受80节风速。可选的有下列二种：
①四分之一波长平面接地定向天线，比第一种天线正向增益高3dB，前后比率为9dB，可以经受风速与第一种天线相同。
②防雷达干扰的、四分之一波长、船用鞭状天线（接收距离为20公里），可以经受大于100节的风速。
发射机天线是垂直极化的，因此接收机天线也必须垂直安装（天线安装、天线长度与频率之间的调整参看附录2）。由于干扰信号可以自由被接收，建议将接收机天线安装距离本地干扰源，例如内燃机、带刷电动机和日光灯，尽量远一点。天线应安装在离地面足够高的地方。
三、结语
MARK II“型波浪骑士”波浪测量系统具有较高的测量精度和准确度，其弹性系留绳具有较好的水平响应特性。浮标可选择短波、ARGOS等通讯方式，在短波通讯方式下可以对波浪进行实时测量监控。浮标内置80M存储器，可以保留备份观测数据。浮标带有GPS，可以进行海上定位和位置漂移报警，便于海上布放、回收和寻找。浮标功耗较低，一套电池可在标准配置下连续工作17个半月。浮标还可配备其他辅助接收、测试设备，进一步增强了浮标测试、维护的手段。在重点海域布放该种浮标，可以连续、准确获取观测海域的波浪数据，为航海保证以及海洋工程建设提供技术资料。
【作者简介】吕曰恒，男，1940年出生，山东省广饶县人，国家海洋局国家海洋技术中心研究员，中国海洋学会科技开发与产业化工作委员会秘书长，1964年清华大学工程力学数学系工程热物理专业毕业，曾参于海洋浮标及海洋能源开发课题研究工作，曾任“海洋技术”杂志常务副主编，现已退休，并继续从事中国海洋学会学术团体社会工作。