S4ADW浪潮仪测量与资料后处理关键技术收稿日期：2013-07-01

李家钢，韩 磊，熊学军

(1.中海油研究总院,北京100027; 2.国家海洋局 第一海洋研究所，山东 青岛 2660611)

集中在近海、陆架区的水文勘探调查涉及海浪、海流等多种水文要素，S4ADW浪潮仪作为为数不多的能同时测量海浪、海流要素的设备，在浅海观测中灵活度高，应用广泛，采用坐底式观测，不易受海上恶劣环境的破坏，能够持续得到石油水文勘探调查所需要的海浪、海流的同步观测数据，特别适合近海陆架区的海浪、海流同步观测应用，是石油水文勘探调查中有很好的应用价值。

S4ADW浪潮仪(以下简称S4)是美国InterOcean公司开发生产的海洋观测仪器。最初，S4作为单纯的海流计，被视为电磁法测量海流的工业标准而广泛接受；近年来，S4从广受认可的海流计发展为高集成度的多要素测量仪器，提供海浪方向谱以及水温、盐度等水文要素的观测，从而可以用作海流计、CTD和方向波浪仪[1]。

根据作者从InterOcean公司中国代理商处了解到的信息：在过去20多a的时间里，在中国销售的S4仪器约有50台，但是其中有90%以上发生过数据回收方面的故障。我们在使用S4进行一年期的观测时，也出现了类似故障，在尝试解决故障的过程中，我们发现，针对该测量仪器的文献几乎空白，可供参考的资料非常匮乏，因此，我们与美国的仪器设计生产商的技术人员合作，对仪器故障进行了详细排查，总结出一套实用的故障解决方案，供国内同行参考。文章第1部分给出了对该故障的描述及解决方案。

此外，我们S4配备的波浪处理软件Wave for Windows在根据压强记录导出表面波谱时非常敏感地依赖于所谓的“上截断频率”，该频率是仪器所处水深的函数。如果谱分析的频率范围超过该频率，所得到的谱分析结果将会出现严重的错误，李陆平等[2]在处理S4测波资料时也对该上截断频率提出过质疑。事实上，我们的计算表明，只要谱分析选取的频率范围不超过Nyquist截止频率，由水下压强记录所得到的波浪分析结果就会具有很好的稳定性，我们的结果相比InterOcean公司为S4开发的波浪处理软件得到的结果更可靠。对该问题的详细讨论见文章的第2部分。

1 S4数据回收中的典型故障

通过了解国内对S4仪器的使用经验发现，S4最常出现的问题是观测数据无法下载，而据S4的中国代理商介绍，超过90%的国内S4用户曾经反映过该问题。在为期1 a的观测中，也曾两次发生过类似故障，通过与S4的设计生产商美国InterOcean公司工程师的沟通，找到了解决问题的方法，现介绍如下，供广大国内外同行参考。

1)故障描述：读数前S4显示“Memory Full”，但是发出读数命令后却提示“Empty data block”，并中止读数过程，无法将内存中的数据下载到本地计算机。

2)故障排除过程可以归纳为如下6个步骤：

(1)取下主电池，打开电路舱；

(2)取下最上层的罗盘板，将TP12与电容C53的正极端连接；

(3)接好IO连接头，在S110A供电模式下与S4建立通讯，在终端模式下键入命令“OD”进入S4的调试模式，屏幕显示“S4debug>”；

(4)在调试模式下，输入命令“FLHR”(全部大写)，显示“Table reload complete”，恢复备份的数据地址表；

(5)键入“Q”退出调试模式，键入“IOS”(全部大写)关机；

(6)备份的数据地址表恢复成功后可以移去电路版上的临时连接，安装好S4，仪器恢复正常，可以正常读数。利用“RT”命令检查发现数据存储地址也已恢复正常。

由于S4的高集成度，我们尚不能确定故障发生的根本原因，只能根据实际工作经验初步判断可能的原因：主电池因为工作原因耗尽时出现“Power Failure”时，可能会损坏内存数据地址表，这时往往会显示“Memory Full”，但事实上内存并未用尽，而且观测数据都在内存中，但是由于地址表的破坏使得通过软件无法正常访问到内存中的数据，此时必须用备份的数据地址表覆盖已经损坏的地址表，方可顺利读取内存中的数据。

2 S4波浪处理软件中存在的问题

S4采用压力式测波。众所周知，表面波的作用随深度呈e指数衰减，水层的过滤作用是非线性的且随频率而异，故如何准确地将水下测到的压力变化换算为水面的波高或波谱是个很困难的问题[3]。

S4厂商提供了一套S4波浪处理软件Wave for Windows[4]，专门用于将S4测得的压力记录换算为表面波谱和各种波浪特征量。

S4的采样频率为2 Hz，根据海浪计算原理可知[3]，对应的Nyquist折叠频率为1 Hz，即谱分析时的上截断频率可以取到1 Hz，且与其它因素无关。然而S4波浪处理软件是根据仪器所处水深选取上截断频率的具体值，如仪器在水下10 m时上截断频率建议取为0.3 Hz，其选取理由是，高频波在海底附近产生的脉动很弱，因此压强谱的高频端信噪比很小，为避免对表面位移谱带来较大误差，故引入与水深有关的“上截断频率”对谱的高频段予以截除[4]。

然而，讲述压力式测波原理的文献中并没有提及高频波需在谱的计算过程中截除的论述。此外，我们利用S4原始压强记录资料进行的计算表明，谱分析时的上截断频率完全可以取到理论给出的Nyquist频率，并且在我们得到的表面位移谱的高频端也没有发现噪声信号。其计算过程如下。

采用快速傅立叶变换算法估计谱。S4的每段压强记录为18 min，采样频率2 Hz，因此每段记录包含2 160个数据，根据快速傅立叶变换的条件，从中选取211=2 048个数据便可以计算得压强频率谱。根据文献[4]，压强频率谱Spp(f)与海浪波面谱Sζζ(f)的理论关系式为：

(1)

式中，f表示频率；k表示波数；d表示水深；z表示仪器没入水下的深度(z取向上为正)。由于实际压强的衰减比理论上的为快，因此在进行谱换算时，需将式(3)中压强频率谱Spp(f)乘以n2，由此得到：

(2)

Hom-ma等[5]最先测定了n，并将实测结果以经验公式表示：

n=1.55exp[-B(f-b)5]

(3)

其中，

B=5.19d5/2

(4)

b=0.274d-1/2

(5)

上式中，频率f和水深d的单位分别为s-1和m。

根据式(1)～(5)，再结合小振幅波动的频散关系，我们可以由压强谱换算得到海浪波面谱。图1给出了从S4的某段18 min压强记录计算得到的压强频率谱以及根据方程(1)～(5)换算得到的表面位移谱。从图中可以发现，0.5 Hz以上的高频谱段能量为零，并没有出现像S4波浪处理软件说明中提到的高频噪声污染。

然而，对于同一段波浪记录，选取上截断频率为0.8 Hz，S4给出的表面位移谱在高频端出现了严重的错误，能谱的量级甚至超过108，如图2所示。

图1 S4观测得到的压强频率谱及海浪波面频谱Fig.1 The measured pressure spectrum and sea-wave surface spectrum

图2 S4波浪处理软件给出的表面位移谱Fig.2 The surface elevation spectrum provided by the wave processing software of S4

随着不同上截断频率的选取，S4波浪处理软件给出的表面位移谱相差很大，于是，由海浪谱计算得到的有效波高、跨零周期、谱宽度等波浪统计参量都会发生很大变化。图3给出了S4波浪处理软件在不同的上截断频率下计算得到的有效波高Hs和跨零周期Tz的变化情况，从中可以看出，在上截断频率的取值从0.3 Hz增加到0.6 Hz时，二者的变化都很剧烈。

而根据我们计算所得到的有效波高和跨零周期，不会敏感依赖于上截断频率。图4描述了有效波高和跨零周期随上截断频率的变化，其中的有效波高和跨零周期都是通过图1的谱计算而来。从图中容易发现，二者在上截断频率超过0.5Hz之后直至Nyquist截止频率都十分稳定。与图3对比可以看出，我们所计算的波浪统计特征量具有更好的稳定性。

图3 S4波浪处理软件得到的有效波高与跨零周期随上截断频率的变化Fig.3 Changes of significant wave height and zero-crossing period with cutoff frequency, resulted from the wave processing software of S4

图4 海浪波面频谱计算的有效波高、跨零周期与上截断频率的关系Fig.4 Relationship between the significant wave height and zero-crossing period and the cutoff frequency, resulted from the calculation of sea-wave surface spectrum

通过以上讨论我们发现，S4波浪处理软件在换算表面位移谱时存在较大问题。对于上截断频率的过分依赖使得其处理得到的波浪统计特征量的可靠性较差。而我们通过计算表明，S4波浪处理软件中的“上截断频率”实际上是不必要的，软件中之所以要根据水深设置该频率是为了屏蔽谱的高频段的计算不准确性对波浪统计特征量的结果所带来的影响。

3 结 语

本研究讨论了在水文勘探调查中具有很好应用价值的S4浪潮仪在使用中可能出现的故障和数据处理中存在的问题。虽然国内的S4浪潮仪已经达到几十台，但是关于S4浪潮仪的使用经验的文献几乎是空白。结合实际应用S4的经验，我们针对一例典型的数据回收故障给出了具体的解决方案；对S4波浪处理软件中的上截断频率进行了讨论，结果表明，S4波浪处理软件对于谱的高频部分的计算存在很大的不准确性，从而使得所给出的波浪统计特征量的数值不可靠。我们建议在InerOcean公司在新的S4波浪处理软件的开发中能够对这个问题作出修正。对于修正前S4波浪观测资料的处理，我们建议采用本文提到的方法进行。

参考文献：

[1] InterOcean systems, Inc. S4 Current Meter User Manual[M]. San Diego: InterOcean Company, 1995.

[2] 李陆平，黄培基，陈雪英. 深海压力式测波仪资料处理[J]. 黄渤海海洋，2000，18(2)：67-72.

[3] 文圣常，余宙文. 海浪原理与计算方法[M]. 北京：科学出版社，1984:1-662.

[4] InterOcean systems, Inc. Wave For Windows Software User’s Guide[M]. San Diego: InterOcean Company, 2002: 1-24.

[5] HOM-MA M, HORIKAWA K, KOMORI S. Response characteristics of underwater wave gauge[C]∥ Proc. 10thConf, on Coastal Eng., Honolulu: ASCE, 1966: 99-114.