壓力式波高儀的技術原理與應用介紹

壓力式波高儀是一種通過測量水底壓力變化來推算水面波高的海洋觀測儀器。它是波浪測量中應用非常廣泛的一種設備。

工作原理：

1. 水壓與水深的關系： 在靜水中，水底某一點的壓力（P）主要由該點上方的水柱重量決定，即 P = ρgh。其中：

• ρ 是水的密度

• g 是重力加速度

• h 是水深（從水面到壓力傳感器的垂直距離）

2. 波浪引起的水壓變化： 當波浪經過時，水面高度（η）隨時間（t）變化。這導致傳感器上方的水柱高度（h + η）也發生變化，從而引起水底壓力發生動態變化。

3. 從壓力到波高： 壓力傳感器記錄的是隨時間變化的總壓力 P(t)。這個總壓力可以分解為：

• 對于長波（波長 L 遠大于水深 h），水體的運動幾乎是垂直的，水底壓力變化幾乎等于水面波高引起的靜水壓變化，即 K? ≈ 1。

• 對于短波（波長 L 小或與水深 h 相當），水體的運動軌跡是橢圓形的，水底壓力波動會隨著水深增加而衰減。衰減程度由雙曲余弦函數決定：K? = 1 / cosh(kh)。其中 k = 2π/L 是波數。

• 靜水壓力部分 (P??????)： 對應平均水深（h）的壓力，P?????? = ρgh。

• 波動壓力部分 (P???g?)： 由水面波動（η）引起的動態壓力變化，P???g?(t) = ρgη(t) * K?。

• 傳遞函數 (K?)： 這是一個關鍵的因子，表示動態壓力幅值與實際波高幅值之間的比例關系。K? 小于 1，并且與波浪的波長 (L) 和水深 (h) 密切相關。

4. 反演波高： 通過測量得到的總壓力 P(t)，減去已知的平均靜水壓力 P??????（需要知道平均水深 h），得到波動壓力 P???g?(t)。然后，利用傳遞函數 K? 進行校正（通常需要知道或估計波浪的波長或頻率），即可計算出水面的瞬時波高 η(t)：
   η(t) = P???g?(t) / (ρgK?)

主要組成部分：

1. 壓力傳感器： 核心部件，通常采用高精度、高穩定性的傳感器（如壓阻式、壓電式、電容式），將水壓力信號轉換為電信號。

2. 保護外殼： 防水、耐壓、耐腐蝕的殼體，保護內部傳感器和電子元件免受海水侵蝕和水壓破壞。

3. 信號處理單元： 對傳感器輸出的微弱電信號進行放大、濾波（去除高頻噪聲）、數字化（模數轉換）。

4. 數據記錄/傳輸單元： 存儲處理后的壓力數據，或通過電纜、無線方式（聲學、無線電）將數據實時傳輸到岸站/平臺。

5. 安裝固定裝置： 如錨鏈、支架、沉塊等，確保儀器穩定地固定在海底預定位置。

6. 電纜（如有線式）： 用于供電和數據傳輸。

優點：

• 安裝相對簡單： 通常只需固定在海底，不需要伸出水面或復雜的海上結構。

• 隱蔽性好，不易損壞： 位于水下，受海面惡劣天氣（風暴、浮冰）、船只撞擊、人為破壞的影響較小。

• 成本相對較低： 相比于一些需要大型浮標或復雜平臺的測波儀（如測波雷達、加速度計式浮標），成本通常較低。

• 長期穩定性較好： 現代傳感器性能穩定，適合長期定點觀測。

• 可測量方向性波浪： 單點壓力測量無法直接區分方向，但通過陣列布置或結合其他信息（如流速）可以反演方向譜。

• 抗惡劣海況能力強： 不易受破碎波、飛濺水的直接影響。

缺點和局限性：

• 短波測量精度受限： 對短波（高頻波）的響應衰減嚴重（K? 很?。?，導致測量精度下降，甚至無法有效測量非常短的波浪（如毛細波、小風浪）。需要精確的 K? 進行校正。

• 需要水深信息： 計算波高必須知道傳感器上方的平均水深 h（用于計算 P?????? 和 K?）。水深變化（如潮汐）需要同步測量和校正。

• 需要波浪頻率/波長信息進行校正： 為了準確計算 K?，需要知道波浪的主要頻率或波長。這通常通過對壓力時間序列進行頻譜分析來獲得。

• 受安裝位置影響： 必須安裝在硬質、平坦的海底。淤泥或不平整的海底會影響壓力測量的準確性。離岸距離和水深變化會影響波浪特性。

• 不適用于破碎波區： 在波浪劇烈破碎的區域，水體強烈摻氣，壓力-波高關系變得非常復雜且不準確。

• 需要潮位校正： 潮汐引起的水深變化需要實時或事后進行校正，才能得到準確的波高值（相對于某個基準面）。

• 可能受海流影響： 強海流引起的動壓在理論上也會影響傳感器讀數，但在實際波浪測量中通常影響較小或可忽略。

應用場景：

• 實驗室波浪水槽和水池的波高測量。

• 港口、碼頭、防波堤附近的波浪監測。

• 近岸工程（如海岸防護、海堤、離岸平臺基礎）的波浪荷載和環境監測。

• 海洋觀測站、浮標系統的波浪長期連續觀測。

• 疏浚、填海等海洋工程作業的環境監測。

• 水動力模型驗證的現場數據采集。

總結：

壓力式波高儀是一種成熟、可靠、成本效益較高的波浪測量工具，尤其適用于長周期波的測量和長期定點觀測。其核心挑戰在于對短波的衰減效應，必須通過精確的傳遞函數 (K?) 進行校正，這依賴于對當地水深和波浪頻譜的了解。在實際應用中，需要根據具體的測量目的（關注長波還是短波）、環境條件（水深、海況）和精度要求，來選擇是否使用壓力式波高儀或考慮其他類型的測波設備（如超聲波式、雷達式、加速度計式浮標、激光式等）作為補充。