波浪观测仪器研究报告.pdf

波浪观测仪器研究报告 朱继权 赵傲耸 阳帆 2016-9-18 波浪观测仪器研究报告 术 语 1 波向 ：波浪传来的方向。 2 波高 ：波面上相邻两个下跨或上跨零点问波谷底至波峰顶之间的垂直距离。 3 波周期 ：波面上相邻两个下跨或上跨零点问的时间间隔。 4 采样频率 ：也称为采样速度或者采样率，定义了每秒从连续信号中提取并组成 离散信号的采样个数，它用赫兹（Hz）来表示。采样频率的倒数是采样周期或者 叫作采样时间，它是采样之间的时间间隔。 5 波浪要素 ：表征一定水域和特定时段波浪状况的变量，如波向、波高、波周期 和波长等。 6 波群 ：波列中大于某一波高的若干个连续出现的波浪。 7 波动参数 ：描述波浪运动的参数，如波面、水质点速度、水质点加速度和波动 压力等。 1 正 文 海洋工程领域由河口、海岸、近海和深水四部分组成。波浪是这些领域工程 结构最为重要的动力荷载之一,对工程结构的安全和造价有极大的影响。设计波 浪要素的确定取决于对波浪资料的掌握,而这又与波浪资料的精度以及对获得第 一手波浪资料的观测技术的熟悉和理解有密切的关系。 波浪观测仪器按其工作原理可分为视距测式、测波杆式、压力式、声学式、 重力式和遥感测波仪等类型。波浪观测方法有多种,如航空测波法、立体摄影法、 雷达测波法、电测法、光学测波法、重力式测波法、水压式测波法、声学式测波 法以及目测法等;按仪器布设的空间位置也可分成水下、水面、水上和太空(如卫 星遥感) 四种观测技术。至于三维波浪的测量,广义上讲有两种方法:一种是在同一 点上测量多个参数,如表面浮筒的横摇、纵摇、升沉或者压力和两个方向的水质点 运动速度,这种布置有时也叫做三参量传感器;另一种是多个传感器组成的空间网, 每一个传感器往往只测一个波动参量,如波浪表面高度等。在原理上,人们也可用 一组三参量传感器来测量,但这种方法一般只在试验室采取。 近三十年来国际上波浪观测技术飞速发展,发达国家的波浪观测技术已从水 下、水体表面、水上发展到利用卫星。水下波浪测量仪器包括安装在固定平台上 或水下浮体上的流速仪和压力仪。重力式测波仪一般用于海面上,测量浮筒升沉 高度、斜度或水平位移,是目前最通用的也是我国使用最多的一种测波仪器。利用 固定平台,测波杆、雷达或激光也都可以被用来跟踪海表面运动。在此以后,遥感 技术诞生,由 HF 或微波雷达组成的遥感系统正越来越普遍在近岸监测中运行。 不同的现场波浪观测仪器依据不同的原理制作成,从而都有其自身的适用性 和局限性,规划和设计者应根据不同的需求,采用不同的仪器,以适用于特定的海 2 况;同时我国海洋工程越来越向深海发展,港口船舶大型化要求码头向深水延伸, 波浪的影响也将越来越显著,但我们对这些水域的动力条件了解得恰恰甚少。因 此了解海洋工程及其相近行业现场波浪观测技术研究的发展过程和当前状况以 及今后的发展趋势对提高该领域的技术水平是重要的,对保证结构安全可靠和降 低工程造价是十分有益的。 以现场观测仪器布设的空间位置来分类,从水下、水面、水上和卫星遥感等四 个不同方面,回顾和评述国内外不同类型测波仪器的发展进程、特性和使用状况, 对波浪观测技术的发展趋势进行预测。 1 水下波浪测量技术 在水下布置观测仪器可减少观测期间对航行的影响,同时较好地保障观测仪 器的安全。水下波浪观测技术依据其量测方法可分为压力式技术、声学技术以及 光学技术等。这几种类型的仪器结合起来均可用来测量方向波。 图 1 压力式测波仪 3 1.1 压力式测波技术 最简单的水下测量仪器使用高分辨率传感器测量表面波引起的压力波动,也 就是我们通常说的压力式测波仪。根据线性波理论,可得到波面与波动压力 P 之 间的关系。水面下 Z 处动压力随时间 t 的变化为