海洋水文要素传感技术

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1、海洋水文要素传感技术——波浪浮标姓名：王志光学号：21140911022摘要：波浪浮标是一种无人值守的能自动、定点、定时（或连续）地对海面波浪的高度、波浪周期及波浪传播方向等要素进行遥测的小型浮标测量系统。本文在介绍国内外波浪浮标研究使用现状的基础上，重点介绍基于加速度传感器和基于GPS传感器的波浪浮标。关键词：波浪浮标；加速度传感器；GPS传感器引言海浪是发生在海洋中的一种波动，是海水运动的主要形式之一。海浪形成的主要原因是由于海洋水体受外力作用时，水质点离开平衡位置而往复运动，并向一定的方向传播，此种运动称为波动

2、。海浪是主要包括风浪、涌浪和近岸浪，其周期一般界于1～20秒之间。根据现行的《海滨观测规范》（GB/T14914-2006）规定[1]，海浪的主要的观测要素是波高、周期、波型、波向和海况。在海洋工程建设、海洋灾害预防、航海安全等领域中，海浪是最重要且最复杂的一种海洋气象要素。随着我国综合国力和国际地位的提升，海洋监测发挥越来越重要的作用。我国自古以来就是海洋大国，海岸线长达18000余公里。通过研究和开发海洋来发展必然是我国不断提升国际地位的必走之路[2]。波浪浮标是一种小型浮标测量系统，无人值守，可以长期、自动、定

3、点、定时、全天候的对海浪高度、波浪传播方向、波浪周期、功率谱和方向谱等水文要素进行遥测。波浪浮标在海洋的任何气象和海域情况下都可以采集海洋环境不同的水文要素信息，因此浮标经常被海洋工作者们比喻成为“海洋自动观测站”[3]。国内外发展现状及趋势广泛使用和研发波浪浮标的国家有美国、加拿大、荷兰、中国等。荷兰Datawell公司的波浪骑士波浪方向浮标[4]；美国的956型及其改良型1156型波浪跟踪浮标；加拿大AXYS公司的波浪方向浮标TRIAXYS™等。在多传感器的波浪浮标系统中，由于不同的传感器特征不同，将时间上和空间

4、上的信息按照某种优化算法组合起来，可以获得更多有效的波浪信息。应用较为广泛的是基于GPS技术的波浪浮标和基于加速度传感器的波浪浮标。其中基于加速度传感器的波浪浮标又可以分为两种类型，一种是基于三轴加速度传感器，可以测量浮标随波运动的三轴运动的加速度和三轴旋转（航向角、俯仰角和横滚角），进而估算出海洋参数。另一种是基于重力传感器。第一类基于加速度传感器的波浪浮标，以加拿大著名的浮标生产厂家AXYS公司生产TRIAXYS™波浪浮标为代表，它使用1000G防震固态传感器，内有三个加速度计、三个角速度计、一个罗盘，使用同加拿

5、大国家研究委员会联合开发的专利软件，精确的对波浪进行各种数据计算和统计。由于是采用固态传感器，因此波浪浮标具有可自由旋转和抗低温的性能。它使用太阳能板给蓄电池充电的供电方式，4到5年内，不必更换电池，节省了大量人力物力。采用最新专利的标体材料，抗撞击和抗刺穿能力强。天线、防撞灯及红外接口位于透明聚碳酸酯圆顶内部，避免了被损坏的情况。不需要打开标体的情况下，可以直接使用红外接口对浮标进行设置。可以测得波浪范围为:±20m；涌浪精确度:优于2%；涌浪分辨率:1cm；涌浪周期：1.6到33秒。并且配备先进的波浪分析软件，可

6、以分析波高、波向、波浪周期进行的波浪波谱分析、波浪能量分析、跨零点统计分析等。它是世界上最先进的测量波浪的工具之一。第二类基于加速度传感器的波浪浮标，以波浪骑士MKIII型测波浮标为代表，它基于已被充分证明的精确的稳定平台传感器，采用一个加速度计即可测量波高。在波向方面，可以直接测量纵横摇而不需要积分。结合了水平加速度计和罗经后，构成了完整的传感器单元核心部分。可以测得的波高范围：-20m~+20m；分辨率：0.01m；精度：定标后小于测量值的0.5%；3年后小于测量值的1.0%；周期：1.6s~30s。可以测得波的

7、向范围：0°~360°；分辨率：1.4°；浮标艏向误差：0.4°~2°（与纬度有关），典型0.5°；周期：1.6s~30s。波浪骑士是波高和波向测量的世界标准。基于GPS技术的波浪浮标有单点GPS，差分GPS，实时动态GPS等多种。GPS波浪浮标测波方法GPS提供全天候测量，测量所得三维数据具有较高精度。荷兰Datawell公司出产的差分GPS浮标只含一个GPS传感器，体积较小，成本低，内部没有移动部件，更加轻便，获得的数据质量也更精确[3]。GPS浮标的核心就是GPS接收机。在2000年之前，GPS接收机精确度只能

8、达到分米每秒。2000年5月之后，美国政府取消了选择可用性干扰，价格较低的GPS接收机的精确度也可以达到厘米每秒量级，可以获得较高精度的测量结果，GPS浮标的使用更加普遍[5⁃7]。武汉大学的程世来、张小红等探讨了使用精密单点定位技术，并用Trip软件对浮标数据进行调整计算，从而为预警海啸提供了极具可行性的新方法[8]。中国台湾成功大学的邱冠维