基于压差法的波向测量方法初步研究

上的波浪在 360
°上均有浪向分布。在某一时刻,不同
得圆周上不同点的压差数据,采用最小二乘法对采集
方向上的波浪能量分布不同,其主波向上的波浪能量
的圆周上多点压差值进行数据拟合,可得出压差值的
分布最大,波浪能量同波高和波周期有关,通过将多个
变化曲线是一条拟合的正弦曲线,找出变化曲线的峰
压力传感器在水下布设呈一定几何形状,可测量海浪
方向上的压力传感器同圆心点上的压力传感器之间的差值进行分析,找出变化规律与波向的关系,以此得出真实的波向分
布。本文通过波浪水池实验验证了该方法的可行性,并通过对实验数据的解析初步得出了压差变化规律与波向的变换关
系。
关键词: 波向测量;压力传感器;压差测量;水下安装;几何分布;圆周压差法
中图法分类号: P756.
33
.75 m 的铰接推板式不规则波造波机,最大工作水深
1
.2 m,波高变化范围0
.05~0
.25 m,波周期变化范围
0
.5~2
.5s,在合适周期范围内斜向规则波最大波向角
45
°(最大有效波高 0
.16 m),可模拟规则波、椭圆余弦
波、叠加破碎波、孤立波、国内外常用的频谱(
J谱、
PM
谱、
B 谱、
MPM 谱、中国港工规范谱等)以及自定义频
波浪传播方向是指波浪的来向[5],仪器观测一般
图3 水池中的实验装置
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规定从北向南(参考地理北或磁北)传播的波向为 0
°,
且沿顺时针方向(北 → 东 → 南 → 西 → 北)从 0
°增大到
360
°6 。水池中波向是固定沿水池长度方向传播,为实
文献标志码: A
6
:
/
DOI 10.
16441j.
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20230200
文章编号: 1672
5174(
2024)
05
135
08
引用格式: 唐原广,赵曙东,周丽琴,等.基于压差法的波向测量方法初步研究[
J].中国海洋大学学报(自然科学版),
2024,54(
5):135
142.
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值并结合海浪变化规律可解析出波浪方向。
在各个压力点上的波高和周期,如果独立地计算各个
2 波浪水池实验
压力传感器测量值,按波浪统计原理,其得出的波浪统
计结果(波高和周期的统计值)应是一样的,这样独立
本研究尊重海洋客观变化规律,首先利用波浪实
分析各个压力传感器是无法判断出波向的,这也是目
验水池造波机产生波浪,通过放置在水池中的波向测
5期
唐原广,等:基于压差法的波向测量方法初步研究
137
0
°~30
°、
30
°~45
°、
45
°~60
°、
60
°~90
°变化时同圆心 A
传感器的压力差的变化曲线。通过分析可得出以下实
验结论:不论采用的是规则波还是不规则波,其压力差
是从大到小变化的,
0
°方向上(主波向)压差值最大,
90
°
方向压差值最小,采用最小二乘法对 5 个点连续测得
改变 C 点传感器位置以进行下一组数据。图 4 为造波
机产生的波浪,实验中的波浪水池的水深约 60cm,测
量装置放置在水池底部,并用压载物固定住测量装置。
图2 圆周压差法波向测量图
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GPS 信号强弱和波浪浮标
[
2]
运动的 影 响 。其 波 向 测 量 精 度 在 高 海 况 时 误 差 在
长期布放以免于维护保养的优良特性。现在已经有成
骑士 DWR 型浮标,波向测量精度除受锚系浮体影响,
❋
采用压力传感器的测波仪具有低成本、低功耗、可
熟的产品应用于波高和波周期测量,但采用压力传感
基金项目:国家自然科学基金原创探索项目(
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SZF 系列波浪浮标和山东省 海 洋 仪 器 仪 表 研 究 所 的
SBF 系列浮标等,波浪浮标在使用过程中,受风、浪、流
和锚系对浮标体自身运动的影响会造成测量的波向失
30
°以上。
坐底测量一般采用声学和电磁海流。声学测波产
品主要有超声波多普勒剖面流速仪(
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目前存在着在大浪情况下测
B 传感器固定在圆环上(为实验方便,可假设波
向是从 B 点传来的,并经过圆心 A 点);
C 传感器布置
在圆环上并与 B 点在同一个象限内进行调整,通过调
整 C 点传感器的位置(假设 B 点处于0
°波向,
C 点从 0
°
到90
°变化),分析 B、
A 两点间的压差值同可变点 C 和
A 点间压差值的变化关系。
位是随波浪方向变化的,对圆环上不同方向上的压力
传感器同圆心点上的压力传感器之间的差 值 进 行 分
析,找出压差变化规律与波向的关系,通过对这一变化
规律的分析,并通过反演来推算波面的传播方向,以获
取表层的波向,同时利用圆心点上的压力传感器测出
波高、波周期,获得的波高 值 还 需 进 行 波 浪 衰 减 的 补
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2022YFB3207400)
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收稿日期:2023
06
13;修订日期:2023
08
28
作者简介:唐原广(
1963—
),男,博士,教授。Ema
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136
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海
洋
大
学
学
2024 年
偿。测量装置如图 1 所示,c1—c5 为分布在圆环上同
一象限内的压力传感器,
c0 为圆心点上的压力传感器,
实际应用中还需要采用电子罗盘和姿态校正。
目前开展的研究工作是将多个压力传感器布置在
同一个象限内以测量来自该象限内的波向,对于来自
其他三个象限波向的变化规律可根据该象限内的压差
数据结合波浪水池实验及后期的海上实验进行推算。
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y),是利用测量水下水质点的
运动速度结合压力传感器反演波向,但运动速度随着
真,实测波向精度同实验室标定的精度差距较大。基
水深的增加也随之衰减,反演波向效果较差。现在采
于 GPS原理的产品主要有荷兰 d
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l公司的波浪
用这种方式的方向测波仪已基本淘汰。
同时还会受差分基站位置、
1 测量原理及方法
海洋科学是一门实践科学,本研究提出的基于压
差法波向测量新方法,其研究基础是根据作者多年研
制系列波浪浮标、水下压力式浪潮流测量系统海洋仪
器的经验及通过长期在海上现场观察不同海况下的波
浪运动规律总结探索出来的一种波向测量新方法。
该方法的 基 本 测 量 原 理 基 于 海 浪 的 运 动 变 化 规
摘
要: 为解决波向测量误差大的问题,本文首次提出了一种基于压差法的波向测量新技术,根据海浪的运动变化规律,
在这里巧妙地引进了压差技术,通过对放置在水下一个圆环上多个压力传感器同圆心点上的压差变化进行分析可以得出,
圆环上不同方向上的压力传感器同圆心点上的压力传感器之间的差值及相位是随波浪方向变化而变化的,对圆环上不同
(水下)测量[1]。
岸基测量一般采用无线电磁波,主要设备有 X 波
段雷达,其成本昂贵、高功耗、波向测量精度差。
海面测量一般采用浮标,根据工作原理浮标传感
器可分为重力加速度式和全球卫星导航定位(
GPS)方
式。采 用 重 力 加 速 度 原 理 的 波 浪 浮 标 主 要 有 荷 兰
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l公司的波浪骑士波浪浮标、中国海洋大学的
谱描述的不规则波。实验大厅还配有起重质量达 3t
的天车以及 XY 拖曳行车(主车车速达 2 m/s、副车车
速达1
.5 m/
s),满足各种工程和科研实验要求。
2.
2 实验装置
设计一个水下环形阵列结构,圆环直径为 60cm,
在圆环上布置 B 和 C 两只压力传感器,圆心点上布置
压力传感器 A,如图2所示。
置,
将其放在海底,圆环与圆心上分布有压力传感器,
可行性。
应的波浪压差值进行分析,可以得出圆环上不同方向
2.
1 波浪水池
本实验是在中国海洋大学山东省海洋工程重点实
上的压力传感器同圆心点上的压力传感器的差值及相
验室的平面波浪水池开 展 的。平 面 波 浪 水 池 配 有 长
对圆环上多个压力传感器同圆心点上的压力传感器感
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an 公司生产的 S4 方向测波仪,其原理为 PUV
测波法(同步观测波浪压力和双向质点速 度 的 方 法,
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实验采用3只压力传感器来验证压差法测波向的
可行性:在一个圆环装置上布置了 3 只高精度表压传
感器(精度0
.05%,量程 20 m),圆环的直径为 60cm,
将3只传感器固定在圆环支架上,并使其保持在同一
水平面上。其中 A 传感器固定在圆环的中心位置并保
持不动;
前国际上采用压力传感器仅能测量波高和 周 期 的 原
量装置测量出圆周上压力传感器的压差值,对多点压
因。
差值进行曲线拟合,解析出变化曲线方程,找出变化曲
本研究中,通过长期的海上观测结合海浪的运动
线与波向的变化关系,通过对实验数据的分析验证了
变化规律,巧妙地引进了压差技术,通过设计一圆环装
本研究提出的基于压差法波向测量新技术研究方法的
42150203);国家重点研究发展计划智能传感器专项(
2022YFB3207400)资助
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器测 量 波 向 的 成 熟 产 品 还 未 见 报 道,只 有 Ga
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l3 使用3个三角分布的压力传感器采用交叉谱
对波向测量进行过研究。
本研究中采用的基于压差法的波向测量研究,是
在世界上首次提出的一种解决波向测量问题的新方法
和新技术,目前世界上没有可借鉴的研究方法及技术
路线。
律,波浪可以看作是无数不同方向、不同周期、不同振
幅、不同相位的正弦波叠加[4],经过海面上某一水质点
图1 圆周压差法波向测量装置
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通过波浪水池实验,利用压差法波向测量装置测
验方便,建立如图2所示的设备坐标,
A 传感器位于原
[]
点,
Y 轴正方向指向 B 传感器,并规定从Y 轴正向至Y
轴负向传播的波向为0
°,且沿顺时针方向(