尧怡陇，王敬东，叶 松，王晓蕾，周树道

（1.南京航空航天大学，江苏 南京 210016；2.解放军理工大学气象学院，江苏 南京 211101）

0 引 言

海浪和潮汐对航海、海洋资源开发和海上军事活动等均有很大的影响，而海浪和潮汐资料的精度又与获得第一手资料的观测技术密切相关。随着海洋技术的发展和进步，波浪、潮汐和水位观测仪器的种类日趋多样。按测量原理的不同可划分为重力式、压力式、声学式、光学式和遥感式；按观测方法的不同可划分为人工观测和仪器观测两种。

人工观测需观测员借助一些观测设备（如方位仪、秒表等），在岸站或船只上面向被测水域，依据一定的观测规范记录和处理数据，完成波浪、潮汐和水位的测量任务[1]。本文重点讨论仪器观测方法。

1 仪器观测法

随着传感器和测量理论的进步，基于不同测量原理的波浪、潮汐及水位测量仪不断增多。按仪器布设的空间位置不同[2]，对波浪、潮汐和水位测量技术展开分析，如图1所示。

1.1 水下测量技术

水下测量方法减少了仪器随波流引发的不稳定性，可降低设备易丢失、意外碰撞的危险性，提高观测的安全性。尤其在潮汐/水位测量时，具有无需建站、方便投放、观测费用低等优点[3]。根据测量原理不同可分为压力、声学以及光学测量等。

图1 波浪、潮汐和水位测量分类

压力测量是利用高分辨率压力传感器测得波面升降或潮位、水位变化引起的压力波动，根据压力变化可求得表面波谱（由海浪统计要素与其关系得到特征波高、波周期）、潮位或水位变化[4-5]。国外研究机构为实现压力测波仪测量波向的功能，提出假设：给定频率的波浪传播方向无交叉，即波向具有一致性，将流速计与其结合做同步观测，确定波向[6]，如美国Inter Ocean公司的S4[7]等。

在实际应用中，由于压力测量理论公式是依据小波、线性理论推导的，但表面波引起的压力变化随深度衰减，且水层过滤作用是非线性、随频率而异的，而且测波时铅直方向上的加速度也会对压强分布产生一定影响[8]。单靠修正系数将水下测得的波压变化准确地换算为表面波特征波高或波谱是很困难的，尤其是复杂海况下测波，目前还缺乏理论和资料上的支持，故压力测量更适用于潮汐、水位测量。

声学测量是依据多普勒（Doppler）和超声波回波测距原理，结合矢量合成方法和海面高度变化时间序列数据分析技术实现测量[9]。倒置海底的回声测深仪利用声学换能器垂直地向海面发射声脉冲，通过回波信号测出换能器至海面垂直距离的变化，再换算成波高、水位[10]。

水下光学测量是依据水下发射光场和海面波高的相关性测量波浪的一些物理参数。如水下小角度现场光学放射测量仪可自动遥测波浪特性，该类测波仪在国内很少使用。

上述3种方法各有优缺点和局限性，可以用多种方法联合测量的方式，提高测量的准确性[11]，根据所测环境有所侧重、优势互补，消除单一方法测量带来的误差。

1.2 水面测量技术

水面测量主要有测波杆、浮标和船载波浪测量系统3种技术。测波杆用于近岸、潮汐/水位测量，后两种主要用于近、远海测量。

测波杆是一种较为古老的测量方法，根据原理不同可分为电阻式、电容式、传输线式和阶式4种。现今常用于水库、湖泊等水域测量，有时也用于近海岸测量[12]。

浮标测波是借助随波浪升降的浮标，利用内置的垂直加速度传感器测到波浪升降的加速度变化信号，经该信号的两次积分给出浮标升降位移，进而利用浮标在不同周期波浪作用下的响应函数，得出波浪频谱和相应的时间序列，进一步数据分析处理可获得波高、波周期等波浪要素[13-14]。

海洋浮标的种类繁多，按测量形式可分为锚定和漂流浮标两种。前者是浮体用锚和链固定在海洋中的某一点上进行观测，亦称海洋环境资料浮标，包括气象资料浮标、海水水质监测浮标、波浪浮标等；后者是在海面或一定深度随海流漂动的浮标，用卫星或声学方法获得其位置信息，包括中性浮标、表面漂流浮标、各种小型漂流器等。

无论是锚定浮标，还是漂流浮标，都要求浮体具有良好的随波性；足够的抗倾覆能力，以适应恶劣的海况环境；较强的抗水平流作用能力，以保持浮标的正浮姿态，减少倾角引起的测量误差；体积不宜过大，便于投放使用。常用浮体形式有圆盘形、球形、船形、柱形，它们各有特点：圆盘形结构对称、机械强度大、可利用面积大、造价低、随波性好、稳定性好；球形浮标稳定性较好，而随波面倾斜的性能差；船形浮体线性好、重量轻、抗风浪流的能力强、不易倾翻、适于强海流的海区工作等；圆柱形浮体吃水线深、稳性好、不易倾翻、造价低等。

一直以来，浮标波向是波浪测量中的难点和重点。在常用的波向测量方法中，对于基于重力加速度原理的浮标[15]，是利用波高倾斜传感器配合方位传感器测量摆轴的转角大小和方向，获得纵倾和横倾参数，进行波向参数的测量。对基于同步观测压力和矢量流速原理（PUV）的浮标，是采用电磁海流传感器和电子罗盘测量流速、流向，估计波浪方向谱，从而求出主波向。对基于GPS测量原理的浮标，是通过接收GPS信号获得三维速度和位移信号，推算波向信息[16]。

船载波浪测量系统（SBWR）主要是指以舰船作为载体的波浪测量系统，而舰船随波浪的运动，对测波有较大的影响，故将舰船也视为测波系统的一部分，可划分到水面测波技术中。现有船载波浪测量系统基于的原理较多，如：将垂直加速度计和压力计对称安装在船的两侧进行测波，要求压力计必须能浸在水里足够深的地方（一般要求至少1m），以便于消除一些短波的压力干扰；将气介式声学、激光或微波等波浪仪安装在船头，测量波浪和船舶运动的相对距离，并在同一地点安装加速度计，用以消除船舶颠簸、摇晃的影响，就可得到波浪运动特征。如王军成等研制的船基激光法波浪测量仪器[17]，可连续记录航行过程中波浪变化的有关信息；中国海洋大学利用三轴加速度传感器、方位传感器以及GPS接收机等实现了船载测波，方位传感器用于测量航向、倾斜角和磁场强度，利用GPS接收机对所测数据进行补偿，减少船速对系统测量的影响[18]。

1.3 水上测量技术

水上测量技术主要指借助于陆上高大平台、飞机等进行的波浪测量。在过去十余年中，该测量技术的最大进步表现在微波遥感方面。根据其测量原理不同可分为以下4种。

气介式声学测量是在水面以上向水面发射超声波，经水面反射后返回，接收经过时间，若声速已知，即可得到距离。此种方法误差主要来源为声速和测量时间，声速可利用高精度的风速仪进行修正补偿。由于声速与温度有关，也可以用简单的测温方法来计算声速。系统误差主要来自大气温度测量和时间测量两方面[19]，重点取决于温度传感器的测温精度和准确的时间检测方法，时间测量较为准确的方法有电平检测法和相关检测法[20]。

航空摄影技术是在飞机、舰船或岸边建筑物上对海浪进行拍照，对这些记录进行傅里叶变换、图像滤波、颜色编码[21]等复杂的处理，可得到波面高度的分布。国内提出一种利用视频图像坐标变换和波浪爬高的图像[22]，通过图像处理、直接线性变换法以及相关校正算法，找出波浪爬高的世界坐标系坐标和图像坐标系坐标之间的转换关系，从而求得近海岸海浪要素。但这一技术尚不成熟，尤其是在图像处理算法方面还须进行深入的研究。

激光测量类似于气介式声学测量，利用安装在平台、飞机上的激光发射装置，精确地测得从仪器到海表面垂直高度，从而获得波高、波周期等参数。如姚春华等分析讨论了采用机载红外激光测量海表的精度和探测概率，并针对扫描角、海面风速对探测精度的影响问题提出改进方案[23]。

雷达技术是通过入射到海洋表面的雷达电磁波，与波浪中的短波部分产生Bragg共振，其后向散射回波被雷达接收，形成海杂波，经调制体现在雷达图像上，进行海浪方向谱反演，通常分为影像或非影像技术2种[26]。任福安等[27]首次利用自行研制的船载海浪雷达图像测量记录仪观测海面波浪，将海浪反射的雷达回波视频信号经数字化处理、以数字图像模式送入计算机进行海浪图像数值化处理，研究开发了雷达海浪图像观测和处理系统，得到雷达海浪数值图和二维波谱以及波向、波高、波周期和波速等波浪主要参数；何宜军等[28]利用合成孔径雷达图像谱的信噪比与有效波高的线性关系和最优方法反演得到海浪方向谱，计算有效波高，后来被应用在X波段雷达图像估计有效波高上。

1.4 空间测量技术

空间测量技术主要指用卫星微波遥感技术测量波浪，与传统测量完全不同。目前，存在3种卫星微波遥感仪器可观测海面风和波浪信息，其中卫星高度计可测量出海面有效波高[29]，进行波浪周期反演[30]；散射计可测量出海面风场，通过一定的反演算法也可得到波浪的信息；合成孔径雷达（SAR）可测量有效波高和海浪方向谱，确定海浪的传播方向[31]。

2 不同测量法的技术难点及特点比较

按照上述分类方式，对基于不同原理波浪、潮汐、水位测量方法的技术难点及优、缺点进行比较分析总结，得出结论如表1所示。

3 国内波浪、潮汐观测存在的问题及思考

我国的海洋科学研究起步较晚，波浪、潮汐观测技术、建站能力、监测产品等方面，与发达国家相比有一定差距，还难以满足海洋资源开发、灾害预报、海洋运输以及走向深远海战略发展的需求。结合我国波浪、潮汐观测技术发展现状和未来发展的需求，提出一些初步的设想。

3.1 加强新技术在波浪、潮汐测量上的应用研究

新技术在波浪、潮汐测量上的应用研究还不够深入、广泛。目前，传感器、计算机、嵌入式系统、自动控制、数据采集与处理等技术在迅速发展，为提高我国波浪、潮汐观测的自动化、智能化水平提供了可能；但这些技术在波浪、潮汐观测上的应用相对还是较为滞后。根据近几年相关技术文献[2，5-6，10]和测波、测潮产品来看，我国在波浪、潮汐测量方面虽也取得了比较大的进步，如多种测量原理的应用、观测数据记录、通信、处理等。但在产品小型化、高新材料的应用、远程无线通信技术、自动化、智能化程度以及实时性、连续观测等方面，需要大量高新科技有效融合应用，才能逐渐缩短与国外的差距。

3.2 加强海洋全要素、立体观测的网络化、集成化、智能化建设

国内海洋全要素、立体观测的网络化、集成化、智能化建设与国外差距较大。从前面对测量原理的分析来看，卫星遥感是目前唯一可以实现大尺度、宽范围海浪测量的方法，但卫星遥感有其明显的局限性（二维性、精度、分辨率和采样频率低）。对于近岸监测，地波雷达的应用在很大程度改善了对海洋、波浪的监测精度、分辨率和采样频率，但二维局限仍存在，而且国内使用雷达海上进行测波技术仅是近几年的事，雷达反演波浪信息的算法还不够成熟，尤其是在雷达测量有效波高方面，仍有很多问题需要进一步研究。未来的发展趋势应该是从空中、水面、水下、沿岸对海洋的水文、气象要素进行立体监测，各种手段优势互补，构成完整的立体监测系统；但国内海洋仪器的智能化程度还不够高，在便于操作、实时处理、综合性观测和智能采集等方面仍需改进。

表1 基于不同原理测量方法的技术难点及优缺点

3.3 加强大型、综合性观测平台关键技术研究

自主研发大型、综合性观测平台或浮标技术仍不成熟，许多关键技术仍没有完全掌握，是阻碍我国海洋观测网络化、智能化建设的主要瓶颈。从20世纪60年代中期至今，经过多年的研究发展，我国基本掌握了浮标设计、制造的关键技术，攻克了浮标壳体的密封耐压、浮标的自动潜入、上浮和定深控制、Argos卫星通信等技术难题。但国内自主研制浮标的整体技术水平和世界先进水平有相当的差距，尤其是硬件工艺问题，可靠性较差；部件缺乏标准化、通用化设计，一些部件国内还需进口。故我国应尽快提升自主研发能力，加快海洋仪器仪表标准化建设，提高新技术、新科技在海洋波浪、潮汐观测上的综合应用能力，为研发可稳定、连续、实时、综合性、智能化观测的平台打下基础。

3.4 加强计量和标定装置的研究

计量和标定装置发展相对海洋波浪、潮汐及水位测量仪器滞后，不能很好满足这类海洋水文仪器的检定工作。如国内现有的JBY1_1型波浪浮标检定装置，只能完成质量在180kg以下，直径1m以下的重力加速度式浮标、重力加速度计的1～6m量程检定工作[33]。但一般浮标的波高测量范围是0.1～20m，甚至可达到25m，无法实现其满量程校准，而且不具备准确校准波向的能力。水塔式潮汐/水位检定装置只能检定基于光学、声学、压力、浮子等原理的验潮仪、水位仪，潮汐检定范围0～8m[34]，同样存在无法实现满量程校准。

目前，转台技术、电机控制技术、溯源技术、系统设计方法等迅速发展，可为研究设计能有效地融合现存两种检定装置的功能，并具有波浪波向校准以及多种原理测波仪、验潮/水位仪等综合检定能力的检定装置提供技术支撑。

4 结束语

海洋波浪、潮汐、水位测量方法和手段日趋多样化，涉及众多学科，如材料科学、微机电、物理、无线电等，从材料、设计、加工、传感到控制、应用均需进一步深入研究。

本文根据海浪、潮汐、水位测量应用场合和空间的不同，对其进行分类，归纳总结各测量原理及其优缺点，着重分析了其中几种测量方法的技术难点，最后，结合国内海洋波浪、潮汐、水位测量领域的技术现状，探讨了其未来发展趋势。

虽测量方法和手段快速发展，但相关检定计量领域发展较为缓慢，本文研究也为课题组波、潮测试检定系统的研究和设计打下基础，通过科学的测试检定来确保测量仪器精度和所测数据准确性。

[1]侍茂崇.海洋调查方法导论[M].青岛：中国海洋大学出版社，2008：122-170.

[2]左其华.现场波浪观测技术发展和应用[J].海洋工程，2008，26（2）：124-139.

[3]刘赢.近海海水深度和浪高的测量[J].渤海大学学报：自然科学版，2005，26（2）：165-168.

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

[5]龙小敏.SZS3-1型压力式波潮仪[J].热带海洋学报，2005，24（3）：81-85.

[6]ADCP课题组.坐底式波流测量仪[J].海洋技术，2001，20（1）：88-92.

[7]屈新岳.ADP和S4海流计测量结果比较分析[J].声学与电子工程，2008（3）：51-53.

[8]李路平.深海压力式测波仪资料处理[J].黄渤海海洋，2000，18（2）：67-72.

[9]刘华兴.被动声学测波新方法的实验研究及应用[D].青岛：中国海洋大学，2010：2-13.

[10]李扬华.声学测波仪的研制[J].海洋技术，1996，15（4）：75-78.

[11]傅鑫昌.波浪测量分析仪的研制[J].热带海洋，1987，6（4）：70-78.

[12]JTJ/T 277-2006水运工程波浪观测和分析技术规程[S].北京：人民交通出版社，2006.

[13]唐原广，李琛.多功能波浪浮标的研制[J].气象水文海洋仪器，2004，3（4）：12-15.

[14]李小波.基于子母式浮标的海浪谱反演技术的研究[D].济南：山东科技大学，2008：3-10.

[15]陈常龙.一种新型浮标水动力特性研究及系留系统探讨[D].青岛：中国海洋大学，2010：1-12.

[16]张育玮，董东憬，李汁军，等.利用GPS量测波浪研究[J].海洋工程，2009，27（4）：73-80.

[17]王军成，候广利，刘岩，等.船基激光法波浪测量仪器的研究[J].海洋技术，2004，23（4）：14-17.

[18]元萍.一种船用波浪测量仪的设计[J].山东科技，2010，23（1）：51-55.

[19]孙强，孙军.SBY2-1型空气超声波浪仪[J].海洋技术，2007，26（4）：4-7.

[20]孙强.海浪波高仪的设计[D].厦门：厦门大学，2001.

[21]王岩峰，丁永耀.光学观测小波方法的比较研究[J].黄渤海海洋，1999，17（1）：35-39.

[22]齐占辉.视频图像坐标变换和波浪爬高的图像处理研究[D].天津：海洋技术中心，2009.

[23]姚春华，陈卫标，臧华国，等.机载激光测深系统中的精确海表测量[J].红外与激光工程，2003，32（4）：351-376.

[24]孙建.SAR影像的海浪信息反演[D].青岛：中国海洋大学，2005.

[25]段华敏，王剑.基于X波段雷达海面波高估计的改进方法[J].海洋通报，2009，28（2）：103-108.

[26]王淑娟，王剑，刘永玲，等.利用X波段雷达图像估计有效波高[J].海洋湖沼通报，2009：185-190.

[27]任福安，邵秘华，孙延维.船载雷达观测海浪的研究[J].海洋学报，2000（5）：152-156.

[28]何宜军.成像雷达海浪成像机制[J].中国科学，2000，30（5）：554-560.

[29]刘付前，骆永军，王超.卫星高度计应用研究现状分析[J].舰船电子工程，2009（183）：28-31.

[30]王喜凤.基于卫星高度计资料的海浪周期反演研究[D].青岛：中国海洋大学，2006.

[31]杨劲松，黄韦艮，周长宝.星载SAR海浪遥感中波向确定的一种新方法[J].遥感学报，2002，6（2）：113-116.

[32]徐莹.HY-2卫星高度计有效波高反演算法研究[D].青岛：中国海洋大学，2009.

[33]陈华秋，赵维三，李希玲，等.JBY1_1型波浪浮标检定装置[J].海洋技术，2001，20（4）：18-25.

[34]高占科，于惠莉，索利利，等.水位计（验潮仪）的检定和校准[J].计量技术，2007（7）：53-56.