声学测波仪(或回声测波仪)，如一个倒置海底的回声测深仪。它从海底垂直向海面发射窄幅的水声脉冲信号，在起伏的海面处返射回来后再被接受。发出和回声接收的时间差即被用来度量波高。一般说来这类仪器的工作频率约为700kHz，而脉冲频率约为10Hz，脉冲的幅宽以不超过5°为佳。在测量时，如果海气之间有一个明显的界面，而且海水的温盐层结构比较稳定时，多数情况下获得的数据精度可达95%。但是当海面出现波浪破碎，或天气恶劣，海面富集有大量气泡或水沫时，测量的精度便会受到影响。由于这种仪器消耗功率较大，所以多数情况下需要铺设电缆供电。与压力测波仪相比，其优越性在于:不需要进行深度订正，所以并不存在由此引起的误差问题。但是这并非表示其适用于远洋深水海域，因为在安装仪器时，水深仍是一个重要的问题，此外电缆的铺设同样耗资巨大。

现介绍目前常用的几种声学式测波仪。

1.SBY2-1型声学式波浪仪

SBY2-1型声学式波浪仪基于超声波测距原理，如图7.9所示。由发射超声换能器向水面发射一束由窄脉冲调制的超声波，经水面反射后返回到与发射换能器在同位置上的超声波接收换能器，期间经历的路径为2L。设声波传播速度为C，声波经过2L路程的时间为T，则有:L＝1/2 CT。通过测准C和T就可得到准确的L，由L随时间变化的序列值即可提取波浪参数。

图7.9　SBY2-1型声学式波浪仪及仪器布设示意图

该仪器的波高测量范围为0～10m，波高测量标定误差为2cm，最大允许误差在±(0.2＋5%测量值)m之内。波周期测量范围为2～30s，最大允许误差为±0.25s。工作时，电源要求稳定在12±1VDC，工作电流200mA，待机电流5mA。仪器设定采样时间间隔为每小时正点开始测量；采样时间长度为17～20min，采样频率为4Hz。也可根据具体要求，设定采样间隔和采样时间长度。

测量结束后，该仪器可以提供各种波浪特征参数、波浪曲线和波谱。仪器有1GB和2GB两种储存空间，也可以通过标准RS-232接口，可用短波电台、CDMA、GPRS等传送数据，也可向PC机直接传送数据，对数据进行后处理。

2.DP-LPB1-2型岸用声学测波仪

DP-LPB1-2型岸用声学测波仪是一种适用于沿海台站、港口码头、海上平台及江河湖泊测量波浪的波高及周期的测波仪器(图7.10)。仪器由时钟控制自动开机工作，实现全自动智能化观测。该系统以声呐测距的原理测量波浪，系统由水下换能器及支架和岸上主机、打印机、计算机及信号电缆等部分组成，并且具有报警功能。该系统已列入原国家海洋局海滨观测规范，作为我国波浪观测的主要手段之一。该仪器功能齐全、精度高、性能稳定可靠；安装简单、操作方便。

DP-LPB1-2型岸用声学测波仪的波高测量范围为0～20m，分辨率为1cm，测量准确度≤±2%；波周期测量范围≥1.0s，分辨率0.1s，测量准确度±0.2s。水下换能器布放水深为1.5～50m，与陆上主机之间的信号传输距离≤1500m。采样间隔有0.2s、0.3s、0.4s、0.5s 4种模式可供选择。该仪器在交流电与直流电条件下均可工作；工作时，周边温度需维持0～50℃。根据需要，有定时测量和连续测量两种方式可供选择。

图7.10　DP-LPB1-2型岸用声学测波仪示意图

测量后可以通过定时打印波浪特征值数据或者存储器存储原始数据获取，并可以通过RS232或RS485接口与计算机连接，可进行实时传输和存储资料的调取，将数据转换。

3.SBA3-2型声学测波仪

SBA3-2型声学测波仪由水上机和水下机两部分组成(图7.11)。水上机由单片机数据采集、存储及控制系统，数据处理系统，发射机，接收机，电源等模块组成；水下机由声学换能器、常平架、标志浮标、电缆、尼龙绳及锚链等组成。适用于海洋台站、港工建设、石油平台以及湖泊、水库等波浪的测量。该仪器能自动定时测量和加密测量波浪高度、周期，统一计算波浪特征值，仪器可保存2个月的特征值和原始数据。SBA3-2型声学测波仪根据超声波回声测距原理，将声学换能器安装在常平架上，测点海底通过电缆与主机相连。由水上机发射电脉冲，经换能器转换成声信号，成束状垂直向海面发射超声波，当超声波到达海面(波面)时产生反射，反射波回到海底，激励换能器，再把声信号转换成电信号送给接收机。若连续向海面发射超声波脉冲信号，随着波浪的变化，即可得到连续的、返回时间不同的回波。当声速一定时，测得传播时间就可算出换能器至水面(瞬时)的垂直距离。设海水中的声速为C，声波由换能器到海面的往返时间t与瞬时的水深成正比

式中，C为海水中的声速，m/s；H为基本水深，m；h为瞬时波高，m。

图7.11　SBA3-2型声学测波仪示意图

测波仪连续地发射和接收声脉冲，可得到一系列与瞬时水深成正比的时间，即可得到波浪的采样值。由数据处理系统完成波浪的分波、特征值的计算，并将原始数据和特征值存入存储器。

该仪器测波范围为0.1～20.0m。当波高小于等于1m，波高测量准确度±0.1m；当波高大于1m，测量准确度为±(0.1＋10%×测量值)m。测量周期范围为2～20s，波周期测量准确度为±0.5s。采样频率为2次/s。(www.daowen.com)

工作电源要求交流85～265V或直流12±1V(交直流自动转换)。水上机工作环境温度0℃～＋40℃，相对湿度不超过85%；换能器工作水深5～60m；底流小于3节；常平架投放点海底最大倾斜度应小于20°，淤泥层厚度小于0.5m。

SBA3-2声学测波仪具有两种工作模式，即单机模式和系统模式，仪器可独立使用。仪器由键盘置入参数，完成测量、运算、存储、显示和打印。系统模式，仪器可作为一智能采集终端，通过标准RS-232C串行口与其他系统相连接。系统模式的缺省设置符合海洋技术所研制的台站测量系统通讯协议。系统机(上位机)通过串口设置仪器的工作参数和工作方式，可强迫仪器工作。仪器通过串行口将采集的原始数据和计算的特征值传送给系统机，再由系统机完成测量数据的转储及按照《海滨观测规范》(GB/T 14914—2006)完成波浪观测月报表等。

测量结束后数据可以通过LCD显示，微型打印机打印，或RS-232C串行接口通信输出。

4.“浪龙”AWAC声学式测波仪

挪威Nortek公司生产的AWAC声学多普勒波浪海流剖面仪(Acoustic Wave And Current，俗称“浪龙”)是一款自容式测波仪，是目前世界上唯一采用声学表面跟踪技术(AST)的座底式测波设备。声学多普勒流速剖面仪(Acoustic Doppler Current Profiler，ADCP)是一种测流速仪器，根据多普勒原理，运用矢量合成法遥测海流的垂直剖面分布，在不对流场产生任何扰动的情况下，能够实时测出多层次的海水流场信息，也不存在机械惯性和机械磨损等问题。利用ADCP来观测波浪进行波浪反演研究，既有仪器阵列测量方向谱的高精度，又有良好的操作性，使得波浪测量准确、高效、经济，因而得到了越来越多的关注。它小巧坚固，配备压力传感器，可以同时测量波高、波向、流速剖面等，具有全天候的波浪、海流监测能力，在海洋波流观测中有广泛的应用。其波高测量精度指标为测量值的±1%，波向误差±2°，周期范围0.5～30s。“浪龙”可根据测得的3组不同的波浪数据，计算出波高和周期，这3组数据分别是压力、波浪轨道速度和波高表面位置。压力由高精度的压电电阻元件测量得到，波浪轨道速度根据沿每个波束的多普勒频移得到，波高表面位置由表面声跟踪(AST)测量得到。对于表面声跟踪测量，AST是设备中间的专用传感器，可沿垂直声束发射一个短的声学脉冲，其水面反射信号能够被很好的处理，可获得厘米以下的精度。AST不受流速和压力信号衰减的影响，可不受干扰地对水表面进行直接测量，其观测波浪的最小波周期可达0.5s。由于波浪本身是一个随机事件，所以开始测量之前需要设置测量周期和采样数。测量开始后，测量单元和AST窗口会随流速剖面变化自动做出相应的调整，并立即发射测波脉冲。流速单元和AST窗口的位置、大小由最小压力值决定。通过自动调节测波脉冲，“浪龙”可确保测量各种波浪的信号水平和数据质量最优，同时还可以自动计算最大的潮汐变化(图7.12)。

图7.12　“浪龙”AWAC声学式测波仪示意图

5.“骏马”系列ADCP波浪仪

美国TRDI公司开发/生产的“骏马”系列ADCP波浪仪是波浪方向谱测量领域的重大突破。ADCP波浪仪所采用的IML矩阵算法已获得美国国家专利。

ADCP波浪仪的硬件部分与“骏马”系列ADCP(“哨兵”型或“监测”型)相同，只是在ADCP主机中增加了波浪数据采集和处理的固件，并配备压力传感器和波浪方向谱实时分析软件。因此，已经配备有压力传感器的“哨兵”型或“监测”型ADCP可以很容易地升级为ADCP波浪仪。用户可以购买升级所需的固件和软件自行进行升级，不必将ADCP运回TRDI公司。

“骏马”系列三种频率的ADCP(1200kHz、600kHz、300kHz)都可以升级为ADCP波浪仪。用户可以根据需要采用自容记录或实时监测。

ADCP波浪仪采用三种方法测量波浪方向谱:流速单元矩阵法、波面跟踪法和PUV法。以流速单元矩阵法和波面跟踪法为主要方法。

ADCP波浪仪的主要优点如下:

①能够在测量波浪方向谱和波浪参数、潮位的同时测量海流剖面。

②仪器安装在海底，丢失的可能性减小。

③波浪方向分辨率较高，可以分辨从不同方向传播过来的相同频率的波浪。

④截止频率较高，能测到较高频率(较短周期)的波浪。

目前，已有几百台ADCP波浪仪在全球各地投入使用。国内也已有十几个用户使用这种设备，效果很好。图7.13为ADCP波浪仪及其测出的波向图。

图7.13　ADCP波浪仪及其测出的波向图