1.波浪骑士测波仪

波浪骑士测波仪是可靠的海浪观测仪器，广泛应用于海浪波高、波周期及波的方向谱测量，具有很高的波浪测量精度及较好的耐用性和稳定性。在西方国家中，使用最多的测波装置就是波浪骑士浮标。它最早是由荷兰Datawell BV实验室研制的，是一种不需要依托而漂浮在海面上的装置，因而可以布防在开阔的海域。仪器的记录和感应装置放在海面圆球状密封浮体中，浮体下部连接锚链，锚链末端由搁置在海底的铁锚或沉块系留住。要求锚链和沉块的长度及轻重配置，既能使圆形浮体随波浪自由起伏，又不至于在大浪条件下测波装置随流漂失。记录波浪的基本原理，是因为其中安装有加速度计的缘故。通常情况下它可以有效地记录高达30m的波浪。欧洲范围内无人波浪站多用它进行常规波浪观测。此外，在卫星定标检验工作中，波浪骑士浮标是卫星高度计有效波高产品检验的主要手段之一；在高度计有效波高检验工作中，采用波浪骑士浮标进行现场同步测量，测量结果与待检验的卫星测量的有效波高进行比对，对卫星高度计的有效波高产品的准确性进行检验。

波浪骑士测波仪是波高和波向测量的世界标准。它的成功基于已被充分证明的精确的稳定平台传感器，采用一个加速度计即可测量波高。在波向方面，可以直接测量纵横摇而不需要积分。结合了水平加速度计和罗经后，构成了完整的传感器单元，这也是整套设备的核心部分。

现以MK III型波浪骑士测波仪为例(图7.5)，总结仪器特点如下:

①实时波高测量，每半小时波高和波向谱数据输出；

②高频通信范围高达50km。如果需要不同的发射频率，专利的Datawell高频通信模块很容易更换；

③LED闪光灯集成安装在天线顶部，增加了浮标的可见性；

④用于浮标定位的GPS接收机现在已经成为波浪骑士的标准配置，有利于浮标回收；

⑤集成了基于最新闪存技术的数据采集器；

⑥水温传感器可以提供海表温度；

⑦大容量电池可以在所有波浪条件和天气环境下安全可靠地连续工作数年，无需更换；

⑧内置电量计可精确估算剩余电量的维持时间。

仪器标配的高频通信范围可以覆盖50km，通过运用Argos或Orbcomm卫星通信联合或取代仪器的高频装置，可以实现进一步地扩大通信范围。近岸应用条件下，也可以采用GSM通信。MK III型波浪骑士有两种规格:70cm直径，可连续工作一年；90cm直径，可连续工作三年。仪器基本参数见表7.2。

图7.5　MK III型波浪骑士示意图

表7.2　仪器基本参数

续表

2.SZF2-1型测波仪(重力式)

SZF2-1型测波仪是一种能定点、定时(或连续)地对波浪要素进行测量的小型浮标自动测量系统，能同时测取两侧海浪的波高、周期、波向。可单独使用，也可作为海岸基/平台基海洋环境自动监测系统的基本设备。

(1)仪器基本原理

SZF2-1型测波仪采用重力加速度原理进行波浪测量，当波浪浮标随波面变化作升降运动时，安装在浮标内的垂直加速度计输出一个反映波面升降运动加速度的变化信号，对该信号做二次积分处理后，即可得到对应于波面升降运动高度变化的电压信号，将信号做模数转换和计算处理后可以得到波高的各种特征值及对应的波周期。

利用波高倾斜一体化传感器、方位传感器除可以测得波高的各种特征值和对应的波周期外，还可以测得浮标随波面纵倾、横倾和浮标方位的三组参数，通过计算处理，得到波浪的传播方向。

(2)仪器结构和组成

仪器结构和组成如图7.6所示:浮标体内的仪器舱采用不锈钢制作，外壳用玻璃钢材料制作，外壳与仪器舱之间填充发泡剂。浮标体起着数据采集、处理和发送的作用，浮标体内安装了波浪传感器，浮标数据采集、处理和控制机，数据发射机和电池。仪器高650mm，宽860mm，水线(基准线)高330mm，(水线)排量139kg。

(3)仪器的工作方式

仪器的工作方式有三种，包括:定时测量方式、连续测量方式和检测工作方式。定时测量方式又分为3小时定时测量方式和1小时定时测量方式。

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图7.6　SZF2-1型测波仪

①鞭状天线；②闪光灯；③数传发射机；④(不锈钢)仪器舱；⑤方位传感器；⑥波高倾斜传感器；⑦(玻璃钢)浮标体；⑧防护层；⑨单元电池；⑩系留环；⑪短链

①3小时定时测量方式有标准测量和加密测量两种状态。标准测量状态浮标在每天2、5、8、11、14、17、20、23时(北京时)自动进行一次测量，每次测量间隔3小时；加密测量状态测量间隔1小时。每次测量都在整点进行。标准测量状态方式依据“加密门限值”，浮标自动判别并进行标准测量和加密测量之间的状态转换。以“十分之一大波波高” 特征值作为加密门限值的比较参数，当标准测量测得的十分之一大波波高大于等于预置的加密门限值后，浮标自动转换为加密测量状态。加密门限值在浮标布防前由用户预先设置。

②1小时定时测量方式，浮标在每天24个整点进行测量。浮标内的传感器在正点前的21min加电，传感器通电后稳定3min，工作17min，发射机工作1min，然后传感器被断电，浮标内控制电缆进入休眠状态(低功率)，等待下一个测量时次的到来。

连续测量方式是浮标循环地进行“数据采集、发送”过程。由于发射机工作时不进行数据采集，故相邻两组数据在时间上不连续，间断约1min。采样间隔为0.5s的数据采集时间为17min，发射时间1min，循环往复，在第一次通电的时候，传感器需稳定3min；采样间隔为0.25s，数据采集时间为8min32s。

检测工作方式是浮标以0.125s的采样间隔工作，主要用于检测系统的工作状态。检测时间第一次需要7min(包含3min传感器稳定时间)，之后每次工作时间为4min20s。当设置了浮标的工作方式时，岸站接受处理机也处于相应的工作方式。接收机在接收时次(正点前)提前6min打开接收机，准备接收数据。

(4)仪器数据处理

波浪浮标在每次测量结束后，对波高、倾斜角、方位角的采样数据进行处理，得到波浪特征值最大波高、平均波高、有效波高和十分之一大波波高(Hmax，H

，H1/3，H1/10)及对应的周期值(Tmax，，T1/3，T1/10)和按16个方位角划分的波向出现率。

(5)仪器数据传输与存储

浮标与岸站接收处理机采用单向VHF数字通信，每次测量结束后，向岸站接收处理机发送测量的数据。浮标向岸站接收处理机传送的数据有:测量时间、波高原始数据(2048点采样值)、波浪统计特征值、波向出现率及浮标电池电压值。

浮标内设有数据存储器，存储依据用户预先设置的“储存门限值”进行，浮标自动判别和存储测量数据。以“十分之一大波波高”特征值作为存储门限值的比较参数。当每次测得的十分之一大波波高大于等于用户预置的存储门限值时，浮标自动存储所采集的原始数据和特征值数据；当十分之一大波波高小于用户预置的存储门限值后，浮标不再存储所采集的原始数据和特征值数据。如果需要对每次测量的数据都进行存储，可以将存储门限值设置为0，存储内容包括:测量时间，波高、纵倾、横倾、方位4组原始数据，波浪统计特征值，波向出现率及浮标电池电压值。

仪器采用无线数字通信方式，遥测距离不小于10km。岸站的接收处理机具有数据接收、打印、存储和转送功能。

卫星打印机打印观测时间(年、月、日、时、分)，波浪统计特征值、波向出现率及浮标电池电压值。接收处理机存储器存储数据的容量可达到1024组测量数据，存储器存储的数据有:测量时间、波浪统计特征值、波向出现率、浮标电池电压值和波高原始数据。存储时，接收处理机自动依据存储数据的顺序为存储的数据标号(自0～1023)。通过RS-232串口与PC机相连，接收处理机可以将数据传送给PC机。

(6)仪器技术指标

仪器的各项测量指标见表7.3。

表7.3　测量指标

(7)仪器布置方式

海上工作有锚碇和船舶系留两种。锚碇方式如图7.7所示。

3.浮标列阵

为了解决在观测时只能获取一维波谱或波高，不能观测波向和波浪空间结构的问题，同时布置若干个测量一维波的仪器，组成仪器阵列来测量，即所谓的浮标阵列。而某一特定阵列只适用于一定频率范围内的波浪。当长短波俱在或海浪谱的宽度较宽时，要设计一个仪器阵列，使其适用于各种波长的波浪观测，则是一个复杂而艰巨的任务。Pitch-rollbouy的感应器可以同时测得浮标前后颠簸、左右摇摆以及上下起伏。然后根据这3个参数确定二维方向谱。在布防时，必须保证即使在天气恶劣的情况下，也不致使其倾翻。此外，整理所获得的资料也是一件十分艰巨的工作。有些厂家也已研制了专业软件，用于处理输入专用微机或通过计算机的浮标记录，从而可方便地直接得到方向分布和频率分布。

图7.7　SZF2-1型测波仪单点锚碇系留示意图

①测量浮标；②水平缆；③浮力球；④锚系

另有一种苜蓿叶浮标可以测量二维波浪的波剖面。实际上它是由3个浮体组成的，可以用来精确地获得二维波谱。

测量海浪传播方向的方法还有很多。例如设法测定近水面处水质点的运动速度，同时再结合所测定的海面波动，即可推导出海浪的传播方向。总之，定量地测定海浪的方向是一项比单纯地测量波高更为艰难的工作。不过人们终将完全摆脱依靠目测法估计波向的局面。趋势所迫，势在必行，所以还有大量的研制工作，留待今后研究和发展。

上述的光学测波仪以及重力式测波仪都采用了海面浮标设备，其优点很多，然而它们的共同缺点就是容易丢失。业外人员自觉或不自觉地破坏了测波装置。此外，如果浮标的锚碇系统不牢，在恶劣天气条件下，浮标也有被吹走或卷走的可能。若将测波仪器置于海底或水下，其隐蔽性好，不易遭受人为和天气的影响，因而此类测波仪在近年来应用逐渐扩大。较为常见的包括:压力式测波仪和声学式测波仪。