压力式波高仪的技术原理与应用介绍

压力式波高仪是一种通过测量水底压力变化来推算水面波高的海洋观测仪器。它是波浪测量中应用非常广泛的一种设备。

工作原理：

1. 水压与水深的关系： 在静水中，水底某一点的压力（P）主要由该点上方的水柱重量决定，即 P = ρgh。其中：

• ρ 是水的密度

• g 是重力加速度

• h 是水深（从水面到压力传感器的垂直距离）

2. 波浪引起的水压变化： 当波浪经过时，水面高度（η）随时间（t）变化。这导致传感器上方的水柱高度（h + η）也发生变化，从而引起水底压力发生动态变化。

3. 从压力到波高： 压力传感器记录的是随时间变化的总压力 P(t)。这个总压力可以分解为：

• 对于长波（波长 L 远大于水深 h），水体的运动几乎是垂直的，水底压力变化几乎等于水面波高引起的静水压变化，即 Kₚ ≈ 1。

• 对于短波（波长 L 小或与水深 h 相当），水体的运动轨迹是椭圆形的，水底压力波动会随着水深增加而衰减。衰减程度由双曲余弦函数决定：Kₚ = 1 / cosh(kh)。其中 k = 2π/L 是波数。

• 静水压力部分 (Pₛₜₐₜᵢ꜀)： 对应平均水深（h）的压力，Pₛₜₐₜᵢ꜀ = ρgh。

• 波动压力部分 (Pₛᵤᵣgₑ)： 由水面波动（η）引起的动态压力变化，Pₛᵤᵣgₑ(t) = ρgη(t) * Kₚ。

• 传递函数 (Kₚ)： 这是一个关键的因子，表示动态压力幅值与实际波高幅值之间的比例关系。Kₚ 小于 1，并且与波浪的波长 (L) 和水深 (h) 密切相关。

4. 反演波高： 通过测量得到的总压力 P(t)，减去已知的平均静水压力 Pₛₜₐₜᵢ꜀（需要知道平均水深 h），得到波动压力 Pₛᵤᵣgₑ(t)。然后，利用传递函数 Kₚ 进行校正（通常需要知道或估计波浪的波长或频率），即可计算出水面的瞬时波高 η(t)：
   η(t) = Pₛᵤᵣgₑ(t) / (ρgKₚ)

主要组成部分：

1. 压力传感器： 核心部件，通常采用高精度、高稳定性的传感器（如压阻式、压电式、电容式），将水压力信号转换为电信号。

2. 保护外壳： 防水、耐压、耐腐蚀的壳体，保护内部传感器和电子元件免受海水侵蚀和水压破坏。

3. 信号处理单元： 对传感器输出的微弱电信号进行放大、滤波（去除高频噪声）、数字化（模数转换）。

4. 数据记录/传输单元： 存储处理后的压力数据，或通过电缆、无线方式（声学、无线电）将数据实时传输到岸站/平台。

5. 安装固定装置： 如锚链、支架、沉块等，确保仪器稳定地固定在海底预定位置。

6. 电缆（如有线式）： 用于供电和数据传输。

优点：

• 安装相对简单： 通常只需固定在海底，不需要伸出水面或复杂的海上结构。

• 隐蔽性好，不易损坏： 位于水下，受海面恶劣天气（风暴、浮冰）、船只撞击、人为破坏的影响较小。

• 成本相对较低： 相比于一些需要大型浮标或复杂平台的测波仪（如测波雷达、加速度计式浮标），成本通常较低。

• 长期稳定性较好： 现代传感器性能稳定，适合长期定点观测。

• 可测量方向性波浪： 单点压力测量无法直接区分方向，但通过阵列布置或结合其他信息（如流速）可以反演方向谱。

• 抗恶劣海况能力强： 不易受破碎波、飞溅水的直接影响。

缺点和局限性：

• 短波测量精度受限： 对短波（高频波）的响应衰减严重（Kₚ 很小），导致测量精度下降，甚至无法有效测量非常短的波浪（如毛细波、小风浪）。需要精确的 Kₚ 进行校正。

• 需要水深信息： 计算波高必须知道传感器上方的平均水深 h（用于计算 Pₛₜₐₜᵢ꜀ 和 Kₚ）。水深变化（如潮汐）需要同步测量和校正。

• 需要波浪频率/波长信息进行校正： 为了准确计算 Kₚ，需要知道波浪的主要频率或波长。这通常通过对压力时间序列进行频谱分析来获得。

• 受安装位置影响： 必须安装在硬质、平坦的海底。淤泥或不平整的海底会影响压力测量的准确性。离岸距离和水深变化会影响波浪特性。

• 不适用于破碎波区： 在波浪剧烈破碎的区域，水体强烈掺气，压力-波高关系变得非常复杂且不准确。

• 需要潮位校正： 潮汐引起的水深变化需要实时或事后进行校正，才能得到准确的波高值（相对于某个基准面）。

• 可能受海流影响： 强海流引起的动压在理论上也会影响传感器读数，但在实际波浪测量中通常影响较小或可忽略。

应用场景：

• 实验室波浪水槽和水池的波高测量。

• 港口、码头、防波堤附近的波浪监测。

• 近岸工程（如海岸防护、海堤、离岸平台基础）的波浪荷载和环境监测。

• 海洋观测站、浮标系统的波浪长期连续观测。

• 疏浚、填海等海洋工程作业的环境监测。

• 水动力模型验证的现场数据采集。

总结：

压力式波高仪是一种成熟、可靠、成本效益较高的波浪测量工具，尤其适用于长周期波的测量和长期定点观测。其核心挑战在于对短波的衰减效应，必须通过精确的传递函数 (Kₚ) 进行校正，这依赖于对当地水深和波浪频谱的了解。在实际应用中，需要根据具体的测量目的（关注长波还是短波）、环境条件（水深、海况）和精度要求，来选择是否使用压力式波高仪或考虑其他类型的测波设备（如超声波式、雷达式、加速度计式浮标、激光式等）作为补充。