海流测量技术介绍

1、海流测量技术介绍海流是指海水大规模相对稳定地流动，是海水重要的普 遍运动形式之一，对全球气候的稳定和生态的平衡起着至关 重要的作用，同时又对沿海人民的生活、生产和海洋的开发 利用带来了很多不利影响。因此，海流测量技术一直是海洋 行业所关注的焦点之一。海流测量技术的发展既是测量设备的发展，大致可分三 个阶段。一是起步阶段，虽然十八世纪已经出现了一些简单 的测流仪器，但直到厄克曼海流计的创制才正式开始了海流 测量设备起步阶段；二是发展阶段，由于军事上的需要，海 流测量逐渐向深远海发展，上世纪五十年代至八十年代研制 出了多种多样的测量设备；三是飞跃阶段，随着计算机、芯 片和卫星技术的发展，海流观测技

2、术开始向智能化、 集成化、 高精度方向发展，出现了以声学多普勒海流计为代表的先进 海流观测设备。海流测量方法的多种多样，可分为定点式、 走航式和抛弃式等；也可分为接触式和非接触式；较明确的 分类应是按照测量原理划分成：漂浮法、机械式、电磁感应 式、声学式和雷达遥感等方法，这些也是目前国内外应用较 广的测量方法。本文将对这几种测量技术的测量原理、优缺 点、应用方向和国内外测量设备发展进行简单介绍。、浮法漂浮法是跟踪漂浮物体的时空变化以确定表面流的流 速和流向，主要分为表面漂流浮标和水下中性浮标两种。（一）表面漂流浮标早期的表面漂流浮标通常选择船体或海上的漂移物（如漂流瓶和浮游冰块等），根据移动的

3、轨迹进行流速流向的分 析，后来利用航空摄影定位、雷达定位或全球卫星定位等方 法跟踪的浮标，提高了浮标的位置精度，但费时费力，且只 能获得短期、小区域的资料。随着卫星定位和卫星通信技术 的发展，漂流浮标进而发展为一种十分有效的大尺度海洋环 境监测手段3。表面漂流浮标主要由浮体、水帆和连接绳组 成，可以连续观测3个月以上，一次性使用或重复回收利用， 成本低、技术成熟可靠。目前，较多使用的漂流浮标为美国 PacificGyre生产的近岸 Microstar漂流浮标和远海 SVP漂流 浮标，加拿大MetOcean公司的CODE近岸漂流浮标和SVP 系列远海浮标，还有西班牙 AMT公司MD03漂流浮标，

4、国 内也有很多厂家研制，如国家海洋技术中心的FZS3-1型表层漂流浮标。由于技术成熟，有的科研单位根据需求自行设 计浮标以满足不同测量任务的要求。（二）中性浮标上世纪五十年代，英国的斯沃洛博士研制出了利用水声 技术跟踪的中性浮标，并用这种浮标相继发现了深层的海 流、逆流、涡流及其变异特征。20世纪80年代，Dvasi和Webb等人研制出了自持式拉格朗日环流探侧仪（ALACE）。这种浮标在水下设定深度随流漂移，到达预定时间时浮标会 自动上浮；到达海面后，通过卫星系统完成通信和定位；然 后再下潜到设定深度开始新的观测循环。为了满足垂直剖面 温盐参数的循环探测需要，到上世纪90年代，这类浮标进而演变

5、成自沉浮式剖面探测浮标 （APEX），可通过改变体积实 现自动沉浮，主要由壳体、机芯、液压装置、传感器、控制 电路板、数据传输终端和电源等部分组成，剖面深度一般为 0m2000m，有的可以达到 6000m的观测深度。目前，世界范围内主要使用的剖面浮标有美国TeledyneWebb公司研制的 APEX，法国 NKE 公司研制的 PROVOR 和ARVOR，美国斯克里普斯海洋研究所研制的SOLO- 和SOLO ,还有TSK公司与日本海洋科技中心共同研制的Navis等。我国剖面漂流浮标 COPEX（中国海洋剖面探测浮标） 和中船重工第710研究所研制的HM2000剖面浮标已实现量 产，但与国外的 A

6、PEX相比仍需要进一步改进和完善。二、机械式海流计机械式海流计也称旋桨海流计，是利用流体力学原理研 制的设备。它借助海洋产生的推动力来驱动叶轮旋转，进而 由传感器感应出转速，最后再换算成流速值，并用内置的磁 罗盘确定流向。机械式海流计一般包括水上甲板单元、水下 测量单元和通讯电缆。该类设备为船用或锚系定点测流仪 器，优点是仪器精度较高，可以在法定计量单位进行计量检 定；可测量任意深度的海流数据；仪器功耗低，潜标自记使 用时可全天候、长期测量。缺点是只能测量水平方向的一维 流速、流向值；旋桨启动速度一般为 0.03m/s，不能测低速流； 只能定点测量，且一次只能测量某一深度；多数仪器使用内 置磁

7、罗盘确定流向，受船体和其他钢结构磁场影响较大；接 触式测量，抗海流干扰能力差，方向翼有转动误差，是低流 速情况下，方向翼转动不灵活；在浅海水域测流时受风和浪 的影响，存在一定的误差。目前应用较广的有英国 Valeport公司的106、108Mk川 和308型海流计，挪威安德拉仪器公司生产的 RCM-4S型海 流计，国产SLC9-2型直读海流计也是很成熟的产品。三、电磁式海流计 海水在地磁场中流动所产生的感应电动势可用来测量 流速、流向，据此原理研制出的海流计称为电磁海流计，可 分为天然磁场电磁海流计和人工磁场电磁海流计。（一）天然磁场电磁海流计上世纪40至50年代，美国、日本和前苏联等国家研制

8、 出走航测量式的天然磁场电磁海流计，该系统主要由电缆、 电极和记录器组成，可在航行中大范围、连续地测量表层流。 测量时船只拖着传感器在海面上沿“之”字航行，分别测量 两个方向的海流分量，然后求出海流的矢量大小和方向。由 于测量方法和海洋电场影响， 测量误差很大，有时可达15%， 但可在除赤道和低纬地区外的任意海区航行测量。投弃式海流剖面仪（XCP）是一种利用地磁进行快速测量 的电磁海流计。XCP是海洋环境预报、 海洋科学研究及军事 应用领域中一种先进高效的测量手段，尤其适合在有争议的 特殊海域进行海洋环境参数测量。美国华盛顿大学应用物理 实验室的Thomas等人于1978年成功研制了第一台 X

9、CP样 机。XCP测到的是传感器所在位置的平均海流流速，不能给出海流剖面数据，而且流速测量精度受地磁场分布影响较 大，但其具有探测海域广、测量深度大、运行周期短、探头 体积小、布放形式多样、数据获取及时的优点。现在该项技 术的开发商主要是美国的 Sippican公司和日本的TSK公司。“十一五”期间，在“863 ”计划支持下，我国突破了高速旋转探头结构设计和微弱电场信号测量等关键技术10，完成了 XCP原理样机的研制。（二）人工磁场电磁海流计根据法拉第电磁感应定律，人工磁场电磁海流计会产生 与水流流速成正比的电位差，后经过反演得到水流流速。目 前被广泛应用的是球形、盘形和环形三种形式传感器，还

10、有 主要应用于实验室环境的柱形结构传感器。该类海流计是上 层海洋和深海锚定使用的良好测流设备，在江河湖泊里也有 广泛的应用前景。优点是体积小、重量轻，自容或直读测量， 使用灵活，测量精度高，测量数据齐全，布放简单；其缺点 是：不能进行剖面测量；易受海水介质电导率和地球磁场的 影响11，零点和测值易浮移，需经常校准。目前，广泛使 用的人工磁场电磁海流计主要有美国InterOcean systems公司的S4、英国Valeport公司的 MIDAS ECM、日本 ALEC 公 司的 Compact-EM 和德国 HS-Engineers 公司的 ISM-2001 系 列等，通过加装其他传感器，可同

11、时测量海流、波浪、潮汐、电导率、温度、水深、浊度和水质等要素。国内尚无成熟的 人工磁场电磁海流计产品。四、声学式海流计 声学海流计按其工作原理可分为时差式声学海流计、聚 焦式声学海流计和声学多普勒海流剖面仪。（一）时差式声学海流计也称声传播时间海流计，其原理是：在声传播距离相同 的条件下，通过测量逆流、顺流两次声传播的时间差计算出 海水的流速。该类设备使用两对正交的同时发射和接收信号 的换能器构成仪器坐标系，通过电子罗盘测量仪器坐标系与 大地坐标系的夹角，然后矢量合成计算大地坐标系的海流流 速和流向，其关键技术是精确测量两对换能器之间声波传播 的时间差，精度一般要求在ns级。该类仪器是非接触式

12、测量， 可测二维和三维海流，测得的流速有很好的过零点线性特 性，但水流流经换能器时所产生尾流会对测量的结果产生一 定的影响。应用较广泛的设备有挪威Sensorte公司的 UCM-60/UCM -60DL产品，美国 NOBSKA 公司的MAVS-3/MAVS-4 产品，美国 FSI 公司的 2D-ACM/3D-ACM 产品。目前国内尚无成熟产品。（二）聚焦式声学海流计也称声学多普勒海流计（ADV），是一种利用声学多普勒 效应进行海流测量的设备。近年来，ADV广泛用于研究水流紊动特性、泥沙浓度、泥沙浓度脉动特性、浅水波浪特性分 析、现场波浪谱及碎浪区紊流（雷诺应力）测量等方面14-15。ADV测量

13、换能器一般由一个发射换能器和三个接收换能器 组成，三个接收换能器以一定角度均匀分布在发射换能器周 围。发射换能器发出的超声信号，到达采样体位置时发生散 射，散射信号再被接收换能器所接收，对接收信号进行解析 和处理后便可以得到采样体的流速流向参数16。ADV能准确、快速、无干扰的测量三维流场，分为实验室用和现场测 量两类。应用交广的现场用 ADV有美国Sontek公司的ADV 和挪威Nortek公司的ADV等，目前国内尚无成熟产品。（三）声学多普勒海流剖面仪 （ADCP）ADCP通过测定声波入射到海水中散射物质后向散射在 频率上的多普勒频移，从而得到不同水层水体的剖面流速流 向分布。ADCP的发

14、展大致可以分为四个阶段 17，经过30 年的发展已形成多种形式和不同用途的系列化产品。ADCP是非接触式测量设备，对被测流场不产生干扰18，能同时测量一个剖面上若干层二维 /三维流速流向数据，是目前应用 最为广泛的海流测量设备，而且在污染悬浮物浓度、泥沙含 量、感潮河段流量、波浪监测等领域也有广泛的应用。但是 其剖面测量深度受水体中气泡和悬浮物颗粒大小的影响，往 往达不到设备所标称的深度范围，简单来说就是水体越浑浊 深度剖面范围越小。目前世界范围内广泛应用的ADCP主要由美国TRDI公司、美国 YSI/Sontek公司、美国 RTI公司、 挪威Nortek公司和挪威AADI公司提供。国家海洋局

15、海洋技术研究所 （现国家海洋技术中心）、中 国科学院声学研究所、哈尔滨工程大学和杭州应用声学研究 先后对多普勒测流技术进行了先关研究。经过国家“863 ”专项支持，国家海洋技术中心和中科院声学所研制出了试验 样机，通过专家组验收19。国产ADCP有中船重工715所 的RS-HCL150型相控阵声学测流仪和 PAADCP海流剖面仪， 江苏中海达海洋信息技术有限公司也推出了首款量产化的 国产 ADCP 产品 iFlow RP600 ADCP。五、表层海流遥感观测表层海流遥感观测主要可以分为X波段雷达遥感、高频地波雷达遥感和卫星遥感。基于雷达遥感观测海表特征系统 的工作原理是：雷达发射机通过天线向海

16、面辐射电磁波，经 海洋表面反向后被雷达接收，然后通过分析其随时空变化的 情况，进而得到清晰的、实时的海表面相关信息20。主要可以分为X波段雷达、高频地波雷达和合成孔径雷达（SAR）等。（一） X波段雷达遥感1985年Young将三维傅立叶方法应用于雷达图象序列， 首次提出了利用“海杂波”雷达图像时间序列分析海表信息的方法。在此后10年间，多个学者不断进行算法研究、传 递函数的确定和系统的改进。1995年，德国GKSS实验室研 制出了海浪监测系统（WaMoS），并应用到现场海洋监测中， 经过不断努力，现在形成了第二代商业化产品WaMoS Do挪威Miros公司也于80年代末研制了类似的系统 WA

17、VEX , 后形成商业化产品，WAVEX系统可实时测量表层流速和海浪参数21。另外，美国，丹麦，意大利等国也进行了X波段雷达海洋监测的研究。我国X波段雷达监测技术研究相对国外起步较晚。在“十五”期间，总装备部和国家“863 ”计划资助开展了 X波段雷达的海表面信息提取关键技术研究。之后，国内几个 科研院校也加大了利用 X波段雷达进行测波、测流系统的研 究步伐22，但目前还处于研究阶段，没有达到商业化的程 度。（二）高频地波雷达遥感20世纪60年代，出现了利用岸基高频地波雷达进行海 表面特征参数测量的相关研究。高频地波雷达能对近岸海洋 进行全天候、大面积、远距离的实时监测，广泛应用于各国 专属经

18、济区的监测23。目前，利用高频地波雷达进行海态 测量的产品种类很多，国外主要是美国CODAR公司研制的SeaSonde德国汉堡大学研制的 WERA、加拿大的HF-GWR雷达系统和英国的 OSCR系统。我国近岸高频地波雷达遥感技术起步较晚，国内产品主要是武汉大学研发的 OSMAR系 列雷达24，该类雷达在海流测量精度方面已接近于国际上 较先进的雷达水平，海表面流场的均方测量误差小于土5cm/s。通过近年来的发展，岸基高频地波雷达用于海流测量 的精度及性能已经得到了广泛的验证和认可，但是所得海流 的验证误差比传统测流设备大，误差的来源主要是雷达系统 本身或雷达系统组网的不确定性和观测目标（海域）的差异造成的。（三）卫星遥感随着卫星遥感技术的发展，从卫星数据中提取海表流场 参数的反演算法成为研究热点。卫星遥感可获得大面积同步 的、高重复频率的海表流场数据。星载合成孔径雷达是一种 主动式微波遥感系统，它通过应用脉冲压缩