波浪浮标测波方法比较

唐原广+康倩

摘 要： 波浪浮标是一种无人值守，自动检测的常用的海洋监测设备。在介绍国内外波浪浮标研究使用现状的基础上，对比分析了基于加速度传感器和GPS传感器的两种波浪浮标的共同点和不同点。

关键词： 波浪浮标； GPS； 加速度传感器； 海洋监测设备

中图分类号： TN911.7?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）15?0121?02

Comparison between two wave measurement methods for wave buoy

TANG Yuan?guang， KANG Qian

（School of Engineering， Ocean University of China， Qingdao 266100， China）

Abstract： Wave buoy is a unmanned， automatic and common marine monitoring equipment. The research and application status of wave buoys made in China and other countries is introduced in this paper. The similarities and differences of two wave buoys respectively based on accelerometer sensor and GPS sensor were analyzed.This paper compared two methods of and differences.

Keywords： wave buoy； GPS； ccelerometer sensor； marine monitoring equipment

0 引 言

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18 000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[1]。我国的大部分海洋监测站脱离了人工观测已具备了海洋监测能力，但是使用的海洋监测设备大部分是进口的。

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[2]。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”[2]。广泛使用和研发波浪浮标的国家有美国、英国、荷兰等。荷兰Datawell公司的波浪骑士波浪浮标[3]，Directional Waverider buoy（DWR）即Datawell DWR?MkⅢ。在多传感器的系统中，由于不同的传感器特征不同，将时间上和空间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信息。本文探讨了基于GPS技术的波浪浮标和基于加速度传感器的波浪浮标的基本原理与性能，介绍了GPS接收机使用的多普勒方法，在此基础上针对基于不同传感器的波浪浮标进行研究，便于在以后的浮标设计中对我国自产浮标进行设计。

1 波浪浮标测波方法

早期的波浪观测方法是目测法，用目视直接观测波浪波高、周期等信息。随着测量技术的进步和观测仪器的发明，波浪观测逐渐进入了一个新的阶段。目前常见的波浪观测仪器有资料浮标、水压式波浪计、重力式测波仪、遥感测波仪以及声学式测波仪等。其中，重力式测波仪是目前较通用的一种测波仪器，在我国也是使用最多的一种测波仪器。各种不同的测波仪器都是依据不同的原理制作而成，都有其自身的局限性，如目测法和光学式手段带有较强的主观性，对观测人员要求较高，不能满足恶劣天气及夜间观测的要求；重力式、水压式、声学式测波仪价格昂贵，使用条件较为苛刻。国际上经常使用的波浪浮标大多是基于加速度传感器[4]。还有部分波浪浮标是基于GPS传感器，简称为GPS浮标。

1.1 基于加速度传感器的波浪浮标测波方法

现行的基于加速度传感器的浮标测波方法有两种，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。

基于加速度传感器的波浪浮标测波方法进行测量波浪时，浮标伴随着海面的变化作相应的运动，即代表了水质点的运动状态，结果计算输出一个加速度信号。离散的加速度信号由采集电路采集得到，即通过一定采样率采集得到一系列竖直加速度值来得出波高，波周期，功率谱等数据。

1.2 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。现行的波浪浮标有单点GPS，差分GPS，实时动态GPS等多种。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提出了对精密单点定位技术进行研究，而且把结果与差分GPS观测结果，岸站数据进行分析比较，证明了该方法的可行性[9]。

因为GPS接收机与卫星做相对运动，使GPS接收机接收到的频率与卫星信号发射器信号频率不相同，产生了多普勒效应。GPS浮标使用多个卫星接收GPS信号，将接收机发射的数据进行调整后发送到数据控制中心。数据控制中心通过计算处理得出收发机的三维位置，各个水质点的瞬时速度，多普勒原理得出频率变量，计算得出各种海浪参数，从而达到海洋监测的目的。

2 两种波浪浮标的比较

加速度波浪浮标可以适用于海浪任何高度范围，浮标本体发生旋转也不会影响其测量结果，而GPS浮标在海浪较高时使用信号不稳定，不能接收足够多的卫星信号。加速度波浪浮标在数据的安全性上比GPS浮标要好很多，其数据结果不容易被国外机构窃取。

加速度波浪浮标很容易受到金属的干扰，因为内部由电子罗盘定位，而GPS不会受到金属的干扰。GPS浮标的内在就是高性能的GPS接收机，它所占体积很小，荷兰“波浪骑士”浮标直径只需40 cm，而加速度波浪浮标所需传感器较多，体积较大，成本较高。

3 结 语

两种波浪浮标之间有共通之处，也有相似点和不同点[10]。两种波浪浮标的测波方法虽然不尽相同，但是原理之间是相通的，可以由傅里叶变换得出相关关系。在以后的浮标研究中如果可以使两者融会贯通，取长补短，便于在以后的浮标设计中对我国自产浮标进行设计。

参考文献

[1] 楮同金，曹恒永，王军成，等.中国海洋资料浮标[M].北京：海洋出版社，2001.

[2] 王金平.SZF型波浪浮标数据采集系统及数据处理软件设计[D].青岛：中国海洋大学，2008.

[3] DE VRIES J J， WALDRON J， CUNNINGHAM V. Field tests of the new Datawell DWR?G GPS wave buoy [J]. Sea Technology， 2003（12）： 101?103.

[4] HARALD E， STEPHEN F， ERIK S， et al. Some recent developments in wave buoy measurement technology [J]. Coastal Engineering， 1999， 37： 309?329.

[5] SERRANO I， KIM D， LANGLEY R B. AGPS velocity sensor： how accurate can it be a first look [C]// Proceedings of 2004 IONNTM. San Diego， USA： [s.n.]， 2004： 111?121.

[6] 张骞丹，田红心.GPS系统多普勒频移估算的研究[J].无线电工程，2007，37（4）：24?26.

[7] 王甫红，张小红，黄劲松.GPS单点测速的误差分析及精度评价[J].武汉大学学报：信息科学版，2007，32（6）：515? 519.

[8] 程世来，张小红.基于PPP技术的GPS浮标海啸预警模拟研究[J].武汉大学学报：信息科学版，2007，32（9）：764?766.

[9] 邱冠维.利用精密单点定位进行GPS浮标近即时精密定位[D].中国台南：国立成功大学，2009.

[10] 刘国栋.波浪浮标数据处理方法[D].天津：天津大学，2011.