五波束ADCP測波浪的現場比測實驗

饒 亮，張兆偉，張向軍*，王長紅

（1.中國科學院聲學研究所海洋聲學技術中心，北京 100190；2.中國科學院大學，北京100049；3.北京市海洋聲學裝備工程技術研究中心，北京 100190）

聲學多普勒流速剖面儀（Acoustic Doppler Current Profiler，ADCP）作為一類重要聲學海洋觀測設備，一直以來被廣泛應用，僅配置有3個或4個傾斜波束的傳統ADCP，增加中間豎直波束配置后，形成“N+1”模式波束配置的ADCP，兼具聲學海表面跟蹤技術測量海表起伏、聲學多普勒測流技術測量水體沿各波束方向速度和內置壓力傳感器測量水體靜壓力等三方面觀測能力，成為一種新型聲學集成式的潮浪流湍一體化測量儀器，在海洋全水文要素的時間、空間觀測中被廣泛研究和應用。“1豎直+4傾斜”波束配置的五波束波浪海流一體測量ADCP具有布放簡單、觀測連續性較好和豎直剖面時間序列觀測能力等優勢，充分結合了中間波束表面跟蹤能力好、中心對稱正交的傾斜波束流速測點在海表投影陣列孔徑小、測量導向矢量豐富，以及壓力傳感器測靜壓提供校驗信息等優點。

傳統的波浪觀測設備的檢定，如重力加速度式測波浮標，使用模擬波浪運動的雙環桁架結構檢測裝置進行浮標內重力傳感器的自校準或互校準。而聲學測波浪設備目前無法直接進行檢定和校準，通常先對聲學多普勒測速精度、聲學海表面跟蹤測距精度、電子羅盤和姿態傳感器進行檢定，以確定聲學測波浪原始數據的精確度，然后進行同類或同種不同類測波儀器的同位觀測對比，分析待檢設備測波浪結果的誤差上下限、變化趨勢、序列相關性等檢驗指標。

1 ADCP觀測波浪背景與發展

1.1 五波束ADCP測波浪應用的興起與優勢

海洋波浪觀測技術自20世紀中葉起受到海洋學家和海岸觀測業務部門關注，不斷發展至今，各類波浪觀測方法和儀器陸續被發明和使用，按工作原理分為視距式、測波桿式、壓力式、聲學式、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方式[1]。聲學集成式測波技術，結合了水下聲學海表面跟蹤測量波面起伏、壓力計測量水靜壓變化和聲學多普勒測量波致水體往復流速度等3種方式，是目前波浪觀測水下測波法中較為先進和常用的一種方式[2]，使用此類技術的儀器如挪威Nortek的AWAC（Acoustic Wave and Current）和 美 國TRDI（Teledyne RD Instruments）公司生產的波浪模塊聲學多普勒海流剖面儀。聲學集成式測波方法進行波浪精確測量，可較為準確地獲得波浪功率譜和方向譜[3]，并且由于采用水下平臺或是海底布放方式，避免了海面大風浪或船舶航行對觀測系統的破壞，具有測量準確度高、收放維護操作簡單、環境影響低、觀測連續性好的特點[4]。波浪海流一體測量的五波束ADCP作為一類重要的水下聲學（集成/綜合）海洋波浪測量儀器，逐漸在近岸監測和淺海水域水下觀測系統中廣泛應用。

2007年，黃雄飛等[5]分析了深度誤差與波束傾角、波束寬度的關系，針對不同波束配置ADCP進行性能分析和對比，論證了四波束配制的基礎上增加一個垂直向下的波束配置型ADCP，能有效測量除流場平均速度以外的其他特性，適用于精確測量流場擾動和內波等多種特性研究應用。2016年，BOUFERROUK A等[6]檢驗了傳統的4個傾斜波束ADCP額外加裝1個豎直波束測量海洋表面波浪的性能，通過同位布放的五波束ADCP和波浪浮標的現場測量對比了兩種測波設備的波譜參數、高頻低頻敏感性和測量數據噪聲水平，論證了傳統ADCP增加中間波束構成“1豎直+4傾斜”波束配置時，在測波浪應用中，不僅原始數據質量（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測波陣列孔徑更小、同布放深度下高頻短波方向譜估計準確度更高等方面凸顯優勢。

1.2 五波束ADCP波浪方向譜估計原理

ADCP測量波浪是使用陣列法進行波浪方向譜反演，相對于波浪浮標的Triplet（三參量）波浪方向譜估計方法，陣列法的測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方面具有獨特優勢。ADCP各波束在海表投影形成測量海表起伏的波高測點，以及ADCP各波束在次表層水體中多層測流單元形成的波生往復流流速測點，共同形成了ADCP在海表波浪場的空間測量陣列，ADCP波浪測量空間測點陣列示意圖如圖1所示。

圖1 五波束ADCP測波浪空間采樣陣列示意圖

ADCP可在波浪場中獲取空間陣列多個測點位置的波高或流速觀測值，即各個測點上物理量觀測時間序列。利用單個測點時間序列提取的自信息/自譜，利用不同測點間的互信息/互譜，構成測量陣列的交叉譜矩陣。最后，使用測點陣列導向矢量矩陣、流速—波面起伏傳遞函數和測量數據交叉譜矩陣，選用不同估計算法估計波浪方向譜。陣列法的方向譜估計算法主要包括迭代最大似然法（IMLM）、最大熵法（MEM）、貝葉斯方向估計法（BDM）及它們擴展方法如本征矢量法（EEV）和擴展最大熵法（EMEP）。2012年李晨等[3]和2015年DONELAN M等[7]對比了各種方法在海表波浪方向譜反演方面的性能。

2 ADCP測波浪的同類儀器比測研究意義

ADCP觀測波浪對比測試研究主要包括同種不同類儀器的比測校驗和同類儀器的相互比測[8]。2004年，HOITINK A等[9]通過Nortek公司AWAC（“浪龍”）和RDI公司ADCP進行測波浪對比實驗，對近岸ADCP測波能力評估，并在后續研究中，證實ADCP和浮標測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種測波儀器的數據質量和觀測結果，針對Triaxys波浪浮標與ADCP、測波陣列的測波結果進行比對。2008年，WORK P A[12]開展了近岸的波浪浮標和ADCP測波浪對比研究。

近年來，國內學者也開展了ADCP測波浪性能分析方面的對比實驗和研究。2015年，章家保等[13]總結了當前海洋波浪測量技術特點并結合實測分析。2017年，黃駿等[14]進行了浮標和ADCP的比測實驗研究。2017年，周慶偉等[15]對測波浮標、AWAC聲學海流/波浪測量儀和TWR-2050 壓力式波潮儀等3種測波設備的實測數據進行對比分析。目前國內在ADCP測波浪比測研究方面缺乏同類聲學測波浪設備的對比研究，本文將側重于同類綜合聲學測波設備的比測方法研究和性能指標分析，對國產五波束IOA Wave ADCP與同種同類國外設備RDI公司Sentinel V ADCP的同位觀測結果進行對比分析。

在同種不同型號測量儀器測波結果對比時，由于各個儀器采集數據集合、采樣策略和波浪分析后處理程序不完全相同，波浪觀測結果中非方向性結果一般包括波譜/功率譜分析和跨零法統計分析兩種形式，方向性結果為頻率方向譜/方向譜分析。觀測結果的整體對比，即采用譜特征參數結果序列進行相關性對比，來說明參數結果的變化趨勢和離散度。觀測結果的單組次對比，即直接對比同時段單組次的波譜和方向譜等，計算譜偏度和譜對比均方誤差。

3 現場比測實驗與儀器

五波束ADCP測波浪現場對比測試實驗共進行了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，參試設備為中科院聲學所600 kHz IOA Wave型ADCP和美國TRDI公司Sentinel V型ADCP，兩臺設備為相距約100 m準同位“坐底上看式”布放，開始工作時間和觀測周期配置相同。采用雙環衡平式設計的坐底支架上安裝IOA Wave WM600 ADCP，實物圖如圖2所示。兩次比測實驗中，實驗儀器布放海域為山東省威海附近同一海域（經緯度為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”方式進行布放回收方案，實施實驗地點位于國家海洋技術中心建設的威海市褚島以北的國家淺海海洋綜合試驗場水域。兩次比測實驗地點選取在試驗場北部，遠離海岸和島嶼，布放點取在海底較為平坦區域。

圖2 雙環衡平式坐底支架安裝IOA Wave WM600 ADCP 實物圖

依據《規范化海上試驗管理規程》中同類同種儀器的比測研究方法[16]，開展了比測實驗，以國外同類型波浪ADCP儀器（RDI Sentinel V ADCP）做參考，與國產波浪測量ADCP（IOA Wave ADCP）進行坐底式比測試驗。為了避免2臺設備同時工作時互相干擾，同時保證ADCP以盡可能高的采樣率采樣，將2臺設備分別安裝在不同的坐底支架上，根據具體水深確定ADCP不會互相干擾的最小距離。實驗前經過復機檢測和同步時鐘等操作，對兩型設備配置如表1。由于沒有更加相近的同頻五波束ADCP同類設備，因此選用中心頻率為500 kHz的TRDI Sentinel V S50與IOA Wave WM600進行比測研究。

表1 兩型設備性能指標和測波模式配置表

處理方法方面，IOA Wave WM600 ADCP波浪數據處理中，采用波高流速聯合法，波高和流速數據同步分時采樣，將原始數據測點作為一個小時延空間時間復合陣列，進行陣列法波浪方向譜反演，估計方法使用迭代最大似然方法（IMLM），基本原理表達式見式（1）。

TRDT Sentinel V S50 波浪數據處理中，采用后處理軟件Velocity內嵌算法SVP，即按照聲學表面跟蹤測波高（Surface Track）、波生軌跡流速（Velocity）、壓力（Pressure）等3類數據的優先級遞減順序，使用進行波譜和方向譜估計，其中方向譜估計方法使用迭代最大似然方法（IMLM），最后，使用波譜計算有效波高HS和譜峰周期TP，使用方向譜估計結果得到譜峰方向DP。

4 兩型ADCP測波浪對比測試實驗

4.1 主要比測參數和方向固有偏差相對值估計

兩型ADCP測波浪對比測試實驗的測波浪結果比對中，主要包括方向性參數和非方向性參數的對比測試。對于非方向性參數結果，采用有效波高HS（描述波浪起伏平均強度）和譜峰周期TP（描述起伏強度最強的波動周期）兩項結果參數進行相關性對比分析；對于非方向性參數結果，采用譜峰方向DP（描述波浪主要能量來波方向）進行分析。

由于兩型觀測儀器在數據后處理中調控參數不是完全相同，而且由于內部羅經的磁偏角修正值差異和安裝偏角差異導致艏向測量存在固定偏差，因此使用長時平均的流剖面的方向作為聯系，進行兩設備艏向角的固定偏差的相對值估計，即背景流方向作為兩設備坐標系的一致參考方向，估計兩設備羅經固定偏角的差值。兩設備羅經固定偏角的相對值，不影響方向結果DP的相關性系數分析，但是會影響單組次方向譜對比。圖3為兩設備坐標系與背景流關系示意圖。

圖3 兩設備坐標系與背景流關系示意圖

每測量組次的背景海流測量是組次內多幀流速剖面測量結果的平均值，測得的流速方向為設備坐標系下的艏向到流向的夾角（逆時針為正），設備艏向方位角為地理北向到艏向的夾角（順時針為正），設備艏向方位角減去設備坐標系下流速方向，得到地理坐標系下背景海流方向。考慮設備艏向測量值的偏差，兩設備坐標系通過背景海流作為參考建立聯系，關系式表達為：

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

4.2 第一次比測實驗結果

第一次比測實驗觀測時段為2019年12月25日至31日，觀測周期為每半個時的前20 min進行一組觀測，共獲取了239組結果。實驗期間的全組次流速剖面中選取中層背景流方向進行對比，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）的背景流方向結果序列，如圖4（b）所示。對兩儀器固有偏差的相對值進行統計平均，得到第一次比測實驗中兩設備羅經固有偏差的相對值為 9.3°。

圖4 兩型設備輸出背景流方向對比(第一次實驗)

第一次試驗的波浪反演結果序列對比圖見圖5。序列統計表明試驗時間段內，布放點波浪特征觀測結果：（1）有效波高HS，IOA觀測值為0.13～2.83 m，RDI觀測值為0.12～3.05 m，波浪浮標結果為有效波高HS與ADCP測波結果一致性很好；（2）譜峰周期TP，IOA觀測值為2.9～7.72 s，RDI觀測值為2.6～7.5 s；波浪浮標結果為有效波周期TS與ADCP結果趨勢一致性較好，數值上比ADCP結果略微偏小；（3）譜峰方向DP，分布范圍為0°～360°，趨勢對比中，使用實驗平臺提供的波浪浮標波向結果中主波向Dmain作為參照。由于方向結果存在360°周期性，為了便于對兩列DP序列進行趨勢對比，當兩列DP結果序列相差大于180°、小于180°時，對該點IOA Wave ADCP的DP值分別減、加360°。

第一次比測實驗期間波浪方向主要為北向、東向和東南向，圖6為第一次比測實驗的兩型設備的譜峰方向DP結果對比散點圖，其中譜峰方向修正序列IOA-DP-rev是IOA-DP序列減去“兩設備羅經固有偏差的相對值9.3°”。對散點圖中的奇異點對應組次進行單組次分析，認為產生奇異點的主要原因是：這些組次的觀測期間，有效波高較小、波浪數據信噪比不高，且存在能量相當、頻率相近、方向不同的雙峰波浪，可能與實驗點以北的海底地形有關。由于RDI Sentinel V傾斜波束傾角更大、豎直波束開角較大，相對于IOA Wave ADCP，RDI Sentinel V測波浪結果總體會表現為低估高頻、上限截止頻率相對偏低，因此兩型設備估計得到方向譜譜峰方向在個別組次存在明顯差異。

圖6 譜峰方向Dp對比散點圖(第一次實驗)

4.3 第二次比測實驗結果

第二次比測實驗觀測時段為2020年9月17日至10月1日，觀測周期為每一個時的前20 min進行一組觀測，共獲取了332組結果。實驗期間的全組次流速剖面中選取中層背景流方向進行對比圖，如圖7（a），選取背景流幅值大于0.3 m/s組次（共108組）的背景流方向結果序列，如圖7（b）對兩儀器固有偏差的相對值進行統計平均，得到第二次比測實驗中兩設備羅經固有偏差的相對值為 6.1°。兩次比測實驗的兩型設備羅經固定偏差相對值有所差異，原因可能是兩次實驗非連續進行，設備安裝坐底支架和更換電池等原因改變了磁場干擾。

圖7 兩型設備輸出背景流方向對比(第二次實驗)

第二次試驗的波浪反演結果序列對比圖，如圖8。序列統計表明試驗時間段內，布放點波浪特征觀測結果如下：（1）有效波高HS，IOA觀測值為0.12～1.37 m，RDI觀測值為0.20～1.34 m；（2）譜峰周期TP，IOA觀測值為2.88～6.73 s，RDI觀測值為2.7～6.7 s；波浪浮標結果中有效波周期TS序列用于參照對比；（3）譜峰方向DP，兩型ADCP參與對比的波向結果為方向譜譜峰波向DP，實驗平臺波浪浮標波向結果中主波向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 波浪主要參數結果序列對比(第二次實驗)

第二次比測實驗期間波浪方向主要為西北向和東向，圖9為第二次比測實驗的兩型設備的譜峰方向DP結果對比散點圖，其中譜峰方向修真序列IOA-DP-rev是IOA-DP序列減去“兩設備羅經固有偏差的相對值6.1°”。

4.4 相關性分析和趨勢分析

兩型波浪測量聲學儀器布放于同一區域的觀測波浪，分別使用配套波浪反演程序對原始數據集進行預處理和后處理，提取重疊的同步時間段的波浪觀測輸出結果有效波高HS、譜峰波周期TP，譜峰波向DP等主要參數序列用于比對。同類不同儀器之間的海上比測時，一般對結果序列進行相關處理，海上對比測試試驗結果采用相關系數準則評價。測量結果序列X和參考結果序列Y之間的相關系數計算式如下。

式中，ρXY是兩序列相關系數；Cov(X,Y)是兩序列的協方差；Xσ和Yσ是兩序列標準差。

依據該評價標準，分別統計波高、波周期、波向三項指標結果的相關系數，見表2。由于聲學法測波浪屬于遙感觀測方法，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，旁瓣回波干擾測高和測流結果，導致波浪觀測數據質量下降、信噪比較低（波浪能量與觀測噪聲水平相當），因此大深度布放且低海況條件下測量結果不具有可對比性。兩次實驗布放水深為29～31 m，HS和TP參數的對比組次條件為HS大于0.2 m，DP參數的對比組次條件為HS大于0.4 m，這樣的參數對比下限條件設置依據：參照設備TRDI Sentinel V S50參數手冊中注明了波浪觀測檢測域，非方向性參數可檢測最小有效波高HS為0.15 m，方向性參數可檢測有效波高HS為0.15 m，按照0.05 m的觀測預估誤差，因此將非方向性參數對比條件設為TRDI輸出HS大于0.2 m的組次。由于在兩次比測實驗中儀器布放深度較大，實驗海域的小波浪多為HS小于0.4 m、TP大于4 s的涌浪，海表比較平整導致聲學表面跟蹤測高數據質量下降，這類波浪條件下，次表層水體中波生往復流流速幅值（約為10 cm/s量級）與Sentinel V ADCP單ping測流標準差（約為7 cm/s，1 m層厚寬帶測量，參看TRDI Sentinel V S50參數冊）的量級相當，因此將方向性參數對比條件設為TRDI輸出HS大于0.4 m的組次。

表2 兩次比測實驗結果序列相關系數表

IOA Wave ADCP測波結果與實驗平臺附近波浪浮標測波結果對比時，由于作為參照的浮標測波結果序列被認為全部有效，因此，兩者測波結果進行全組次的相關性分析。兩次比測實驗結果序列相關系數結果如表2，對于非方向性參數結果，三型測波儀器的結果序列一致性很高，對于方向性參數結果，國內外兩型ADCP作為同種同類儀器測波結果相關性更好。第一次實驗相比于第二次實驗，觀測期間的波浪能量更大，實驗結果序列相關性表現得更顯著。

威海市褚島北部的國家淺海海洋綜合試驗場提供了實驗觀測期間的氣象數據和波浪浮標觀測記錄，處理后獲取了風速風向和波浪參數等，第一次實驗為121組結果，第二次實驗為326組結果。由于波浪浮標提供的波參數主要為統計分析得到非方向性參數（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、方向性參數中的主波向Dmain，如圖5和圖8所示，浮標觀測結果序列基本變化趨勢與IOA Wave ADCP測波浪結果一致性較好，但是相對值存在一定差異。如表2所示，實驗平臺波浪浮標后報結果與IOA Wave ADCP結果序列，全組次進行相關系數對比，浮標觀測結果只作為三參數結果序列變化趨勢和極值的參考。

5 結 論

使用國內外兩型五波束ADCP進行波浪觀測現場對比測試實驗，對有效波高HS、波譜譜峰周期TP和方向譜譜峰波向DP等主要波浪參數結果序列分別進行相關性分析。兩型設備的測量原理相同，但是數據采樣率、采樣方案和質控策略存在一定差異，兩型設備的測速測高原始數據測量誤差水平也因工作頻率、脈沖長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對比、HS大于0.4 m組次用于方向性參數對比，減小聲學測波浪檢測域下限限制和原始數據本底噪聲水平微小差異的影響，增加實驗顯著性。兩次比測實驗結果表明，有效波高HS和譜峰方向DP兩參數的相關性較好，相關系數大于0.9，而譜峰周期TP相關性會因波浪較小（數據信噪比下降）、觀測時長變短等影響而下降。

總體而言，在相對開闊海域的兩次重復性波浪觀測對比實驗，兩型裝備的測波浪性能差異較小。適應性方面，IOA Wave ADCP因波束開角較小，在波浪非方向性參數觀測方面的適應性和穩定性較好；TRDI Sentinel V憑借傾斜波束傾角較大在測流方面存在優勢，在方向估計方面的適應性和穩定性較好。另外，依據理論分析，IOA Wave ADCP波束傾角小、陣列孔徑較小，相同深度布放時，方向譜測量截止頻率上限更高，在高頻風浪觀測方面具有顯著優勢。