海流測量技術發展及應用
周慶偉1，白楊1，封哲2，汪小勇1，王延偉3
(1.國家海洋技術中心；2.河北省環境監測中心站；3.72515部隊)
【摘要】海流是海洋科學研究、海洋工程、資源開發利用等方面的重要輸入參數之一，海流測量技術多種多樣。海流測量方法按照測量原理可劃分成：漂浮法、機械式、電磁感應式、聲學式和表層海流遙感觀測等方法。本文將對這些測量方法的原理、發展、應用、優缺點和典型設備等方面進行介紹。我國海流測量設備相比國外還存在一定的差距。應該制定一定的保護措施大力扶植國產設備的研發和推廣，加快產品化進程，保障觀測資料安全，並通過制定和完善相關標準以及完善觀測設備安全保護機制，提高國內海流測量的技術水平。
【關鍵詞】海流測量；測量原理；技術發展；應用領域；儀器設備
一、引言
海流是指海水大規模相對穩定地流動，是海水重要的普遍運動形式之一[1]，對全球氣候的穩定和生態的平衡起著至關重要的作用，同時又對沿海人民的生活、生產和海洋的開發利用帶來了很多不利影響。因此，海流測量技術一直是海洋行業所關注的焦點之一。
海流測量技術的發展既是測量設備的發展，大致可分三個階段。一是起步階段，雖然十八世紀已經出現了一些簡單的測流儀器，但直到厄克曼海流計的創製才正式開始了海流測量設備起步階段；二是發展階段，由於軍事上的需要，海流測量逐漸向深遠海發展，上世紀五十年代至八十年代研製出了多種多樣的測量設備；三是飛躍階段，隨著計算機、晶元和衛星技術的發展，海流觀測技術開始向智能化、集成化、高精度方向發展，出現了以聲學多普勒海流計為代表的先進海流觀測設備。海流測量方法的多種多樣，可分為定點式、走航式和拋棄式等；也可分為接觸式和非接觸式；較明確的分類應是按照測量原理劃分成：漂浮法、機械式、電磁感應式、聲學式和雷達遙感等方法，這些也是目前國內外應用較廣的測量方法。本文將對這幾種測量技術的測量原理、優缺點、應用方向和國內外測量設備發展進行簡單介紹。
二、海流測量技術
⒈漂浮法
漂浮法是跟蹤漂浮物體的時空變化以確定表面流的流速和流向，主要分為表面漂流浮標和水下中性浮標兩種。
⑴表面漂流浮標
早期的表面漂流浮標通常選擇船體或海上的漂移物(如漂流瓶和浮游冰塊等)，根據移動的軌跡進行流速流向的分析，後來利用航空攝影定位、雷達定位或全球衛星定位等方法跟蹤的浮標，提高了浮標的位置精度[2]，但費時費力，且只能獲得短期、小區域的資料。隨著衛星定位和衛星通信技術的發展，漂流浮標進而發展為一種十分有效的大尺度海洋環境監測手段[3]。表面漂流浮標主要由浮體、水帆和連接繩組成，可以連續觀測3個月以上，一次性使用或重複回收利用，成本低、技術成熟可靠。目前，較多使用的漂流浮標為美國PacificGyre生產的近岸Microstar漂流浮標和遠海SVP漂流浮標，加拿大MetOcean公司的CODE近岸漂流浮標和SVP系列遠海浮標，還有西班牙AMT公司MD03漂流浮標，國內也有很多廠家研製，如國家海洋技術中心的FZS3-1型表層漂流浮標。由於技術成熟，有的科研單位根據需求自行設計浮標以滿足不同測量任務的要求。
⑵中性浮標
上世紀五十年代，英國的斯沃洛博士研製出了利用水聲技術跟蹤的中性浮標，並用這種浮標相繼發現了深層的海流、逆流、渦流及其變異特徵。20世紀80年代，Dvasi和Webb等人研製出了自持式拉格朗日環流探側儀(ALACE)。這種浮標在水下設定深度隨流漂移，到達預定時間時浮標會自動上浮；到達海面後，通過衛星系統完成通信和定位；然後再下潛到設定深度開始新的觀測循環。為了滿足垂直剖面溫鹽參數的循環探測需要，到上世紀90年代，這類浮標進而演變成自沉浮式剖面探測浮標(APEX)[4]，可通過改變體積實現自動沉浮，主要由殼體、機芯、液壓裝置、感測器、控制電路板、數據傳輸終端和電源等部分組成[5]，剖面深度一般為0m～2000m，有的可以達到6000m的觀測深度。
目前，世界範圍內主要使用的剖面浮標有美國Teledyne Webb公司研製的APEX，法國NKE公司研製的PROVOR和ARVOR，美國斯克里普斯海洋研究所研製的SOLO-Ⅱ和SOLO，還有TSK公司與日本海洋科技中心共同研製的Navis等[6]。我國剖面漂流浮標COPEX(中國海洋剖面探測浮標)和中船重工第710研究所研製的HM2000剖面浮標已實現量產，但與國外的APEX相比仍需要進一步改進和完善。
⒉機械式海流計
機械式海流計也稱旋槳海流計，是利用流體力學原理研製的設備。它藉助海洋產生的推動力來驅動葉輪旋轉，進而由感測器感應出轉速，最後再換算成流速值，並用內置的磁羅盤確定流向[7]。機械式海流計一般包括水上甲板單元、水下測量單元和通訊電纜。該類設備為船用或錨系定點測流儀器，優點是儀器精度較高，可以在法定計量單位進行計量檢定；可測量任意深度的海流數據；儀器功耗低，潛標自記使用時可全天候、長期測量。缺點是只能測量水平方向的一維流速、流向值；旋槳啟動速度一般為0.03m/s，不能測低速流；只能定點測量，且一次只能測量某一深度；多數儀器使用內置磁羅盤確定流向，受船體和其他鋼結構磁場影響較大；接觸式測量，抗海流干擾能力差，方向翼有轉動誤差，是低流速情況下，方向翼轉動不靈活；在淺海水域測流時受風和浪的影響，存在一定的誤差。
目前應用較廣的有英國Valeport公司的106、108MkⅢ和308型海流計，挪威安德拉儀器公司生產的RCM-4S型海流計，國產SLC9-2型直讀海流計也是很成熟的產品。
⒊電磁式海流計
海水在地磁場中流動所產生的感應電動勢可用來測量流速、流向，據此原理研製出的海流計稱為電磁海流計，可分為天然磁場電磁海流計和人工磁場電磁海流計。
⑴天然磁場電磁海流計
上世紀40至50年代，美國、日本和前蘇聯等國家研製出走航測量式的天然磁場電磁海流計，該系統主要由電纜、電極和記錄器組成，可在航行中大範圍、連續地測量表層流。測量時船隻拖著感測器在海面上沿「之」字航行，分別測量兩個方向的海流分量，然後求出海流的矢量大小和方向。由於測量方法和海洋電場影響，測量誤差很大，有時可達15%，但可在除赤道和低緯地區外的任意海區航行測量。
投棄式海流剖面儀(XCP)是一種利用地磁進行快速測量的電磁海流計。XCP是海洋環境預報、海洋科學研究及軍事應用領域中一種先進高效的測量手段，尤其適合在有爭議的特殊海域進行海洋環境參數測量[8]。美國華盛頓大學應用物理實驗室的Thomas等人於1978年成功研製了第一台XCP樣機[9]。XCP測到的是感測器所在位置的平均海流流速，不能給出海流剖面數據，而且流速測量精度受地磁場分布影響較大，但其具有探測海域廣、測量深度大、運行周期短、探頭體積小、布放形式多樣、數據獲取及時的優點。現在該項技術的開發商主要是美國的Sippican公司和日本的TSK公司。「十一五」期間，在「863」計劃支持下，我國突破了高速旋轉探頭結構設計和微弱電場信號測量等關鍵技術[10]，完成了XCP原理樣機的研製。
⑵人工磁場電磁海流計
根據法拉第電磁感應定律，人工磁場電磁海流計會產生與水流流速成正比的電位差，後經過反演得到水流流速。目前被廣泛應用的是球形、盤形和環形三種形式感測器，還有主要應用於實驗室環境的柱形結構感測器。該類海流計是上層海洋和深海錨定使用的良好測流設備，在江河湖泊里也有廣泛的應用前景。優點是體積小、重量輕，自容或直讀測量，使用靈活，測量精度高，測量數據齊全，布放簡單；其缺點是：不能進行剖面測量；易受海水介質電導率和地球磁場的影響[11]，零點和測值易浮移，需經常校準。目前，廣泛使用的人工磁場電磁海流計主要有美國InterOcean systems公司的S4、英國Valeport公司的MIDAS ECM、日本ALEC公司的Compact-EM和德國HS-Engineers公司的ISM-2001系列等，通過加裝其他感測器，可同時測量海流、波浪、潮汐、電導率、溫度、水深、濁度和水質等要素。國內尚無成熟的人工磁場電磁海流計產品。
⒋聲學式海流計
聲學海流計按其工作原理可分為時差式聲學海流計、聚焦式聲學海流計和聲學多普勒海流剖面儀。
⑴時差式聲學海流計
也稱聲傳播時間海流計，其原理是：在聲傳播距離相同的條件下，通過測量逆流、順流兩次聲傳播的時間差計算出海水的流速[12]。該類設備使用兩對正交的同時發射和接收信號的換能器構成儀器坐標系，通過電子羅盤測量儀器坐標系與大地坐標系的夾角，然後矢量合成計算大地坐標系的海流流速和流向，其關鍵技術是精確測量兩對換能器之間聲波傳播的時間差，精度一般要求在ns級。該類儀器是非接觸式測量，可測二維和三維海流，測得的流速有很好的過零點線性特性，但水流流經換能器時所產生尾流會對測量的結果產生一定的影響[13]。應用較廣泛的設備有挪威Sensorte公司的UCM-60/UCM-60DL產品，美國NOBSKA公司的MAVS-3/MAVS-4產品，美國FSI公司的2D-ACM/3D-ACM產品。目前國內尚無成熟產品。
⑵聚焦式聲學海流計
也稱聲學多普勒海流計(ADV)，是一種利用聲學多普勒效應進行海流測量的設備。近年來，ADV廣泛用於研究水流紊動特性、泥沙濃度、泥沙濃度脈動特性、淺水波浪特性分析、現場波浪譜及碎浪區紊流(雷諾應力)測量等方面[14-15]。ADV測量換能器一般由一個發射換能器和三個接收換能器組成，三個接收換能器以一定角度均勻分布在發射換能器周圍。發射換能器發出的超聲信號，到達採樣體位置時發生散射，散射信號再被接收換能器所接收，對接收信號進行解析和處理後便可以得到採樣體的流速流向參數[16]。ADV能準確、快速、無干擾的測量三維流場，分為實驗室用和現場測量兩類。應用交廣的現場用ADV有美國Sontek公司的ADV和挪威Nortek公司的ADV等，目前國內尚無成熟產品。
⑶聲學多普勒海流剖面儀(ADCP)
ADCP通過測定聲波入射到海水中散射物質後向散射在頻率上的多普勒頻移，從而得到不同水層水體的剖面流速流向分布。ADCP的發展大致可以分為四個階段[17]，經過30年的發展已形成多種形式和不同用途的系列化產品。ADCP是非接觸式測量設備，對被測流場不產生干擾[18]，能同時測量一個剖面上若干層二維/三維流速流向數據，是目前應用最為廣泛的海流測量設備，而且在污染懸浮物濃度、泥沙含量、感潮河段流量、波浪監測等領域也有廣泛的應用。但是其剖面測量深度受水體中氣泡和懸浮物顆粒大小的影響，往往達不到設備所標稱的深度範圍，簡單來說就是水體越渾濁深度剖面範圍越小。目前世界範圍內廣泛應用的ADCP主要由美國TRDI公司、美國YSI/Sontek公司、美國RTI公司、挪威Nortek公司和挪威AADI公司提供。
國家海洋局海洋技術研究所(現國家海洋技術中心)、中國科學院聲學研究所、哈爾濱工程大學和杭州應用聲學研究先後對多普勒測流技術進行了先關研究。經過國家「863」專項支持，國家海洋技術中心和中科院聲學所研製出了試驗樣機，通過專家組驗收[19]。國產ADCP有中船重工715所的RS-HCL150型相控陣聲學測流儀和PAADCP海流剖面儀，江蘇中海達海洋信息技術有限公司也推出了首款量產化的國產ADCP產品iFlow RP600 ADCP。
⒌表層海流遙感觀測
表層海流遙感觀測主要可以分為X波段雷達遙感、高頻地波雷達遙感和衛星遙感。基於雷達遙感觀測海表特徵系統的工作原理是：雷達發射機通過天線向海面輻射電磁波，經海洋表面反向後被雷達接收，然後通過分析其隨時空變化的情況，進而得到清晰的、實時的海表面相關信息[20]。主要可以分為X波段雷達、高頻地波雷達和合成孔徑雷達(SAR)等。
⑴X波段雷達遙感
1985年Young將三維傅立葉方法應用於雷達圖象序列，首次提出了利用「海雜波」雷達圖像時間序列分析海表信息的方法。在此後10年間，多個學者不斷進行演算法研究、傳遞函數的確定和系統的改進。1995年，德國GKSS實驗室研製出了海浪監測系統（WaMoS），並應用到現場海洋監測中，經過不斷努力，現在形成了第二代商業化產品WaMoSⅡ。挪威Miros公司也於80年代末研製了類似的系統WAVEX，後形成商業化產品，WAVEX系統可實時測量表層流速和海浪參數[21]。另外，美國，丹麥，義大利等國也進行了X波段雷達海洋監測的研究。
我國X波段雷達監測技術研究相對國外起步較晚。在「十五」期間，總裝備部和國家「863」計劃資助開展了X波段雷達的海表面信息提取關鍵技術研究。之後，國內幾個科研院校也加大了利用X波段雷達進行測波、測流系統的研究步伐[22]，但目前還處於研究階段，沒有達到商業化的程度。
⑵高頻地波雷達遙感
20世紀60年代，出現了利用岸基高頻地波雷達進行海表面特徵參數測量的相關研究。高頻地波雷達能對近岸海洋進行全天候、大面積、遠距離的實時監測，廣泛應用於各國專屬經濟區的監測[23]。目前，利用高頻地波雷達進行海態測量的產品種類很多，國外主要是美國CODAR公司研製的SeaSonde、德國漢堡大學研製的WERA、加拿大的HF-GWR雷達系統和英國的OSCR系統。我國近岸高頻地波雷達遙感技術起步較晚，國內產品主要是武漢大學研發的OSMAR系列雷達[24]，該類雷達在海流測量精度方面已接近於國際上較先進的雷達水平，海表面流場的均方測量誤差小於±5 cm/s。通過近年來的發展，岸基高頻地波雷達用于海流測量的精度及性能已經得到了廣泛的驗證和認可，但是所得海流的驗證誤差比傳統測流設備大，誤差的來源主要是雷達系統本身或雷達系統組網的不確定性和觀測目標(海域)的差異造成的[25]。
⑶衛星遙感
隨著衛星遙感技術的發展，從衛星數據中提取海表流場參數的反演演算法成為研究熱點。衛星遙感可獲得大面積同步的、高重複頻率的海表流場數據。星載合成孔徑雷達是一種主動式微波遙感系統，它通過應用脈衝壓縮技術獲得很高的距離解析度，通過雷達與目標之間相對運動產生的多普勒頻移實現高解析度的方位信息。優點是空間解析度較高(25m～50m)；可全天候監測，不受氣象條件限制；軌道穩定性好，多次獲取數據重複性高。基於ADCP的現場同步實驗及數值模擬結果的比較表明，空間解析度100m前提下反演的海表流速的均方根誤差為0.1m/s[26]。
⒍其他形式的海流計
除了以上提到的海流測量技術外，還有其他形式的測量方式，如傾角法海流計、應變式三維流速感測器、粒子圖像測速法和激光多普勒測速(LDV)儀等。前兩種國內還處於研究試驗階段，後兩種多應用於實驗室流場試驗分析，本文不作過多介紹。
三、總結
海流測量方法已經日趨成熟，針對不同尺度、深度、精度和環境的海流測量有很多種方式可供選擇，這大大加快了人類對海洋研究和開發的進程。我國海流測量設備相比國外還存在一定的差距，主要體現在：仿製多、研製少；科研性成果多、商品化產品少；研製的儀器技術指標低於進口儀器，研製後無人使用等問題，主流設備主要依賴進口，這不僅造成了科研資源的浪費，也不利於國產設備的發展。應該制定一定的保護機制大力推進國產化設備的研發和應用，整合國內科研力量，充分利用已有研究成果，加快產品化進程，這不僅能夠提高國產設備的技術水平，而且也能保障觀測資料安全；並通過制定和完善相關產品標準以提高設備的可靠性、通用性和安全性等總體性能[27]。
參考文獻
[1]馮士筰,李鳳岐,李少菁.海洋科學導論[M].北京:高等教育出版社,1999:144.
[2]單忠偉.海流測量技術綜述[J].聲學與電子工程,2011,(1):1-5.
[3]蔡樹群,張文靜,王盛安.海洋環境觀測技術研究進展[J].熱帶海洋學報,2007,26(3):76-81.
[4]謝基平.利用ARGO浮標提取中層海流信息研究[D].南京信息工程大學,2005.
[5]張少永.剖面漂流浮標控制技術研究[D].天津大學,2007.
[6]盧少磊,孫朝輝,劉增宏等.COPEX和HM2000與APEX型剖面浮標比測試驗及資料質量評價[J].海洋技術學報,2016,35(1):84-92.
[7]韋祥楊.時差法三維流速測量技術研究[D].哈爾濱工程大學,2009.
[8]張啟升,鄧明,劉寧等.投棄式海流電場剖面儀研製[J].地球物理學報,2013,56(11):3699-3707.
[9]劉寧,李永軍,朱光文.一種投棄式快速海流剖面觀測儀器[J].海洋技術學報,2007,26(3):13-15.
[10]劉寧,張瑞,陳文義等.XCP投棄式海洋探頭阻力係數數值計算及試驗研究[J].海洋技術,2010,29(4):12-14.
[1]凌宗勝,趙鳳琴.智能電磁流速儀測量原理和抗干擾技術[J].黑龍江水利科技,2007,35(2):31-32.
[12]Thwaites F.T.,Albert J.Williams Ⅲ.New Current Meter Development[J].Sea Technology,1997(4): 108-112.
[3]翟錫亮.聲傳播時間海流計的技術研究[D].哈爾濱工程大學,2008.
[14]葉小雲,陳立,王有生等.泥沙濃度與水流紊動的試驗研究[J].武漢大學學報(工學版),2003,36(2):10-14.
[5]蘆軍,范代讀,塗俊彪,張悅,張艷偉.潮灘上應用ADV進行波浪觀測與特徵參數計算[J].海洋通報,2016,35(5):523-531.
[6]何奇峰.超聲多普勒流速儀(ADV)的應用研究[D].清華大學,2013.
[7]劉德鑄.聲學多普勒流速測量關鍵技術研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2010.
[8]楊鯤,等編.海洋調查技術及應用[M].武漢大學出版社,2009.
[9]張道平.寬頻多卜勒測流儀(BBADCP)信號特性分析[J].海洋技術,2001,20(1):78-82.
[20]鍾耀照.蘇北淺灘波浪傳播速度和流速的高頻地波雷達探測[D].廈門大學,2013.
[21]周蓓.X波段雷達海面流場信息提取技術研究[D].中國海洋大學,2008.
[22]崔利民.X波段雷達海浪與海流遙感機理及信息提取方法研究[D].中國科學院研究生院(海洋研究所), 2010.
[23]李自立.地波雷達表面流探測與深層流反演演算法研究[D].武漢大學,2010.
[24]文必洋,黃為民,王小華.OSMAR2000探測海面風浪場原理與實現[J].武漢大學學報(理學版),2001, 47(5):642-644.
[25]朱大勇,李炎,郭小鋼等.高頻地波雷達海流驗證研究述評[J].熱帶海洋學報,2013,(4):1-7.
[26]李慧敏.基於多普勒法的SAR海表流場反演演算法研究[D].中國海洋大學,2015.
[27]周慶偉,張松,武賀等.海洋波浪觀測技術綜述[J].海洋測繪,2016,36(2):39-44.
【作者簡介】第一作者周慶偉，1981年出生，男，山東省菏澤市，國家海洋技術中心,工程師，研究方向為海洋能調查與評估以及標準化工作；本項目為基金項目，財政部海洋可再生能源專項資金資助項目(GHME2014ZC01；GHME2016ZC04)；天津市自然科學基金資助項目(16JCYBJC20600)；中國科學院海洋環流與波動重點實驗室開放研究基金項目（KLOCW1606）；本文來自《海洋測繪》（2018年第3期），若其他公眾平台轉載，請備註論文作者，並說明文章來源，版權歸《海洋測繪》所有。
TAG:溪流之海洋人生 |