海洋技术▏SeaSonde地波雷达在港口中的应用研究 - 声学多普勒流速仪测量海流原理

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【摘要】SeaSonde高频地波雷达系统是CODAR公司开发的短程地波雷达，该设备对整个研究区域的海表流与波要素进行数据采集，获得连续可靠的数据，即使在各种恶劣环境条件下，仍然可保证数据的连续有效。通过理论研究、现场试验、数据分析等技术手段对地波雷达野外站站址选定、实测精度、数据标准化输出等方面进行了深入的研究。

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一、引言

在海岸工程和港航工程中，现场水文泥沙和波浪数据是港口工程设计、科研、施工的基础，是必不可缺的关键资料；另外，港口建设对波浪分析研究的要求越来越高，范围也越来越大，而风暴潮等恶劣天气条件下的潮流与波浪资料对研究分析工作的顺利开展尤为重要，但在工程建设前或建设期间，当地往往缺少这些资料。为此，不得不重金投入大量人力、物力和时间，在现场设站观测，获取必要条件，即使这样往往也只能得到短期数据，常规的现场数据采集手段更不易获取这些灾难性的资料。另外，港口安全生产越来越被各方重视，港口安全预警迫在眉睫，安全预警系统对原始观测数据的要求必须要满足连续性与实时性。

海洋水文资料和海洋环境参数信息获取的传统手段是采用现场水文测验，即用浮标、潜标、海流计、海洋调查船等探测仪器和设备进行海上直接测量，固然这些手段目前基本能满足一定的海洋科研和港口建设需求，但由于勘察作业受到气象、海况等条件的影响，仍无法得到实时的连续变化的海洋环境数据。并且由于传统测量方法只能得到特定时间内局部点或线上的数据，不能全面反映待测海域大范围的海况。而随着新技术的不断应用，航空遥感、卫星遥感等手段也在海洋环境监测中发挥了较大作用，虽然遥感数据覆盖范围广，但其数据获取周期长、分辨率低、耗资大，且很难得到海流信息，不易普及。

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二、研究意义

引进世界先进的地波雷达测波测流系统应用于港口建设方面的各项研究工作在我国还是第一次，其各项标称指标满足水运行业相关规范要求，但其实际测验数据精度是否能满足要求还是未知数，或者说通过何种手段能达到我们预期结果。当我们充分了解其性能、熟练掌握后对这套具有多功能的数据采集系统的深层功能开发又能做到哪一步，这一切都是未知数。开展地波雷达测波测流系统在港口建设中的应用研究工作，意义重大。

目前世界上地波雷达主要有美国CODAR公司生产的SeaSonde地波雷达、德国汉堡大学研制的WERA地波雷达系统、武汉大学研制的中程高频地波雷达系统OSMAR 2000等。其中美国CODAR公司生产的SeaSonde地波雷达系统因具有使用方便、灵活，自动化程序高，数据格式跨平台等优点，应用更为广泛，本文利用的一套地波雷达系统(两个野外站)即为该型号。中程地波雷达，目前由武汉大学和武汉德威斯电子技术有限公司联合自主开发的OSMAR高频探海雷达综合性价比较优，该系统2008年定型进行产业化试生产。

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三、研究现状

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由于地波雷达的优越性能及广泛应用前景，许多发达国家在20世纪60年代就展开了相关设备的研制工作。进入本世纪，美、德、英、法、澳、日本和新加坡都加紧了地波雷达的研究、购置和部署，以满足军事监控、保护海洋、防灾减灾、海洋开发的需要。美国东海岸与西海岸已系统的布设了SeaSonde地波雷达观测网，通过网络可以实时查询监测海域海表流数据，日本、韩国、印度及台湾部分海域也已布设了多台地波雷达观测站。

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目前，国家海洋局在我国东海区共部署有三套地波雷达系统，一套短程地波雷达和两套中程高频地波雷达。短程地波雷达是引进CODAR公司的SeaSonde，分别布放在芦潮港和大戢山，单站监测距离30～60km的径向海流，双站共同覆盖区的合成流。中程地波雷达是武汉大学研制的OSMAR 2000，其中一套布放在朱家尖和嵊山，另一套布放在石浦和大陈，单站监测距离200km的径向海流，双站共同覆盖区的合成流，海面风和浪。

四、研究内容

利用SeaSonde高频地波雷达测波测流系统，对整个研究区域的海表流与波要素进行数据采集，获得连续可靠的数据，即使在各种恶劣环境条件下，仍然可保证数据的连续有效。 实现全天候自动对全面的波浪剖面频率与流速数据进行高精度和高密度的采集，解决恶劣环境和大范围区域数据采集的难题，为宏观研究提供准确的潮流波浪基础资料，为泥沙运动影响研究提供高精度、高保证率的研究数据，增强断面流场研究精度。

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研究内容主要包括如下。

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⑴设备野外站站址选定：地波雷达海表流测波系统主要由野外雷达站数据采集系统及中心站数据处理系统等几部分组成。野外站的架设对周边环境要求较高，野外站架设的好坏，直接影响到数据采集的数量与质量。在野外站架设前，需要对观测海域周边的海岸线进行仔细的踏勘与调研，确定多种方案，反复进行比对，必要时，需要进行实测比对。

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⑵实测精度检测：我所拥有各种传统的测流测波数据采集手段。如SLC9-2直读式海流计、Notrk多普勒流速流向测波仪、TRDI多普勒流速流向测波仪。当地波雷达测波测流系统通过安装调试后，在不同的数据采集方案中，在其有效测验范围内，布设若干站传统的设备，进行同步数据采集，然后进行对比分析，即可评定地波雷达实测数据精度。尤其是在设备运营初期，需要不定期的对其实测数据进行比测及精度分析，从而确定设备运营期间标定校核的合理周期。

⑶数据标准化输出：地波雷达测波测流系统覆盖研究范围大，采集数据量可以称之为海量，其数据格式为其系统本身所定制，针对我国各行业的相应标准规范而言有很大不同，因而需要对其重新进行定义，制订一套适合我国国情的标准体系，剔除冗余数据，生成可供港口建设研究使用的标准化数据，最基本的有：潮流报表、波浪要素报表及数据使用的文本数据等。

⒈ 系统介绍

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地波雷达系统包括指向海洋方向的发射天线、一组接收天线阵以及确保系统运行配套的软件和硬件，图1给出了高频地波雷达的系统结构。该雷达为全相参系统，主要由以下几部分构成：发射机及发射天线、接收机及接收天线、信号处理机、态势显示器、频谱监测系统及雷达总控台。

图1　高频地波雷达的系统结构示意图

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地波雷达雷达发射机发射电磁波，工作频率为3～30MHz，此频段的电磁波能够沿着海面绕射传播，遇到目标后部分散射的能量朝向雷达接收部分发射，接收天线搜集到这部分散射的电磁能后，经过传输线反馈给接收机。信号处理机对天线接收到的信号进行处理，并提取出目标信息，实现超视距探测。

⒉ 野外站选址

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渤海海域是我国港口分析最集中、航道最繁忙的区域，以渤海区域为全国示范区，分析研究确定两套短程高频地波雷达的最优布设位置和最佳部署参数，协同外业部门现场部署设备，调试信息传输与接收，建立渤海示范区的地波雷达监测网。

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CODAR高频地波雷达系统野外站的架设对周边环境要求较高，仪器架设地点的环境、仪器本身的姿态都将直接影响到数据采集的数量与质量。

野外站选址要求：

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⑴站址的选择应以相关整体规划为依据，先确定站址地域，后确定站址位置ꎮ 站址位置应与要地、交通枢纽等重要目标保持一定的距离。

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⑵站址的选择应按照任务(功能)需求、雷达性能和地区特点，合理利用地形，充分发挥雷达的效能。站址位置应尽量避开风口、雷电密集区域和存在山洪、泥石流、滑坡等自然灾害潜在危险的地点，以保障设备和人员的安全。

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⑶严格遵守国家关于环境保护的有关规定，注意站址位置与周围电力工程和广播、电视、通信台站等设施的相对位置，力求避免相互之间的干扰。

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⑷在满足任务(功能)需求的前提下，尽量考虑雷达站工作人员的生活保障需要ꎮ 站址位置尽量靠近水源、电源和通信、交通方便的地方。

⑸站址应选择在通信环境与通信传输条件良好的地点，便于建立与中心站的通信链路，以确保雷达探测信息和遥控信息的实时、可靠传输。

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⑹站址应选择雷达故障维护响应迅速，周边社会环境安全的地址。应考虑当地的城镇建设规划，在符合雷达站选址要求的候选站址中，在其它条件相近的情况下，应优先考虑工作条件、生活条件、建设条件相对方便的站址，以利于雷达站的建设及维护。

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⑺高频地波雷达站所选站址与相邻高频地波雷达站间距应为40～80km，中、近程高频地波雷达站间距宜为40～60km，中、远程高频地波雷达站间距宜为60～80km。

项目组前期对渤海岸线内城市沿海地区的风、浪、流、地质、温度等影响数据采集的环境因素进行对比分析，最终确定在山东滨州建站。

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⒊ 实测精度检测

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对比测量采用的常规测量仪器和手段，依据相关国家规范，对相同海域进行表层海流测量。仪器采用声学多普勒流速剖面仪(ADCP)是国际先进的声学自容式海流观测仪器，精度高、数据无偏移，采用声学多普勒效应原理，可以定时、定层分别测定各层海水流速流向，广泛应用于浅水海洋研究(水深小于100m)，港口监测，河流、湖泊和渠道等的科学研究等领域。

表1　多普勒流速剖面仪技术参数

声学多普勒流速剖面仪

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ADCP(1200KHz、600KHz）

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测量范围

" F$ i$ i b7 Z( f7 W3 ~

流速

0.01～10m/s

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流向

9 b' |0 O3 t% b; b* z' e) Y

0～360°

测量精度

2 m3 ] i5 ?. Q

流速

测量值的1％

流向

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流向误差：±2°

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同步观测期间，各测点流速、流向观测间隔为1h。测点定位采用GPS定位，保证测船在同一个测流断面上，加强点位检查，防止测船走锚、移位现象。由于地波雷达观测系统数据成果由两个野外站的数据合成而成，单站观测成果无法进行数据合成。野外站均受到国内无线电信号(短波)的干扰，在干扰较大时，两个野外站均观测不到有效数据。SeaSonde高频地波雷达在测量过程中获得流场图见图2。

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图2　高频地波雷达数据流场图 

多普勒流速剖面仪与SeaSonde高频地波雷达同步对比测量数据过程线见图3。根据过程线比对，两种测量手段所测得的数据，流向的吻合度更高。

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图3　同步对比测量数据过程线示意图 

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五、结束语

SeaSonde高频地波雷达与传统测量仪器同步测量比对说明两种测量手段所测得的数据，流向的吻合度高于流速。

目前地波雷达观测系统的中心频率为13.5MHz，在我国该频段存在无线电短波干扰，且野外站对周边环境要求较高(建筑物等都会影响数据质量)，理想化的野外站站址较难选定。 地波雷达观测系统对海域也有一定要求，低潮露滩信号将严重衰减，要求最佳的海岸地形为基岩陡岸。且地波雷达观测系统侧重于大范围的宏观研究。

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■文/成晔 孔海英 修义瑞，天津水运工程勘察设计院，来自《中国测绘地理信息学会海洋测绘专业委员会第二十八届海洋测绘综合性学术研讨会论文集》，用于学习与交流。

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