海洋波浪、潮汐和水位測量技術及其現狀思考

堯怡隴，王敬東，葉 松，王曉蕾，周樹道

（1.南京航空航天大學，江蘇 南京 210016；2.解放軍理工大學氣象學院，江蘇 南京 211101）

0 引 言

海浪和潮汐對航海、海洋資源開發和海上軍事活動等均有很大的影響，而海浪和潮汐資料的精度又與獲得第一手資料的觀測技術密切相關。隨著海洋技術的發展和進步，波浪、潮汐和水位觀測儀器的種類日趨多樣。按測量原理的不同可劃分為重力式、壓力式、聲學式、光學式和遙感式；按觀測方法的不同可劃分為人工觀測和儀器觀測兩種。

人工觀測需觀測員借助一些觀測設備（如方位儀、秒表等），在岸站或船只上面向被測水域，依據一定的觀測規范記錄和處理數據，完成波浪、潮汐和水位的測量任務[1]。本文重點討論儀器觀測方法。

1 儀器觀測法

隨著傳感器和測量理論的進步，基于不同測量原理的波浪、潮汐及水位測量儀不斷增多。按儀器布設的空間位置不同[2]，對波浪、潮汐和水位測量技術展開分析，如圖1所示。

1.1 水下測量技術

水下測量方法減少了儀器隨波流引發的不穩定性，可降低設備易丟失、意外碰撞的危險性，提高觀測的安全性。尤其在潮汐/水位測量時，具有無需建站、方便投放、觀測費用低等優點[3]。根據測量原理不同可分為壓力、聲學以及光學測量等。

圖1 波浪、潮汐和水位測量分類

壓力測量是利用高分辨率壓力傳感器測得波面升降或潮位、水位變化引起的壓力波動，根據壓力變化可求得表面波譜（由海浪統計要素與其關系得到特征波高、波周期）、潮位或水位變化[4-5]。國外研究機構為實現壓力測波儀測量波向的功能，提出假設：給定頻率的波浪傳播方向無交叉，即波向具有一致性，將流速計與其結合做同步觀測，確定波向[6]，如美國Inter Ocean公司的S4[7]等。

在實際應用中，由于壓力測量理論公式是依據小波、線性理論推導的，但表面波引起的壓力變化隨深度衰減，且水層過濾作用是非線性、隨頻率而異的，而且測波時鉛直方向上的加速度也會對壓強分布產生一定影響[8]。單靠修正系數將水下測得的波壓變化準確地換算為表面波特征波高或波譜是很困難的，尤其是復雜海況下測波，目前還缺乏理論和資料上的支持，故壓力測量更適用于潮汐、水位測量。

聲學測量是依據多普勒（Doppler）和超聲波回波測距原理，結合矢量合成方法和海面高度變化時間序列數據分析技術實現測量[9]。倒置海底的回聲測深儀利用聲學換能器垂直地向海面發射聲脈沖，通過回波信號測出換能器至海面垂直距離的變化，再換算成波高、水位[10]。

水下光學測量是依據水下發射光場和海面波高的相關性測量波浪的一些物理參數。如水下小角度現場光學放射測量儀可自動遙測波浪特性，該類測波儀在國內很少使用。

上述3種方法各有優缺點和局限性，可以用多種方法聯合測量的方式，提高測量的準確性[11]，根據所測環境有所側重、優勢互補，消除單一方法測量帶來的誤差。

1.2 水面測量技術

水面測量主要有測波桿、浮標和船載波浪測量系統3種技術。測波桿用于近岸、潮汐/水位測量，后兩種主要用于近、遠海測量。

測波桿是一種較為古老的測量方法，根據原理不同可分為電阻式、電容式、傳輸線式和階式4種。現今常用于水庫、湖泊等水域測量，有時也用于近海岸測量[12]。

浮標測波是借助隨波浪升降的浮標，利用內置的垂直加速度傳感器測到波浪升降的加速度變化信號，經該信號的兩次積分給出浮標升降位移，進而利用浮標在不同周期波浪作用下的響應函數，得出波浪頻譜和相應的時間序列，進一步數據分析處理可獲得波高、波周期等波浪要素[13-14]。

海洋浮標的種類繁多，按測量形式可分為錨定和漂流浮標兩種。前者是浮體用錨和鏈固定在海洋中的某一點上進行觀測，亦稱海洋環境資料浮標，包括氣象資料浮標、海水水質監測浮標、波浪浮標等；后者是在海面或一定深度隨海流漂動的浮標，用衛星或聲學方法獲得其位置信息，包括中性浮標、表面漂流浮標、各種小型漂流器等。

無論是錨定浮標，還是漂流浮標，都要求浮體具有良好的隨波性；足夠的抗傾覆能力，以適應惡劣的海況環境；較強的抗水平流作用能力，以保持浮標的正浮姿態，減少傾角引起的測量誤差；體積不宜過大，便于投放使用。常用浮體形式有圓盤形、球形、船形、柱形，它們各有特點：圓盤形結構對稱、機械強度大、可利用面積大、造價低、隨波性好、穩定性好；球形浮標穩定性較好，而隨波面傾斜的性能差；船形浮體線性好、重量輕、抗風浪流的能力強、不易傾翻、適于強海流的海區工作等；圓柱形浮體吃水線深、穩性好、不易傾翻、造價低等。

一直以來，浮標波向是波浪測量中的難點和重點。在常用的波向測量方法中，對于基于重力加速度原理的浮標[15]，是利用波高傾斜傳感器配合方位傳感器測量擺軸的轉角大小和方向，獲得縱傾和橫傾參數，進行波向參數的測量。對基于同步觀測壓力和矢量流速原理（PUV）的浮標，是采用電磁海流傳感器和電子羅盤測量流速、流向，估計波浪方向譜，從而求出主波向。對基于GPS測量原理的浮標，是通過接收GPS信號獲得三維速度和位移信號，推算波向信息[16]。

船載波浪測量系統（SBWR）主要是指以艦船作為載體的波浪測量系統，而艦船隨波浪的運動，對測波有較大的影響，故將艦船也視為測波系統的一部分，可劃分到水面測波技術中。現有船載波浪測量系統基于的原理較多，如：將垂直加速度計和壓力計對稱安裝在船的兩側進行測波，要求壓力計必須能浸在水里足夠深的地方（一般要求至少1m），以便于消除一些短波的壓力干擾；將氣介式聲學、激光或微波等波浪儀安裝在船頭，測量波浪和船舶運動的相對距離，并在同一地點安裝加速度計，用以消除船舶顛簸、搖晃的影響，就可得到波浪運動特征。如王軍成等研制的船基激光法波浪測量儀器[17]，可連續記錄航行過程中波浪變化的有關信息；中國海洋大學利用三軸加速度傳感器、方位傳感器以及GPS接收機等實現了船載測波，方位傳感器用于測量航向、傾斜角和磁場強度，利用GPS接收機對所測數據進行補償，減少船速對系統測量的影響[18]。

1.3 水上測量技術

水上測量技術主要指借助于陸上高大平臺、飛機等進行的波浪測量。在過去十余年中，該測量技術的最大進步表現在微波遙感方面。根據其測量原理不同可分為以下4種。

氣介式聲學測量是在水面以上向水面發射超聲波，經水面反射后返回，接收經過時間，若聲速已知，即可得到距離。此種方法誤差主要來源為聲速和測量時間，聲速可利用高精度的風速儀進行修正補償。由于聲速與溫度有關，也可以用簡單的測溫方法來計算聲速。系統誤差主要來自大氣溫度測量和時間測量兩方面[19]，重點取決于溫度傳感器的測溫精度和準確的時間檢測方法，時間測量較為準確的方法有電平檢測法和相關檢測法[20]。

航空攝影技術是在飛機、艦船或岸邊建筑物上對海浪進行拍照，對這些記錄進行傅里葉變換、圖像濾波、顏色編碼[21]等復雜的處理，可得到波面高度的分布。國內提出一種利用視頻圖像坐標變換和波浪爬高的圖像[22]，通過圖像處理、直接線性變換法以及相關校正算法，找出波浪爬高的世界坐標系坐標和圖像坐標系坐標之間的轉換關系，從而求得近海岸海浪要素。但這一技術尚不成熟，尤其是在圖像處理算法方面還須進行深入的研究。

激光測量類似于氣介式聲學測量，利用安裝在平臺、飛機上的激光發射裝置，精確地測得從儀器到海表面垂直高度，從而獲得波高、波周期等參數。如姚春華等分析討論了采用機載紅外激光測量海表的精度和探測概率，并針對掃描角、海面風速對探測精度的影響問題提出改進方案[23]。

雷達技術是通過入射到海洋表面的雷達電磁波，與波浪中的短波部分產生Bragg共振，其后向散射回波被雷達接收，形成海雜波，經調制體現在雷達圖像上，進行海浪方向譜反演，通常分為影像或非影像技術2種[26]。任福安等[27]首次利用自行研制的船載海浪雷達圖像測量記錄儀觀測海面波浪，將海浪反射的雷達回波視頻信號經數字化處理、以數字圖像模式送入計算機進行海浪圖像數值化處理，研究開發了雷達海浪圖像觀測和處理系統，得到雷達海浪數值圖和二維波譜以及波向、波高、波周期和波速等波浪主要參數；何宜軍等[28]利用合成孔徑雷達圖像譜的信噪比與有效波高的線性關系和最優方法反演得到海浪方向譜，計算有效波高，后來被應用在X波段雷達圖像估計有效波高上。

1.4 空間測量技術

空間測量技術主要指用衛星微波遙感技術測量波浪，與傳統測量完全不同。目前，存在3種衛星微波遙感儀器可觀測海面風和波浪信息，其中衛星高度計可測量出海面有效波高[29]，進行波浪周期反演[30]；散射計可測量出海面風場，通過一定的反演算法也可得到波浪的信息；合成孔徑雷達（SAR）可測量有效波高和海浪方向譜，確定海浪的傳播方向[31]。

2 不同測量法的技術難點及特點比較

按照上述分類方式，對基于不同原理波浪、潮汐、水位測量方法的技術難點及優、缺點進行比較分析總結，得出結論如表1所示。

3 國內波浪、潮汐觀測存在的問題及思考

我國的海洋科學研究起步較晚，波浪、潮汐觀測技術、建站能力、監測產品等方面，與發達國家相比有一定差距，還難以滿足海洋資源開發、災害預報、海洋運輸以及走向深遠海戰略發展的需求。結合我國波浪、潮汐觀測技術發展現狀和未來發展的需求，提出一些初步的設想。

3.1 加強新技術在波浪、潮汐測量上的應用研究

新技術在波浪、潮汐測量上的應用研究還不夠深入、廣泛。目前，傳感器、計算機、嵌入式系統、自動控制、數據采集與處理等技術在迅速發展，為提高我國波浪、潮汐觀測的自動化、智能化水平提供了可能；但這些技術在波浪、潮汐觀測上的應用相對還是較為滯后。根據近幾年相關技術文獻[2，5-6，10]和測波、測潮產品來看，我國在波浪、潮汐測量方面雖也取得了比較大的進步，如多種測量原理的應用、觀測數據記錄、通信、處理等。但在產品小型化、高新材料的應用、遠程無線通信技術、自動化、智能化程度以及實時性、連續觀測等方面，需要大量高新科技有效融合應用，才能逐漸縮短與國外的差距。

3.2 加強海洋全要素、立體觀測的網絡化、集成化、智能化建設

國內海洋全要素、立體觀測的網絡化、集成化、智能化建設與國外差距較大。從前面對測量原理的分析來看，衛星遙感是目前唯一可以實現大尺度、寬范圍海浪測量的方法，但衛星遙感有其明顯的局限性（二維性、精度、分辨率和采樣頻率低）。對于近岸監測，地波雷達的應用在很大程度改善了對海洋、波浪的監測精度、分辨率和采樣頻率，但二維局限仍存在，而且國內使用雷達海上進行測波技術僅是近幾年的事，雷達反演波浪信息的算法還不夠成熟，尤其是在雷達測量有效波高方面，仍有很多問題需要進一步研究。未來的發展趨勢應該是從空中、水面、水下、沿岸對海洋的水文、氣象要素進行立體監測，各種手段優勢互補，構成完整的立體監測系統；但國內海洋儀器的智能化程度還不夠高，在便于操作、實時處理、綜合性觀測和智能采集等方面仍需改進。

表1 基于不同原理測量方法的技術難點及優缺點

3.3 加強大型、綜合性觀測平臺關鍵技術研究

自主研發大型、綜合性觀測平臺或浮標技術仍不成熟，許多關鍵技術仍沒有完全掌握，是阻礙我國海洋觀測網絡化、智能化建設的主要瓶頸。從20世紀60年代中期至今，經過多年的研究發展，我國基本掌握了浮標設計、制造的關鍵技術，攻克了浮標殼體的密封耐壓、浮標的自動潛入、上浮和定深控制、Argos衛星通信等技術難題。但國內自主研制浮標的整體技術水平和世界先進水平有相當的差距，尤其是硬件工藝問題，可靠性較差；部件缺乏標準化、通用化設計，一些部件國內還需進口。故我國應盡快提升自主研發能力，加快海洋儀器儀表標準化建設，提高新技術、新科技在海洋波浪、潮汐觀測上的綜合應用能力，為研發可穩定、連續、實時、綜合性、智能化觀測的平臺打下基礎。

3.4 加強計量和標定裝置的研究

計量和標定裝置發展相對海洋波浪、潮汐及水位測量儀器滯后，不能很好滿足這類海洋水文儀器的檢定工作。如國內現有的JBY1_1型波浪浮標檢定裝置，只能完成質量在180kg以下，直徑1m以下的重力加速度式浮標、重力加速度計的1～6m量程檢定工作[33]。但一般浮標的波高測量范圍是0.1～20m，甚至可達到25m，無法實現其滿量程校準，而且不具備準確校準波向的能力。水塔式潮汐/水位檢定裝置只能檢定基于光學、聲學、壓力、浮子等原理的驗潮儀、水位儀，潮汐檢定范圍0～8m[34]，同樣存在無法實現滿量程校準。

目前，轉臺技術、電機控制技術、溯源技術、系統設計方法等迅速發展，可為研究設計能有效地融合現存兩種檢定裝置的功能，并具有波浪波向校準以及多種原理測波儀、驗潮/水位儀等綜合檢定能力的檢定裝置提供技術支撐。

4 結束語

海洋波浪、潮汐、水位測量方法和手段日趨多樣化，涉及眾多學科，如材料科學、微機電、物理、無線電等，從材料、設計、加工、傳感到控制、應用均需進一步深入研究。

本文根據海浪、潮汐、水位測量應用場合和空間的不同，對其進行分類，歸納總結各測量原理及其優缺點，著重分析了其中幾種測量方法的技術難點，最后，結合國內海洋波浪、潮汐、水位測量領域的技術現狀，探討了其未來發展趨勢。

雖測量方法和手段快速發展，但相關檢定計量領域發展較為緩慢，本文研究也為課題組波、潮測試檢定系統的研究和設計打下基礎，通過科學的測試檢定來確保測量儀器精度和所測數據準確性。

[1]侍茂崇.海洋調查方法導論[M].青島：中國海洋大學出版社，2008：122-170.

[2]左其華.現場波浪觀測技術發展和應用[J].海洋工程，2008，26（2）：124-139.

[3]劉贏.近海海水深度和浪高的測量[J].渤海大學學報：自然科學版，2005，26（2）：165-168.

[4]Cavalevic L.Wave measurement using pressure transducer[J].Oceanologica Acta，1980，3（3）：339-346.

[5]龍小敏.SZS3-1型壓力式波潮儀[J].熱帶海洋學報，2005，24（3）：81-85.

[6]ADCP課題組.坐底式波流測量儀[J].海洋技術，2001，20（1）：88-92.

[7]屈新岳.ADP和S4海流計測量結果比較分析[J].聲學與電子工程，2008（3）：51-53.

[8]李路平.深海壓力式測波儀資料處理[J].黃渤海海洋，2000，18（2）：67-72.

[9]劉華興.被動聲學測波新方法的實驗研究及應用[D].青島：中國海洋大學，2010：2-13.

[10]李揚華.聲學測波儀的研制[J].海洋技術，1996，15（4）：75-78.

[11]傅鑫昌.波浪測量分析儀的研制[J].熱帶海洋，1987，6（4）：70-78.

[12]JTJ/T 277-2006水運工程波浪觀測和分析技術規程[S].北京：人民交通出版社，2006.

[13]唐原廣，李琛.多功能波浪浮標的研制[J].氣象水文海洋儀器，2004，3（4）：12-15.

[14]李小波.基于子母式浮標的海浪譜反演技術的研究[D].濟南：山東科技大學，2008：3-10.

[15]陳常龍.一種新型浮標水動力特性研究及系留系統探討[D].青島：中國海洋大學，2010：1-12.

[16]張育瑋，董東憬，李汁軍，等.利用GPS量測波浪研究[J].海洋工程，2009，27（4）：73-80.

[17]王軍成，候廣利，劉巖，等.船基激光法波浪測量儀器的研究[J].海洋技術，2004，23（4）：14-17.

[18]元萍.一種船用波浪測量儀的設計[J].山東科技，2010，23（1）：51-55.

[19]孫強，孫軍.SBY2-1型空氣超聲波浪儀[J].海洋技術，2007，26（4）：4-7.

[20]孫強.海浪波高儀的設計[D].廈門：廈門大學，2001.

[21]王巖峰，丁永耀.光學觀測小波方法的比較研究[J].黃渤海海洋，1999，17（1）：35-39.

[22]齊占輝.視頻圖像坐標變換和波浪爬高的圖像處理研究[D].天津：海洋技術中心，2009.

[23]姚春華，陳衛標，臧華國，等.機載激光測深系統中的精確海表測量[J].紅外與激光工程，2003，32（4）：351-376.

[24]孫建.SAR影像的海浪信息反演[D].青島：中國海洋大學，2005.

[25]段華敏，王劍.基于X波段雷達海面波高估計的改進方法[J].海洋通報，2009，28（2）：103-108.

[26]王淑娟，王劍，劉永玲，等.利用X波段雷達圖像估計有效波高[J].海洋湖沼通報，2009：185-190.

[27]任福安，邵秘華，孫延維.船載雷達觀測海浪的研究[J].海洋學報，2000（5）：152-156.

[28]何宜軍.成像雷達海浪成像機制[J].中國科學，2000，30（5）：554-560.

[29]劉付前，駱永軍，王超.衛星高度計應用研究現狀分析[J].艦船電子工程，2009（183）：28-31.

[30]王喜鳳.基于衛星高度計資料的海浪周期反演研究[D].青島：中國海洋大學，2006.

[31]楊勁松，黃韋艮，周長寶.星載SAR海浪遙感中波向確定的一種新方法[J].遙感學報，2002，6（2）：113-116.

[32]徐瑩.HY-2衛星高度計有效波高反演算法研究[D].青島：中國海洋大學，2009.

[33]陳華秋，趙維三，李希玲，等.JBY1_1型波浪浮標檢定裝置[J].海洋技術，2001，20（4）：18-25.

[34]高占科，于惠莉，索利利，等.水位計（驗潮儀）的檢定和校準[J].計量技術，2007（7）：53-56.