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1、年 利用A IM 技术监测波向 张道平梁捷 ( 国家海洋局海洋技术研究所，天津3 0 0 1 1 上 ) 摘要 本文介绍利用 A D C P技术，在测量海流刹面的同时，测量波浪参数及波向谱的原理，讨 论波束方向上水质点运动速度的提取办T- 主题词: A D C P 波h l 谱 水质点速度 1引言 日前国内夕 、 对海流、波浪参数的则 量有多 种成熟的办法和设备 这些传统的方法测量参 数单一往往受匙离，环境的限制，制% , 石它们的使用。于是，人1 l i ? T 始探讨，利用 A D C P 技术在给出海流剖面的同时，通过测量表斌水质点 牲动速度来反演波向的间 题。早在 1 0 年前 美 囚
2、W o o d s H o l e 的T e r r a y 及S c r ip p s 的S m it h 先 生 先 后 提出 并论 证 么 左 法 的 有 关问 题 近 年来T e r r a v 和R D I 合作己完成了 样机的队丰， 经过多次海 卜 试验取得介人 满意的结果 为了满足我匡润于 1 屯 平台工程需要， 产8 6 3 - 8 1 8 的支持 ， 设立 厂y 1 11! r 课 题的fi n 制任务 2 测量原理 2 . 1测量方法 众所周知， 间采样定1 ? l . 波向 1 普 ，MT , : ADCP代 l 配置在距A , 卜 的速度 ) 9 M A 4 - A5
3、.AG . A7 ; 矢牛坐底 浪场中 A D C P系绞能龟 沏 出水质点三 L IL 的剖面分布根 1,:. ;:.t -/ I F 论. n ll R J ? ! U = 1 速. 通过测点间交又. 剖 自互 算，就能反 演出 几 _ 找如图 。 月 、 反 束介01 2 . 3 似 J 川5 尸丰 匀 几一.Ai 1 n . h 处衍到8个 一 r2 束方 n . 扣图 I所-9 , A O .A I .A 2 . A 3 . 运货测点构成了测波阵1 11 i皮钧 石 . 川 声二 ” 二 二 .一日 崖 的原理相似艺生 汁算测点问的波生tp L 述夏交又谙 求出波浪的刀I . IC
4、选取更多尸丢 的质点流速。 更1 列也 一 ) 亮分祈 力 精确反演二。皮普 中各成分的万K 2 . 2反演模型: 沿第 ， 个疚生万句侧到的速度为 1 1 二 r?个 ， 波的线性叠加量 只 之 、 一 叉u ( ， ) ( 1 ) 若取 2 个 悠4 ! J ， 二 () 1 2 . 3 .4 6 7分 , l 汇点A O . A I , A 2 _ A 3 . B O , B I . B 2 . B 3 求测点之间的 协方差函数 R ( 5 , q , : ) 二 1 ., U ,Y ,Z 为 测 点 位 置 ( Y , 少二 / ) t / , ， 粉 为测点问子 ( 、 / j F
5、1 1 , 十 P , I , T ) 罚增星 . 对R 烤， 叮 ， 动作富氏令 换即 ( 2 ) 得到速度交又谱 一 ( se , 7 7 , r/ ) ) 二二K ( p , t ) e d T ( 3 ) 由波浪理论n ; 知速度交又iA 和方同 干 的关系式: C ( , 71, 0 ) 一 1 S (o O )B ( r) B Z . ) d 8 ( + ) S ( 6 9 . 0 )波 浪。 分 量的 方 向 谱 ; B ( i- o - 0 - Z , ) : 波 7 h i; H E Z处 的 响 I X-I_l A 数 用最大 似然法，通过改变 0 逐步逼近的原则在合理的约
6、束 条件下 求解 卜 述积分方程最 终得出S( 。0 ) 3 束波方向上 波生流的提取 3 . 1波生流和海浪参数的关系; 波浪引起水质点运动的轨迹，在深 、 波中T园形，对于 浅水波则旱 椭园形。依据线性波 浪理论，波生流速度的分量与波浪的振幅 ,频率和方向有如 F 关系: I 二- 1 a o s h ti ( :F d ) s h k d C x p 卜 ( 、 、 一 、 )( 5 ) 二-1a r x h k ( z + d ) O O S O e x p( h ) 仕 fL“IL台-件 其中 播的位置 w - - g k l h d , G d h k d 、 为波数k矢 量戈、
7、9 ( , 勺 歹 之d为水深 Z为测点处水深，x 为波传 由上式叫见 波生流随深度的衰减i 1-: 下表列出了I水i* Z =1 O O m.不同波探l 表: 帐 卜 、 卜 ( m )一 2 7 此只有尽量接近表层e .1 波生流流才容易被泌到 ( 的情况一 :波片 _ 流随测层丫 度h变化的预估值 ( m 房 a ( m ) 一 一了 一01 34一59 0 . 3 0 5 9 2 . 3 9 4 门9 _ 口。 一.卡 01 一 一297 一 1 0 Z 二1 0 0 m a :波幅 3 浏层距离深度质点流速 由f - 表的结果可知，当波幅为。 i m 川以由A D C P测得 3 .
8、 2中央波束的设置测层的选取: 中 央波灭的 设71- 要用米 侧量 升肠川 场 定测层高度 介水向 卜1 0 11 1 处还有( ; 1 7 m h s 的波/ 流流速达 乙 1 fi! 立 训算求收二均沁华而高度:依据 卜 式确 ( 8 ) 力 一 H 1一、 口 其中H为 中央波束测量旧议面户映 L :海平面的平均水位，h 为fi ) t : 9 这样即 保证不同海况下测层接近志I 央波束还能测得波面的起伏变化反f t i 3 . 3波生流的 提取: 利用 A D C P技术测得的单波束ta i 如何把波生流从这些背景中提取目来是 、 s, n:/ ， 为实际的测层水沫 趁 J O 免布
9、人 浪悄况 卜 if ) 矛 a 8 # 存水上。其次.中 叭良 能谱 叭 速.除波牛流外还包括有潮汐流和风生流及噪声流 山反i的关键 诀 = J 一 十 I 。 十I . y ( l o ) 波束上Ir次测量值，质点波生流 背景流 ( 潮汐、各袖噪声引进起流速 波生流的大小和周期和波浪的振幅和周期有密切的关系，而潮汐流、风生流的周期及变 化率远远低于波生流，而浅海表层噪声宜 _ 要频率远远高于 波生 流 根据上述特点首 先设 定滤波咧间窗uJ r ( 本系 统己 r - i分) 若每秒发射两次， 共 6 0 0组 数 取 平 均 求 得 背 竟 流 然 后 : 经F F T 运 算 进 一
10、步 把 a;, F = 引 起 的 高 频 分 量 滤 掉 即 可 求 得 V v 4实验 系 统于1 9 9 9 . 8 . 4 号 在天津大学水槽( 1 ; 7 u t X 7 m X 斗 m ) 进行试 验: 山于水槽水深仅 4 m ,测层选为槽底目 的足检验单 次测量、测速精度、实验结果如图 所示 M吧 . ns s-mr . s d s m m1 , 5 . mp l r ， 41厂 一 万 印“比 。 f r mo 脚 巴 。4匕 a dd a t ap 。 叹， 叮 6 5 3声 6 0 0 7 t 8 5 a 6 I 已 5 b 4 ”9 介 I 6 b 日 4 日 9 ) 翻
11、洲狱知 一 一 : . 一 一一甲 们 m吧办 ，p 弓 r 、 J 们口 一 e 1_ _止 1 =淤 于: : _ 级共 于爪 _ _一 _ 一一 _ 一丁二 扩尸行_ _ _ - - 一 二 二 月 _ _ _ _ 众 ， 图 2 实验结果表明.系 统H I ;j !J 流F差 以7clll 一 、 :仁公 职 _ 远JI 、 测层的清况下 是能够满足反演的 要求 弓结束语 利用 八 D C P技术 通土 测表层水质户阴; iz I流反;炙 r 七 向 二 泣 一介 I I = F -1 勺 版离特汗叹高，波 周期等参数，足较复杂的侧量 技入在H I 8主 匙的划宁 ，i r 里入 买验
12、阶段 这种产ni l a 常适合近岸和乎台观测系 统的需要，交 、ii t 测军公宵为海洋资源厂发、环境 保护、军事需要提供更有效的手段 参考文献: I . E . A .T e r r a c Me a s u r i n g N a v c a n d c u r r e n t s k i t h a n u p N a r d - l o o k i n g A D C P . P r o c e e d i n g s o f t h e I E E E S i x t h W o r k i n g C o n f e r e n c e o n C u r r e n t M e
13、 a s u r e n r c n t . 1 9 9 9 2 . E . A . T e r r a N - Me a s u r i n g i i a v e d i r e c t i o n u s i n g u p w a r d - l o o k i n g D o p p le r s o n a r , P r o c e e d i n g s o f t h e I E E E F o r t h Wo r k i n g C o n f e r e n c e o n C u r r e n t Me a s u r e m e n t . t 9 9 0 3 . S m i t li _J .D o p p l e r s o n a r a n d s ur f a c e x - a x e s : R a n g e a n d r e s o l u t i o n . J . A t m o s p h e r e O c e a n i c T c c h n o l o g 一 1 9 8 9
