我国近海波浪浮标的历史_现状与发展_毛祖松

我国近海波浪浮标的历史、现状与发展
毛祖松
(海军司令部航海保证部,天津　300042)
摘　要:回顾了我国波浪测量技术特别是近海波浪浮标技术的发展历程,提出了今后发展的若干建议。

关键词:波浪测量技术;波浪浮标;发展建议
中图分类号:P71512 文献标识码:C 文章编号:100322029(2007)022*******
1　引言
我国是一个濒海大国,拥有18000多km的大陆海岸和近300万km2的可管理的海域,有6000多个(500m2以上的)岛屿和1000多个可以利用的港湾。

近海波浪的观测研究对海洋开发、交通运输、国民经济建设、国防建设及海上舰船活动都有十分重要的作用。

波浪浮标是目前对海洋波浪进行长期、实时、定点观测的主要设备,发展波浪浮标是发展海洋观测的必然需求。

2　我国波浪测量技术的历史和现状
从20世纪60年代以来,我国的波浪测量技术特别是近海波浪浮标技术取得了一定的进展,国内一些单位如中国科学院海洋研究所、南海海洋研究所、山东省科学院海洋仪器仪表研究所、国家海洋技术中心、国家海洋局第三海洋研究所、中国海洋大学、中山市探海仪器公司等都进行了比较深入的研究和探索,取得了相应的成果和宝贵的经验。

这一发展过程大致分为三个阶段。

211　第一阶段
这一阶段从20世纪60年代中期到70年代中期,是我国波浪测量技术发展的起始阶段,主要是进行技术上的探索,其研究成果投入应用的较少。

1965年,为了适应我国海洋调查的需要,由国家计委、第一机械工业部、水利部、国家海洋局等在青岛组织全国海洋仪器会战,全面开展各种海洋仪器设备研制(共47项课题),其中就有岸用测波仪、岸用波浪自记仪、船用波浪自记仪、接触式测波仪(测波杆)、重力测波仪和船舷测波仪等7种波浪测量仪器设备。

21111　H05型岸用测波仪
收稿日期:2007201212 H05型岸用测波仪在海上布设一个浮标,在岸边架设双筒望远镜观测浮标的上下浮动幅度和周期,用以推算波高和波周期。

该设备基本上仿制前苏联的伊瓦诺夫测波仪,多用于岸边海洋观测站,一直沿用到上世纪的70～80年代。

21112　H32(S BF121)型岸用波浪自记仪
其原理是将一压力感应器件(多用波纹管)置于近岸的海底,感受波压的变化,通过电缆与岸边的自动电子电位记录仪相连,随时记录波压的变化,根据波压—电压的变化,转换计算出波高和周期的具体大小。

21113　H28型船用波浪自记仪
适用于锚泊的船只,也偶尔用于低流速时的漂泊船只。

该仪器的原理和岸用波浪自记仪相同,只是将仪器从船上放到海底或近海底,通过电缆与船上的电子电位仪相连。

21114　H37型接触式测波仪(测波杆)
在近岸的海水中架设一高度超过6m的立杆,杆上每隔一定距离安装一个触点,当波浪使一定数量的触点接通时,触点间电阻的变化就引起相应的电压变化,通过电缆传输到岸边的记录仪,可换算成相应的波高和波周期。

该方法在20世纪80年代以前多用于海岸工程建设的前期调查。

21115　船舷测波仪
该仪器采用加速度计原理,安装在船舷的工作室内,从测得船只的升沉和摇摆参数中分析换算出相应的波浪大小。

该仪器在我国没有形成产品。

21116　重力测波仪
采用重力加速度计,安装在一浮标上。

该浮标在船只的后方用绳缆牵着放出一定距离,在海上随波沉浮,所测加速度信号由电缆传到船上的主机完成双积分,给出电压量由记录仪自记。

该仪器虽存在寿命不长,但采用的原理已和后来普遍采用的测波原理相近。

21117　H44型遥测波浪仪
该仪器的测波原理和重力测波仪相同,所不同的是信号的传输方式不是电缆而是无线通信,最大的遥测距离可
第26卷　第2期2007年6月
海　洋　技　术
OCEAN T ECHNOLO GY
V ol126,N o12
June,2007
达10n m ile。

212　第二阶段
从20世纪70年代中期到80年代中期,是第二阶段。

在这个阶段里,一方面,基于重力加速度原理的波浪浮标继续发展,另一方面,声学测波仪(坐底式声学测波仪 气介式声学测波仪)和垂线测波仪也得到发展。

这些波浪测量仪器设备均不同程度地投入了实际使用,只是规模较小。

下面着重介绍两种基于重力加速度原理的波浪浮标。

21211　S BF121型遥测波浪仪
S BF l21型遥测波浪仪于20世纪70年代研究成功,采用双振弦式加速度计,加速度信号经双重积分,计算波浪的特征值,通过无线电传输到岸边接收站。

该仪器虽与第一阶段中的H44型遥测波浪仪十分接近,但加速度计的性能和数据传输都有了很大的提高。

其产品上个世纪70～80年代曾在国家海洋局一些海洋观测站使用。

21212　S BF222型近海遥测波浪仪
S BF222型近海遥测波浪仪是20世纪80年代初研制成功的,该测波仪的特点是:仪器由时钟控制自动开机工作,通过测量波浪水质点运动的加速度推算波浪特征值。

仪器整机由水面浮标、锚系和陆上接收、处理、打印、存储等部分组成,通过R S2232串行口与计算机连接转存波浪原始数据,进行波谱分析。

该浮标是一种适用于海洋站、港口码头、海岛及海上平台的无线电遥测波高及波周期的测波设备。

213　第三阶段
从20世纪80年代中期至今是第三阶段。

在国家高技术研究发展计划(863计划)、其它重大科研计划和专项任务的推动下,这个阶段我国波浪测量技术的发展有两个突出的特点:第一,基于重力加速度原理的波浪浮标深入发展,测量要素从波高、波周期扩展到波向。

国内波浪浮标技术逐渐成熟、完善,与国际先进水平的差距愈来愈小。

波浪浮标已经形成小批量生产能力,产品质量不断提高。

国内波浪浮标市场由上个世纪的进口产品占压倒优势,变成现在的国内产品与进口产品平分天下,在某些业务观测部门则是国内产品的使用占了上风。

第二,压力式波浪水位计、坐底式ADCP测波仪、PUV(压力传感器+两维海流传感器)测波仪、X波段雷达测波系统等20世纪90年代国际上采用的测波技术,在我国也得到了相应的发展,其中压力式波浪水位计已经形成产品。

下面介绍这个阶段比较有代表性的三种波浪浮标。

21311　SZF型波浪浮标
SZF型波浪浮标原来由中国科学院海洋研究所、现在由中国海洋大学研制生产,适用于近岸海域,已广泛地在海洋监测站及近海海洋工程勘察中使用。

SZF型波浪浮标采用重力加速度原理进行波浪测量,当浮标随波面变化作升沉运动时,安装在浮标内的垂直加速度计输出一个反映波面升沉运动加速度的变化信号,对该信号做二次积分处理后,即可得到对应于波面升沉运动高度变化的电压信号,将该信号进行模数转换和计算处理后可以得到波浪的各种特征值。

SZF221型波浪浮标利用波高倾斜一体化传感器和方位传感器,除了可以测得波高和波周期外,还可以测得浮标随波面纵倾、横倾和浮标方位的三组参数,通过计算处理,得到波浪的传播方向。

其性能如下:
(1)测量参数
SZF型波浪浮标的测量参数主要有:波高、波周期、波向。

测量范围及允许误差见表1:
表1　SZF型波浪浮标测量参数、范围及允许误差
测量参数测量范围测量允许误差
波浪高度0～20m±(013+5%×测量值),m 波浪周期2～20s±015s
波浪方向0～360°±10°
(2)工作方式
SZF型波浪浮标的工作方式有定时测量、连续测量两种。

在定时测量方式中具有测量间隔3h(标准定时测量方式)和1h两种状态,测量间隔3h工作状态能够自动加密转换成1h工作状态。

同时具有自检功能。

(3)主要功能
浮标内装有32M(64M)U盘(存贮器),存贮每次测量的波浪参数统计值以及波高、周期、浮标倾斜和方位等四组原始采样数据。

存贮容量可满足波浪工作1a的数据量。

U盘(存贮器)可以直接插入计算机U S B插口,进行回放读出。

波浪浮标测量数据在每次定时测量结束后,通过V H F无线数据通讯机进行传输。

每次传输的内容有波浪各种特征值(平均波、有效波、十分之一大波、最大波的波高和周期,波向在十六个方位的出现率)和波高、周期的原始采样值。

V H F通讯机工作频段为150M H z,通讯距离≥10 km,数据传输的有效接收率不小于95%。

21312　O S B2W4(D S)型波浪浮标
O S B系列波浪浮标由中山市探海仪器公司研制生产。

该公司成立于2000年6月,依靠原中国科学院南海海洋研究所浮标技术研究的班底,利用开发区提供的良好环境与平台,在最近几年,先后研制了O S B2W1型、O S B2W2型、O S B2W3型、O S B2W4型及O S B2W2863型单参数波浪浮标系统和O S B2WW P型、O S B2SC M型综合参数波浪浮标系统。

最近推出的O S B2W4(D S)型近海波浪浮标系统是一种小型轻便、功能齐全、适应性好的产品,其主要性能指标如下:
(1)测量参数范围与误差
波高:0～10m,±10%;实验室内测试±3%;
波周期:2～30s,±10%;实验室内测试±015s;
波向:0～360°,±10°;实验室内测试±2°。

42 海　洋　技　术 第26卷
(2)物理规格
浮体直径:017m;
浮体重量:壳体重量70kg,全部重量85kg。

(3)功能指标
采样时次:每3h1次,遥控可选1h1次;
投放水深:4～40m,大于40m水深可改锚链配置使用;
通讯距离:30km;
通讯频段:410kH z;
发射机功率:2～5W;
通讯制式:M SK、同步制;
速率:2400bit s。

数据输出:
a1波浪各特征值;
b1谱分析:波高能量密度谱;
c1方向谱:波高能量密度方向谱;
d1主波向;
e1波数;
f1浮标位置经纬度;
g1浮标电池电压;
h1所有参数原始数据(10进制)。

存储资料能力:浮标自动记录原始资料3个月(可选1 a)。

电源系统:由太阳能电池+充电控制板+酸性免维护电池构成电源系统,对于3h一次的工作方式能够长期供电;20d连续阴天能够正常工作。

锚定方式:采用“子母浮标锚定系统”。

21313　S BF321型测波浮标
S BF321型测波浮标是由山东省科学院海洋仪器仪表研究所近年研制完成的一种新型浮标。

该浮标在研制过程中,吸取了当前国内外现有先进技术,采用了固态三维加速度计和失真度小的数字积分技术,采用垂直加速度计和水平加速度计的原理来实现波浪测量。

因为浮标在随海面波浪升沉的同时也在进行水平方向的运动,所以能够真实反映出浪高及其方向的变化,且不易受其它因素的影响。

这是世界上正在积极研究和开发的一种新型的测波技术。

该浮标还注意解决锚系存在的问题,采用了专利产品“弹性合成橡胶缆”。

S BF321型波浪浮标的主要技术指标如下:
(1)波高
测量范围:012～25m;
测量准确度:±(011+10%H),H为实测波高值;
分辨率:011m。

(2)波周期
测量范围:2～30s;
测量准确度:±0125s(采样频率为4H z时);±015s (采样频率为2H z时);
分辨率:011s。

(3)波向
测量范围:0～360°;
测量准确度:±10°(以室内标定为准);
分辨率:1°。

(4)表层水温
测量范围:-5～35℃;
测量准确度:±011℃;
分辨率:011℃。

S BF321型波浪浮标与国外普遍使用的、荷兰D ataw ell 公司生产的M A R K 型“波浪骑士”浮标对比如下:
(1)测量原理
在测量原理上,两者采用了比较一致的算法,即将浮标体作为水中的一个质点,通过它在水中的三维运动来确定波高和波向,这是目前公认的具有较高准确度和可信度的方法。

(2)测量参数
测量要素两者基本相同,分别为:最大波高及周期、1 10波高及周期、有效波高及周期、平均波高及周期以及水温。

两者量程略有不同,在波高上“波浪骑士”分辨率为1c m,S BF321型波浪浮标为011m,但实用效果差别不大。

(3)标体结构
两者都使用019m半径的球型浮标。

“波浪骑士”采用铜合金材料,机械强度略高一些;S BF321型波浪浮标的浮标体采用金属骨材加强的玻璃钢结构,在满足结构强度的前提下,可以一次成型,加工建造、使用维修方便。

“波浪骑士”在内部有一套悬臂梁结构,对运输条件、浮标体稳定性和浮标的布放条件有一定的限制,而S BF321型波浪浮标完全抛弃了机械式的平衡结构,可以在运输和储存时任意放置。

同时由于减少了复杂的机械机构,使系统的可靠性也得到了增强。

(4)数据处理
“波浪骑士”是将浮标体上下运动的加速度信号进行模拟积分,再经过A D转换进行处理,其模拟积分环节,对元器件的精度、一致性和稳定性要求都很高;S BF321型波浪浮标则对浮标在波浪运动中产生的三维加速度信号直接进行A D转换,然后进行数字积分,既能够保证性能稳定、一致,又可以降低对元器件的筛选要求,简化调节程序,从而大大缩短生产加工周期。

(5)锚系
两者都采用弹性系留方式,S BF321型波浪浮标在锚泊系统中,采用了橡胶弹性材料和锚链的组合弹性系留方式,大大地减少了浮标波浪运动中受系留拉力的影响,从而使浮标更加接近于自由状态,更加真实地反映出波浪的运动特性。

52
　第2期 毛祖松:我国近海波浪浮标的历史、现状与发展
(6)通讯
两者都以U H F传输为主,且都具有多种通讯方式可选择。

“波浪骑士”可同步输出波浪数据,S BF321型波浪浮标在每次采集结束后,集中传回数据。

(7)电源
“波浪骑士”采用一次性无磁电池,目前这种电池完全需要进口,且成本较高。

S BF32l型波浪浮标使用国产大容量锂离子电池,容量大,且可以重复使用,具备较好的成本优势。

(8)数据存储
“波浪骑士”具备可选的数据存储功能,但从目前国内使用来看,其数据存储量较低,且只存储特征值数据。

S BF32 1型波浪浮标采用CF卡进行数据存储,存储量较大,既保存特征值数据,又可以保存原始数据,且数据回放简便。

(9)数据比测
2005年9月24日至10月26日,S BF321型波浪浮标在国家海洋局小麦岛海洋环境监测站附近海域布放,与该站M A R K 型“波浪骑士”遥测浮标进行现场同步比测试验。

从测量的数据中,选取每日02,05,08,11,14,17, 20,23时记录进行比较,从数据分析看出,两者在波高与周期上一致性比较好,在波向上略有差异,“波浪骑士”的波向稳定性稍好。

3　关于发展我国波浪浮标的思考
波浪浮标是我国目前普遍使用的一种波浪测量设备,在今后一段时间内仍然会是主要的测量设备。

鉴于波浪浮标的重要性,建议:
(1)加强产品质量控制,努力达到世界先进水平
从S BF321型波浪浮标与M A R K 型“波浪骑士”浮标的对比分析中,不难看出,经过几十年的努力,我国的波浪浮标技术水平同世界先进水平已经很接近,但是还有一定的差距,主要是系统的稳定性、工艺、标体质量、电池和测量准确度等。

就某一项指标而言,某些国产浮标的技术水平已达到世界先进水平,但在综合质量和整体技术水平上,这些差距还是比较明显的。

只要不断地努力,加强技术创新,注重产品质量和生产工艺,我国的波浪浮标是可以进入世界先进行列的。

(2)加强海上管理,提高波浪浮标的使用效益
据不完全统计,几十年来我国先后在近海布放近百个波浪浮标,但其使用效果不尽如人意,原因主要有两个方面:第一,波浪浮标本身工作不可靠;第二,波浪浮标遭受人为破坏。

前一个问题随着近年来我国波浪浮标质量的提高,已经逐渐降至次要的位置。

后一个问题则始终困扰着波浪浮标的使用,严重制约着波浪浮标的海上安全。

因此,加强波浪浮标布放之后的海上管理,大力宣传海洋观测对于国计民生的重要性,提高全民保护海洋观测设施的自觉性,是提高波浪浮标使用效益的一项十分迫切而重要的问题,应该引起有关方面的高度重视。

(3)在政策上大力支持、扶植国产波浪浮标的发展和使用
前文提到,我国有6000多个(500m2以上的)岛屿和1000多个可以利用的港湾,波浪浮标的需求量具有很大的空间。

发展波浪浮标是加强海洋观测能力的一项重要任务。

多年以来,我国的波浪浮标大部分依靠进口,进口浮标在一定程度上解决了观测设备的不足和急需,从技术上提供了参考和借鉴,对波浪浮标的发展起到一定的作用。

但是,进口浮标在使用上有许多的问题:其一,进口浮标的价格较国产浮标的价格昂贵,就M A R K 型“波浪骑士”浮标与S BF321型波浪浮标比较,前者价格是后者价格的3～4倍,在目前海洋事业经费有限的情况下,价格的昂贵必然限制数量的发展;其二,进口设备受运输、手续等因素影响,订购周期长,影响使用;其三,进口设备在维修上有很多不便,若由外国专家来维修,时间长,费用高,不能在比较短的时间恢复使用;其四,电池的更换需要进口,时间长,价格贵,不能满足日常的使用。

鉴于这四方面的原因,进口波浪浮标不宜作为主要观测设备在大范围内使用。

目前,国产波浪浮标在技术上已趋于成熟,且价格便宜,维修方便,在使用的过程中可以不断提高、改进,因此,在政策上应大力支持、扶植国产波浪浮标的发展和使用。

本文承山东省科学院海洋仪器仪表研究所王景田研究员提供历史资料,国家海洋技术中心孙仲汉研究员审核并提供宝贵的修改意见,在此表示衷心的感谢。

参考文献:
[1]　杨立1LBF121型海洋平台测波系统[J]1海洋科学,1998,(5)1
[2]　王孝坤,刘世萱等1数值滤波在浮标波浪处理中的应用[J]1海洋技术,2004,23(2):93-951
[3]　刘世萱1新型波浪采集系统平台设计[J]1海洋技术,2004,23(2):90-921
[4]　王亚洲,李忠君1S BF321型波浪浮标标体结构设计[J]1山东科学,2006,(5)1
[5]　李忠君,白强,王亚洲1波浪浮标系留系统[J]1山东科学,2006,(5)1
62 海　洋　技　术 第26卷
T he H istory ,P resentati on and Future of the O ffshore W ave
Buoys in Ch ina
M AO Zu 2s ong
(T he N av ig ation Guarantee D ep art m ent of the Chinese N avy H ead quarters ,T ianj in 300111　China )
Abstract :T he devel opm ent p rocess of w ave m easuring technol ogy in Ch ina ,es pecially offshore w ave buoy technol ogy ,is revie w ed ,and s om e suggests about future devel opm ent are p roposed in the paper 1Key words :w ave m easuring technol ogy ;w ave buoy ;suggest about devel opm ent
(上接第18页)
在通常的情况下,漂流浮标能够准确提供溢油漂移运动的线索,更重要的是,当大雾或其他恶劣天气阻止观测人员跟踪或观测溢油时,漂流浮标仍然可以反应溢油的漂移轨迹。

5　结束语
应用GPS 定位技术和GS M CDM A 通信技术的近岸型表层漂流浮标能够实现对溢油位置、漂移速度和方向的实时跟踪,这样使得应急单位不必费力寻找就能利用船舶上的定位系统和接收到的浮标位置信息找到溢油所处地点,采取及时的控制和清除措施,减少污染损害。

近岸型表层漂流浮标不仅可以用于溢油跟踪,还可以用于赤潮和其他污染跟踪,同样也可以用于近海或港湾内表层海流平均流速和流向的测量。

参考文献:
[1]　金辉1营口水上油污应急计划的制定与实施[J ]1交通环保,2003,2,36-391
T rack ing and M onitoring O il Sp ills by N earsurface D rifters
YAN G Yue 2w en 1,SHAN G Hong 2m ei 2
(11China M arine B unker S up p ly Co m p any T ianj in B ranch ,T ianj in 300461　China ;
21N ational O cean T echnolog y Center ,T ianj in 300111　China )
Abstract :A k ind of nearsurface drifter dep l oyed in coastal sea 1It is a real 2ti m e ,l ow 2cost tool of monitoring environm ent and track ing ocean current and pollutants on the sea 1Its positi on is l ocated by GPS and m easuring data is trans m itted by GS M CDM A 1In th is paper ,several m ethods and their characteristic of s p illed 2oil track ing and monitoring ,the design of the near surface drifter and its app licati on in forecasting the trajectory of s p illed are p resented 1Key words :oil s p ill ;track ing and monitoring ;nearsurface drifter
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2　第2期 毛祖松:我国近海波浪浮标的历史、现状与发展 。