壓力式浪高儀的工作原理簡單介紹

基礎物理原理：

• P： 靜水壓力（單位：Pa 或 mbar）

• ρ： 海水密度（單位：kg/m3）

• g： 重力加速度（約 9.8 m/s2）

• h： 該點上方水體的深度（單位：米）

• 在靜止水體中，某一點所承受的水壓與該點上方水柱的重量成正比。公式表示為：P = ρ * g * h。

• 這個壓力是靜水壓力。

1. 波浪環境下的壓力變化：

• 當波峰經過傳感器上方時，該點上方的水深h增加，導致傳感器測得的壓力P增大。

• 當波谷經過傳感器上方時，該點上方的水深h減小，導致傳感器測得的壓力P減小。

• 當存在波浪時，水面不再是靜止的，而是在平均水面位置上下波動。

• 波浪本質上是波動能量在水體中的傳播，它會引起水體質點做軌道運動。

• 在水下某固定點（安裝了壓力傳感器）：

• 因此，壓力傳感器記錄到的壓力值會隨著波浪的起伏而周期性波動。

2. 從壓力波動到浪高：

• η(t)： t時刻的浪高（相對于平均水面，單位：米）

• P(t)： t時刻傳感器測得的壓力（單位：Pa）

• P?： 平均水面下傳感器位置處的靜水壓力（即沒有波浪時的壓力，P? ≈ ρ * g * d）

• ρ： 海水密度（需現場測量或估算）

• g： 重力加速度

• K_p： 壓力響應因子（或壓力衰減因子），0 < K_p ≤ 1。這是壓力式浪高儀最關鍵的校正參數。

• K_p = cosh(k * d) / cosh(k * (d + z)) (對于線性波，z是傳感器在水底以上的高度，通常z≈d)

• k = 2π / L： 波數，L是波長。

• 從公式可見，K_p取決于傳感器安裝深度(d) 和波浪的波長(L) 或周期(T)（因為 L = gT2 / (2π) 在深水近似成立）。d越大或L越小（波陡），K_p越小（壓力衰減越厲害），需要更大的校正才能得到真實浪高。

• 靜壓關系： 利用 P = ρ * g * h 的基本關系。

• 平均水深 (d)： 傳感器安裝位置相對于平均水面的深度。

• 波浪動力學影響： 波浪不是簡單的靜水現象。波浪引起的壓力波動不僅包含靜壓分量，還包含動壓分量，且壓力波動隨水深衰減（波長越短、水深越深，衰減越顯著）。因此，傳感器記錄的壓力波動幅度ΔP小于實際水面波動幅度Δη（浪高）。

• 壓力式浪高儀的核心任務就是將測量到的壓力波動時間序列 (P(t)) 轉換為水面波動（浪高）時間序列 (η(t))。

• 轉換過程需要考慮：

• 關鍵公式（線性波浪理論簡化）：
  η(t) = (P(t) - P?) / (ρ * g * K_p)

主要組成部分

1. 壓力傳感器：

• 核心部件，通常為高精度、高頻響應的壓阻式或壓電式傳感器。

• 要求具有良好的穩定性、低漂移、耐腐蝕（海洋環境）、抗生物附著能力。

• 測量范圍需覆蓋預期最大浪高對應的壓力變化范圍。

• 采樣頻率需足夠高（通常≥ 2 Hz，研究級可達 10-20 Hz 或更高）以準確捕捉波浪細節。

2. 信號調理與數據采集單元：

• 將傳感器輸出的微弱電信號進行放大、濾波（消除噪聲）、數字化。

• 包含高精度模數轉換器（ADC）。

3. 數據處理單元（微處理器/控制器）：

• 傳感器安裝深度 (d)

• 海水密度 (ρ) (有時使用固定值，或通過鹽度溫度傳感器估算)

• 壓力響應因子 (K_p)： 這是難點！通常需要：

• 已知波浪周期(T)： 通過頻譜分析從壓力數據本身估算主導波周期。

• 波浪理論模型： 使用線性或非線性波浪理論公式計算K_p。

• 核心功能是執行從壓力到浪高的轉換計算。

• 需要輸入或實時計算關鍵參數：

• 進行實時計算或存儲原始壓力數據供后續處理。

4. 數據傳輸/存儲模塊：

• 存儲： 內置存儲器（如SD卡）用于記錄數據。

• 傳輸： 可能包含有線（RS232/485, Ethernet）或無線（蜂窩網絡4G/5G，衛星，RF）模塊，用于遠程傳輸數據。

5. 電源：

• 通常為內置電池（可充電或一次性），或通過水下電纜供電。

• 低功耗設計對長期部署至關重要。

6. 耐壓殼體與安裝結構：

• 保護內部電子元件免受高壓海水侵蝕。

• 提供穩定的安裝基座（固定于海底、碼頭樁柱、浮標錨鏈等）。

關鍵特點

• 水下安裝： 傳感器部署在水下，不易受水面漂浮物、船只碰撞、惡劣海面天氣的直接破壞，隱蔽性好。

• 長期穩定性： 相對于浮標式或超聲波式浪高儀，受生物附著（需防護）和機械磨損影響可能更小，適合長期連續觀測。

• 可測參數豐富： 除了浪高(η)和波周期(T)，通過頻譜分析還可得到波譜、有效波高(H1/3)、平均波高、最大波高、波向（需多點布置） 等。

• 成本相對適中： 對于固定點觀測，成本通常低于大型浮標系統。

• 對安裝深度敏感： 安裝深度d的測量誤差會直接影響浪高計算的準確性。

• 需要波浪理論校正： K_p 的計算依賴于波浪理論模型和對波浪周期/波長的估計，這會在一定程度上引入誤差，尤其在淺水、非線性波浪或復雜海況下。

主要應用場景

1. 海洋工程：

• 港口、碼頭、防波堤等水工建筑物周圍的波浪監測，評估結構物安全性和設計驗證。

• 海上石油平臺、風電基礎周圍的波浪荷載監測。

• 海岸侵蝕研究。

2. 海洋氣象與災害預警：

• 實時監測臺風、風暴潮引起的巨浪，為預警提供數據。

• 海浪預報模式的現場驗證數據源。

3. 航海安全保障：

• 航道、錨地、港口的波浪監測，為船舶航行、靠泊提供環境信息。

4. 海洋科學研究：

• 波浪能量譜研究。

• 波浪與海流、地形相互作用研究。

• 氣候變化對海浪特征影響研究。

5. 水產養殖：

• 監測養殖區波浪狀況，保障養殖設施安全。