秦玉峰, 齊占峰, 張 爽, 侯二虎, 李國(guó)富, 馮志濤

波浪滑翔器測(cè)波技術(shù)研究

秦玉峰1,2, 齊占峰1, 張 爽1, 侯二虎1, 李國(guó)富1, 馮志濤1

(1. 國(guó)家海洋技術(shù)中心, 天津, 300112; 2. 自然資源部 海洋環(huán)境探測(cè)技術(shù)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東 廣州, 510300)

當(dāng)前波浪觀測(cè)主要采用波浪浮標(biāo)進(jìn)行定點(diǎn)觀測(cè), 利用波浪滑翔器等新型海洋移動(dòng)觀測(cè)平臺(tái)進(jìn)行走航式波浪觀測(cè)的研究較少。針對(duì)此, 文章利用“藍(lán)鯨”波浪滑翔器開(kāi)展波浪滑翔器的測(cè)波可行性、測(cè)波方法及測(cè)波能力研究。介紹了波浪滑翔器的結(jié)構(gòu)組成、工作原理和測(cè)波實(shí)現(xiàn)方法, 在分析波浪滑翔器和波浪浮標(biāo)不同測(cè)波原理的基礎(chǔ)上設(shè)置對(duì)比試驗(yàn)?；谠囼?yàn)結(jié)果分析了波浪滑翔器和波浪浮標(biāo)關(guān)于波高、波周期、波數(shù)及波向等波浪特征數(shù)據(jù)的差值和相關(guān)性, 解析差值存在機(jī)理并提出消除差值和修正波浪滑翔器觀測(cè)數(shù)據(jù)的理論依據(jù)。分析可知, 波浪滑翔器和波浪浮標(biāo)相比, 波浪數(shù)據(jù)重合度較高, 差值較小, 相關(guān)性極高, 平均相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.9以上, 數(shù)據(jù)質(zhì)量可信度高, 驗(yàn)證了波浪滑翔器測(cè)波數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性, 證明了波浪滑翔器用于波浪觀測(cè)的可行性。

波浪滑翔器; 波浪浮標(biāo); 波浪特征

0 引言

波浪滑翔器是一種利用波浪動(dòng)力推進(jìn), 吸收太陽(yáng)能為通信、定位、控制、導(dǎo)航及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)供電的新型海洋移動(dòng)觀測(cè)平臺(tái)[1-3]。其特有的雙體結(jié)構(gòu)可有效利用環(huán)境能源為自身長(zhǎng)周期、不間斷地環(huán)境探測(cè)和數(shù)據(jù)采集提供源源不斷的動(dòng)力, 是目前唯一不需要外部能源供給即可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)周期海洋環(huán)境作業(yè)的無(wú)人航行器, 目前已廣泛應(yīng)用于海洋環(huán)境觀測(cè)、科學(xué)考察、石油及天然氣探測(cè)和軍事領(lǐng)域[4-8]。波浪滑翔器起源于美國(guó), 國(guó)外對(duì)波浪滑翔器的研究主要集中在液體機(jī)器人公司(Liquid Robotics), 目前該公司已完成SV2和SV3兩型波浪滑翔器的產(chǎn)品化, 并在多個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行了應(yīng)用。國(guó)內(nèi)波浪滑翔器技術(shù)的研究始于2010年前后, 經(jīng)過(guò)多年發(fā)展, 已較為成熟, 具有代表性的主要有國(guó)家海洋技術(shù)中心研制的“藍(lán)鯨”號(hào)[9]、中國(guó)船舶集團(tuán)第710研究所研制的“?，帯碧?hào)[10]和中國(guó)海洋大學(xué)研制的“海哨兵”號(hào)[11], 如圖1所示。此外, 中國(guó)海洋大學(xué)還研制了體積較大的“黑珍珠”波浪滑翔器, 并進(jìn)行了南海臺(tái)風(fēng)的觀測(cè)應(yīng)用試驗(yàn)[12]。

圖1 “藍(lán)鯨”號(hào)、“海鰩”號(hào)及“海哨兵”號(hào)波浪滑翔器

目前, 海面波浪的觀測(cè)方式主要有重力測(cè)波、激光測(cè)波、雷達(dá)測(cè)波及衛(wèi)星高度計(jì)測(cè)波等[13], 最常用的是采用重力測(cè)波方式的波浪浮標(biāo)。波浪浮標(biāo)是指放置在水面隨波浪上下起伏的錨系系統(tǒng), 通過(guò)其內(nèi)部的加速度傳感器或重力傳感器采集浮標(biāo)隨海面波動(dòng)而變化的運(yùn)動(dòng)參數(shù), 進(jìn)而計(jì)算出波浪要素參數(shù)[14]。典型的波浪浮標(biāo)有荷蘭的“wave rider”[15-16]和加拿大的“Triaxys”[17]。國(guó)內(nèi)如國(guó)家海洋技術(shù)中心[18]、中國(guó)海洋大學(xué)[19]和山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所[20]等多家單位也研制了此類型的浮標(biāo)。然而, 利用移動(dòng)觀測(cè)平臺(tái)諸如波浪滑翔器搭載測(cè)波傳感器進(jìn)行海面波浪走航式觀測(cè)技術(shù)的研究還較少, 對(duì)于波浪滑翔器的測(cè)波特性尚不清楚。

Maqueda等[21]利用全球定位系統(tǒng)(global po- sitioning system, GPS)測(cè)波技術(shù)在波浪滑翔器上開(kāi)展了波高觀測(cè)技術(shù)研究, 但缺少波數(shù)、波向及波周期等參數(shù)的采集。Ngo和Smith等[22-23]探討了波高與波浪滑翔器航速的對(duì)應(yīng)關(guān)系, 但對(duì)波浪特征數(shù)據(jù)觀測(cè)的真實(shí)性及有效性研究尚未涉及。

文中開(kāi)展了基于波浪滑翔器的測(cè)波技術(shù)研究, 分析了其結(jié)構(gòu)組成、工作原理及測(cè)波方法, 簡(jiǎn)要介紹了測(cè)波算法。為檢驗(yàn)波浪滑翔器的測(cè)波特性和測(cè)波數(shù)據(jù)的真實(shí)性, 利用“藍(lán)鯨”波浪滑翔器在青島千里巖海域設(shè)置了波浪滑翔器與波浪浮標(biāo)的對(duì)比試驗(yàn), 并依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果, 分別對(duì)波浪滑翔器和波浪浮標(biāo)觀測(cè)獲得的波高、波周期、波數(shù)和波向等波浪要素進(jìn)行了差值和相關(guān)性分析。由分析結(jié)果可知, 波浪滑翔器觀測(cè)的波浪數(shù)據(jù)與波浪浮標(biāo)觀測(cè)的波浪數(shù)據(jù)間相關(guān)性極高, 差值較小, 驗(yàn)證了波浪滑翔器進(jìn)行波浪觀測(cè)的可行性, 為我國(guó)波浪觀測(cè)提供了一種新的研究方向和技術(shù)手段。

1 波浪滑翔器結(jié)構(gòu)組成與工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

波浪滑翔器由漂浮于水面的舟形上浮體和懸浮于水下的水下?tīng)恳龣C(jī)組成。舟形上浮體采用流體線型動(dòng)力結(jié)構(gòu), 其上搭載有太陽(yáng)能電池板、航向穩(wěn)定舵、通信及定位天線、數(shù)據(jù)采集傳感器等。舟形上浮體具有較小的阻力和較大的浮力, 可隨波上下振蕩。水下?tīng)恳龣C(jī)是轉(zhuǎn)化波浪動(dòng)力的主要部件, 其上對(duì)稱布置6對(duì)能量轉(zhuǎn)化翼板、轉(zhuǎn)向舵、電子羅盤及傳感器等, 水下?tīng)恳龣C(jī)上下振蕩的過(guò)程中, 能量轉(zhuǎn)化翼板會(huì)因水阻作用上下擺動(dòng), 將舟形上浮體吸收的波浪動(dòng)力轉(zhuǎn)化為水下?tīng)恳龣C(jī)的前向動(dòng)能。

1.2 工作原理

波浪滑翔器利用波浪向前運(yùn)動(dòng), 當(dāng)海面水質(zhì)點(diǎn)向上運(yùn)動(dòng)時(shí), 波浪滑翔器在波浪力的作用下被迫向上運(yùn)動(dòng); 當(dāng)水質(zhì)點(diǎn)向下運(yùn)動(dòng)時(shí), 波浪滑翔器會(huì)因自重而跟隨水質(zhì)點(diǎn)向下運(yùn)動(dòng), 如圖2所示。

利用波浪滑翔器隨波運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn), 在波浪滑翔器的舟形上浮體上安裝測(cè)波傳感器即可對(duì)海面波浪進(jìn)行實(shí)時(shí)的觀測(cè), 獲取波高、波周期、波數(shù)和波向等波浪要素參數(shù)。

圖2 波浪滑翔器隨波運(yùn)動(dòng)示意圖

2 測(cè)波算法

波浪是水質(zhì)點(diǎn)離開(kāi)平衡位置, 做周期性的振動(dòng), 并向一定方向傳播而形成的一種波動(dòng)。假設(shè)波浪水質(zhì)點(diǎn)的波動(dòng)為平穩(wěn)的正態(tài)過(guò)程且具有各態(tài)歷經(jīng)性, 則波浪在時(shí)間和空間上的統(tǒng)計(jì)具有一致性。波面可表示成無(wú)數(shù)個(gè)不同振幅、頻率、相位及不同波向余弦波的疊加。

假設(shè)波浪滑翔器完全隨波運(yùn)動(dòng), 則波浪滑翔器觀測(cè)波浪的垂直波面位移為

由此可知要測(cè)量波浪信息, 需要記錄波浪滑翔器隨波運(yùn)動(dòng)的位移和時(shí)間。

1) 波高和波周期

波高和波周期的計(jì)算公式如下

2) 波向

3) 波數(shù)

波數(shù)是單位觀測(cè)時(shí)間內(nèi), 觀測(cè)到的波浪數(shù)量累計(jì)值。

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為研究波浪滑翔器的測(cè)波特性, 開(kāi)展了“藍(lán)鯨”波浪滑翔器走航式測(cè)波特性的試驗(yàn)研究, 并在相關(guān)路徑附近設(shè)置波浪浮標(biāo)進(jìn)行波浪信息比對(duì)?；谠囼?yàn)結(jié)果, 將波浪滑翔器與波浪浮標(biāo)所觀測(cè)的波浪數(shù)據(jù)進(jìn)行波浪特征信息相關(guān)性及差值分析, 以此研究波浪滑翔器走航式測(cè)波的技術(shù)特點(diǎn)及測(cè)波特性?！八{(lán)鯨”波浪滑翔器的結(jié)構(gòu)組成如圖3所示。其主要特征參數(shù)見(jiàn)表1。

圖3 “藍(lán)鯨”波浪滑翔器結(jié)構(gòu)

表1 “藍(lán)鯨”波浪滑翔器主要特征參數(shù)

為保證觀測(cè)數(shù)據(jù)在時(shí)間和地點(diǎn)上的同步性及采集信息的一致性, 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)遵循以下原則:

1) 波浪滑翔器和波浪傳感器應(yīng)選取相同型號(hào)、相同觀測(cè)精度及量程的傳感器;

2) 波浪滑翔器與波浪浮標(biāo)的觀測(cè)位置應(yīng)大致處于同一區(qū)域;

3) 對(duì)波浪特征信息的觀測(cè)應(yīng)遵循同步觀測(cè)的原則。

設(shè)定波浪滑翔器的走航路徑為繞定點(diǎn)的圓周運(yùn)動(dòng), 并在波浪滑翔器走航路徑的圓心位置布放用于試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比的波浪浮標(biāo)。波浪滑翔器的走航路徑及波浪浮標(biāo)的錨定位置如圖4所示。

圖4 海試區(qū)域及走航路徑

4 數(shù)據(jù)分析

基于波浪滑翔器和波浪浮標(biāo)對(duì)比試驗(yàn)的數(shù)據(jù), 分別進(jìn)行波高、波周期、波向及波數(shù)等數(shù)據(jù)質(zhì)量的比對(duì), 并對(duì)波浪滑翔器與波浪浮標(biāo)所觀測(cè)的波浪特征數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性和差值分析。

相關(guān)性分析是指對(duì)2個(gè)或多個(gè)具備相關(guān)性的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)程度研究, 用相關(guān)系數(shù)表示, 且

對(duì)于,之間的相關(guān)系數(shù), 有:

1) ||越大, 表示和之間相關(guān)性越強(qiáng);

2) 當(dāng)0＜1時(shí), 表示和正相關(guān);

統(tǒng)計(jì)學(xué)一般認(rèn)為||≥0.8即表示2個(gè)變量高度相關(guān)。

4.1 波高分析

4.1.1 相關(guān)性分析

圖5 波高曲線

由圖5和圖6可知, 波浪滑翔器和波浪浮標(biāo)的波高分布曲線大致相同, 曲線重合度較高, 4種特征波高中僅最大波高的分布曲線重合度稍低(見(jiàn)圖6(a))。由圖7可知, 4種特征波高的相關(guān)系數(shù)分別是0.8491, 0.9205, 0.9401和0.9414, 平均相關(guān)系數(shù)為0.9127。4種波高相關(guān)系數(shù)的大小關(guān)系為最大波高<1/10波高<有效波高≤平均波高。

4.1.2 差值分析

分別計(jì)算波浪滑翔器與波浪浮標(biāo)間單一特征波高的觀測(cè)差值及差值絕對(duì)值, 并分別繪制差值曲線, 如圖8所示。分析4種特征波高差值曲線, 波高差值最大的是最大波高, 最大差值為0.74 m, 平均差值為0.16 m, 平均差值與波浪浮標(biāo)波高數(shù)據(jù)比值的百分比為13.4%; 波高差值最小的是平均波高, 最大差值為0.32 m, 平均差值為0.05 m, 平均差值與波浪浮標(biāo)波高數(shù)據(jù)比值的百分比為10.9%。綜合4種特征波高的平均差值為0.095 m。

此外, 長(zhǎng)期的觀測(cè)數(shù)據(jù)表明, 波浪滑翔器觀測(cè)到的波高平均值略大于波浪浮標(biāo), 波高的平均值存在微小的偏差, 差值約0.03 m。

由于“藍(lán)鯨”波浪滑翔器的測(cè)波傳感器安裝位置稍稍偏后, 當(dāng)其舟形上浮體隨波上下震蕩時(shí),會(huì)產(chǎn)生5~10°的傾角, 導(dǎo)致測(cè)波傳感器的位置產(chǎn)生一定的上揚(yáng)和下降, 進(jìn)而使得波高的觀測(cè)值有一定增大, 因測(cè)波傳感器的安裝位置導(dǎo)致波高觀測(cè)的偏差圖解如圖9所示。差值可通過(guò)調(diào)整測(cè)波傳感器的安裝位置予以消除。

圖6 波高對(duì)比曲線

圖7 波高相關(guān)性分布

圖8 波高差值曲線

圖9 波高差值圖解

4.1.3 小結(jié)

由波高相關(guān)性以及差值分析可以知道, 波浪滑翔器與波浪浮標(biāo)針對(duì)波高的觀測(cè)數(shù)據(jù)有較好的一致性, 數(shù)據(jù)相關(guān)性極高, 平均相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.912 7。雖然2種平臺(tái)觀測(cè)的波高間存在一定差值, 但差值較小, 平均差值僅為0.095 m, 且差值可通過(guò)調(diào)整測(cè)波傳感器的安裝位置予以消除, 因此可認(rèn)為波高的觀測(cè)結(jié)果一致。由此說(shuō)明, 波浪滑翔器具有很好的隨波性, 能夠較為真實(shí)地反應(yīng)波高的變化, 證明運(yùn)用波浪滑翔器進(jìn)行波高的觀測(cè)是可行的。波浪滑翔器和波浪浮標(biāo)波高觀測(cè)的部分特征數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

4.2 波周期分析

4.2.1 相關(guān)性分析

表2 波高特征參數(shù)

分別繪制波浪滑翔器和波浪浮標(biāo)關(guān)于波周期數(shù)據(jù)的對(duì)比曲線, 如圖10所示。分別繪制波浪滑翔器和波浪浮標(biāo)關(guān)于單一特征波周期的對(duì)比曲線, 如圖11所示。根據(jù)式(7)計(jì)算每一種特征波周期的相關(guān)系數(shù), 繪制波浪滑翔器和波浪浮標(biāo)關(guān)于單一特征波周期的相關(guān)性分布圖, 如圖12所示。

波浪滑翔器與波浪浮標(biāo)的波周期分布曲線大致相同, 重合度較高。4種特征波周期中僅最大波周期的分布曲線重合度稍低, 見(jiàn)圖11(a)。

由相關(guān)系數(shù)計(jì)算結(jié)果可知, 4種特征波周期的相關(guān)系數(shù)分別為0.8352, 0.9377, 0.9670, 0.9469, 平均相關(guān)系數(shù)為0.9217。其中, 相關(guān)系數(shù)最大的是有效波周期, 達(dá)到0.9670; 相關(guān)系數(shù)最小的是最大波周期, 為0.8352。4種波周期相關(guān)系數(shù)的關(guān)系如下: 最大波周期<(1/10)波周期<平均波周期<有效波周期, 與波高相關(guān)性的大小分布趨勢(shì)大致相同。

圖10 波周期曲線

4.2.2 差值分析

分別計(jì)算波浪滑翔器與波浪浮標(biāo)間單一特征波周期的觀測(cè)差值及差值絕對(duì)值, 并繪制差值曲線, 如圖13所示。

如波高的觀測(cè)一樣, 最大波高對(duì)應(yīng)的最大波周期的差值最大, 最大差值2.81 s, 平均差值為0.73 s, 平均差值與波浪浮標(biāo)波周期數(shù)據(jù)比值的百分比為10%; 波周期差值最小是平均波周期, 最大差值為1.1 s, 平均差值為0.29 s, 平均差值與波浪浮標(biāo)波高數(shù)據(jù)比值的百分比為4.1%; 綜合4種特征波周期的平均差值為0.425 s。

圖11 波周期對(duì)比曲線

圖12 波周期相關(guān)性分布

圖13 波周期差值曲線

4.2.3 小結(jié)

由波周期相關(guān)性和差值分析可知, 針對(duì)波周期的觀測(cè), 波浪滑翔器與波浪浮標(biāo)相比, 觀測(cè)數(shù)據(jù)一致性較高, 數(shù)據(jù)相關(guān)性極高, 平均相關(guān)系數(shù)達(dá)0.921 7。波浪滑翔器與波浪浮標(biāo)觀測(cè)的波周期間雖存在一定差值, 但差值較小, 平均差值僅為 0.425 s。通過(guò)調(diào)整測(cè)波傳感器的安裝位置, 在消除波高觀測(cè)數(shù)據(jù)差值的同時(shí)亦可消除波周期觀測(cè)的差值, 可認(rèn)為波浪滑翔器與波浪浮標(biāo)對(duì)波周期的觀測(cè)結(jié)果一致。由此說(shuō)明, 針對(duì)波周期的觀測(cè), 波浪滑翔器具有很好的隨波性, 能夠較為真實(shí)地反應(yīng)波周期的變化, 運(yùn)用波浪滑翔器進(jìn)行波周期的觀測(cè)是可行的。有關(guān)波浪滑翔器和波浪浮標(biāo)關(guān)于波周期觀測(cè)部分特征數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 波周期特征參數(shù)

4.3 波向分析

4.3.1 相關(guān)性分析

繪制波浪滑翔器和波浪浮標(biāo)關(guān)于波向數(shù)據(jù)的對(duì)比曲線, 如圖14(a)所示。根據(jù)式(7)計(jì)算波浪滑翔器和波浪浮標(biāo)間關(guān)于波向數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù), 繪制相關(guān)性分布圖, 如圖14(b)所示。

圖14 波向?qū)Ρ惹€及相關(guān)性分布

由圖14(a)可知, 除第3天前后外, 波浪滑翔器和波浪浮標(biāo)關(guān)于波向的曲線分布大致相同, 曲線重合度較高, 波向相關(guān)系數(shù)為0.921 8,相關(guān)性極高。此外, 由波向?qū)Ρ惹€可知, 試驗(yàn)開(kāi)始的前5天波浪浮標(biāo)觀測(cè)的波向大約在140°左右上下振蕩, 而波浪滑翔器觀測(cè)的波向則分布在波浪浮標(biāo)觀測(cè)波向的上下大幅振蕩, 角度相差大約20°。

4.3.2 差值分析

進(jìn)一步分析波浪滑翔器和波浪浮標(biāo)間的波向數(shù)據(jù)差值, 并繪制差值曲線如圖15所示。

圖15 波向差值曲線

波向差值最大為53.63°, 平均差值為21.64°, 平均差值與波浪浮標(biāo)觀測(cè)的波向比值的百分比為15%, 波浪滑翔器和波浪浮標(biāo)間關(guān)于波向的觀測(cè)結(jié)果存在較大差值。

波向由計(jì)算浮體受到的加速度方向得到。通常波浪浮標(biāo)為圓球形, 不具備航向保持及轉(zhuǎn)向能力, 因此能更加精確地反映真實(shí)的波向。

然而因波浪滑翔器特殊的浮體結(jié)構(gòu)及自身較強(qiáng)的航線保持和自主導(dǎo)航能力, 在隨波運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中, 其本體會(huì)在某一方向產(chǎn)生一定加速度, 其所觀測(cè)的波向是本體加速度方向和真實(shí)波向的合方向。因此只有當(dāng)波浪滑翔器本體加速度方向和真實(shí)波向重合時(shí), 波浪滑翔器所觀測(cè)的才是真實(shí)波向; 當(dāng)本體加速度和真實(shí)波向不重合時(shí), 其觀測(cè)的波向需要經(jīng)過(guò)一定的算法修正才能得到真實(shí)的波向。

波浪滑翔器的本體加速度方向(WD)與觀測(cè)的波向(OD)之間存在5種對(duì)應(yīng)關(guān)系, 即:

1) WD＞OD, 差值小于180°;

2) WD＞OD, 差值大于180°;

3) OD＞W(wǎng)D, 差值小于180°;

4) OD＞W(wǎng)D, 差值大于180°;

5) WD與OD重合, 差值為180°和0。

圖16 波向幾何關(guān)系

根據(jù)角度關(guān)系, 真實(shí)波向?yàn)?/p>

5) WD與OD重合, 差值為0, 真實(shí)波向即為觀測(cè)波向, 當(dāng)WD與OD差值為180°時(shí), 真實(shí)波向?yàn)閃D和OD中較大的那個(gè)所代表的方向, 即:

4.3.3 小結(jié)

由波向相關(guān)性和差值分析可以知道, 波浪滑翔器與波浪浮標(biāo)對(duì)波向的觀測(cè)數(shù)據(jù)有很高的一致性, 數(shù)據(jù)相關(guān)性極高, 達(dá)到0.921 8。但因波浪滑翔器本體的航向保持和導(dǎo)航能力, 使得其觀測(cè)的波向數(shù)據(jù)與波浪浮標(biāo)觀測(cè)的存在一定差值, 但波向差值可通過(guò)算法進(jìn)行修正。由此說(shuō)明, 針對(duì)波向的觀測(cè), 波浪滑翔器具有很好的隨波性, 經(jīng)過(guò)波向修正后, 波浪滑翔器能夠較為真實(shí)地反應(yīng)波向的變化, 運(yùn)用波浪滑翔器進(jìn)行波向的觀測(cè)是可行的。

有關(guān)波浪滑翔器和波浪浮標(biāo)波向觀測(cè)的部分特征數(shù)據(jù)如表4所示。

4.4 波數(shù)分析

4.4.1 相關(guān)性分析

分別繪制波浪滑翔器和波浪浮標(biāo)關(guān)于波數(shù)的對(duì)比曲線, 如圖17(a)所示。根據(jù)式(7)計(jì)算波浪滑翔器和波浪浮標(biāo)關(guān)于波數(shù)的相關(guān)系數(shù), 繪制相關(guān)性分布圖如圖17(b)所示。

表4 波向相關(guān)特性參數(shù)

圖17 波數(shù)對(duì)比曲線及相關(guān)性分布

由圖17可知, 波浪滑翔器和波浪浮標(biāo)關(guān)于波數(shù)的觀測(cè), 波數(shù)分布曲線大致相同, 曲線重合度較高, 波數(shù)相關(guān)系數(shù)達(dá)0.9471, 相關(guān)性極高。

4.4.2 差值分析

進(jìn)一步分析波浪滑翔器和波浪浮標(biāo)間的波數(shù)差值, 并繪制差值曲線如圖18所示。

圖18 波數(shù)差值曲線

由波數(shù)差值分析和計(jì)算結(jié)果可知, 波數(shù)差值最大為40, 平均差值為9.99, 平均差值與波浪浮標(biāo)觀測(cè)的波向比值的百分比為5.3%, 波浪浮標(biāo)觀測(cè)的波數(shù)平均值為189.8, 波浪滑翔器觀測(cè)的波數(shù)平均值為191.3。因波浪滑翔器對(duì)波周期的觀測(cè)稍小于波浪浮標(biāo), 使得波浪滑翔器隨波的響應(yīng)速度稍快于波浪浮標(biāo), 導(dǎo)致波浪滑翔器長(zhǎng)期觀測(cè)的波數(shù)均值稍多于波浪浮標(biāo), 然而差值并不大, 僅為1.5。波周期的觀測(cè)與波高相關(guān), 因此導(dǎo)致波浪滑翔器和波浪浮標(biāo)間產(chǎn)生波數(shù)差值的根本原因在于“藍(lán)鯨”波浪滑翔器測(cè)波傳感器的偏心安裝方式, 在影響波高觀測(cè)的同時(shí)影響了波周期的觀測(cè), 進(jìn)而影響了波數(shù)的觀測(cè)。如同波高差值的消除方法一樣, 波數(shù)差值亦可通過(guò)調(diào)整測(cè)波傳感器的安裝位置予以消除。

4.4.3 小結(jié)

由波數(shù)相關(guān)性和差值分析可知: 針對(duì)波數(shù)的觀測(cè), 波浪滑翔器和波浪浮標(biāo)相比, 觀測(cè)數(shù)據(jù)一致性較高, 數(shù)據(jù)相關(guān)性極高, 達(dá)到了0.95。雖然所觀測(cè)的波數(shù)間存在一定差值, 但可通過(guò)調(diào)整測(cè)波傳感器的安裝位置予以消除。由此說(shuō)明, 針對(duì)波數(shù)的觀測(cè), 波浪滑翔器具有很好的隨波性, 能較為真實(shí)地反應(yīng)海面波數(shù)情況, 運(yùn)用其進(jìn)行波數(shù)觀測(cè)是可行的。有關(guān)波浪滑翔器和波浪浮標(biāo)關(guān)于波數(shù)的相關(guān)特性參數(shù)如表5所示。

4.5 總結(jié)

由波浪滑翔器和波浪浮標(biāo)關(guān)于波高、波周期、波數(shù)和波向的相關(guān)性及差值分析結(jié)果可知, 波浪滑翔器隨波運(yùn)動(dòng)時(shí)具有較好的隨波性, 能夠較為真實(shí)地反映出波高、波周期、波數(shù)及波向特征。其中波高的平均相關(guān)系數(shù)為0.912 7, 波周期的平均相關(guān)系數(shù)為0.9217, 波向的相關(guān)系數(shù)為0.921 8, 波數(shù)的相關(guān)系數(shù)為0.947 1。波高平均差值為0.095 m, 波周期平均差值為0.468 s, 波向平均差值為21.64°, 波數(shù)平均差值為9.99個(gè)?？傮w來(lái)看, 波浪滑翔器具有很好的隨波性, 利用波浪滑翔器進(jìn)行波浪觀測(cè)是可行的。

表5 波數(shù)特征參數(shù)

波浪滑翔器和波浪浮標(biāo)間關(guān)于波浪信息觀測(cè)的數(shù)據(jù)對(duì)比如表6所示。

表6 波浪數(shù)據(jù)對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

文章開(kāi)展了基于波浪滑翔器的測(cè)波技術(shù)研究,設(shè)置了波浪滑翔器和波浪浮標(biāo)關(guān)于波浪觀測(cè)的對(duì)比試驗(yàn), 并對(duì)波浪滑翔器和波浪浮標(biāo)間關(guān)于波高、波周期、波向和波數(shù)進(jìn)行了相關(guān)性和差值分析。由分析結(jié)果可知, 波浪滑翔器和波浪浮標(biāo)相比, 觀測(cè)數(shù)據(jù)一致性較好, 相關(guān)性極高, 差值較小。總體來(lái)看, 波浪滑翔器具有很好的隨波性, 可用于波浪觀測(cè)。然而, 因波浪滑翔器本體的航向保持和自主導(dǎo)航能力, 導(dǎo)致波浪滑翔器與波浪浮標(biāo)觀測(cè)的波向間存在較大差值, 但差值可通過(guò)波向差值修正算法進(jìn)行修正。后續(xù)將對(duì)波向的修正算法進(jìn)行仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證, 并基于驗(yàn)證結(jié)果對(duì)波向修正算法進(jìn)行優(yōu)化, 以期提高波浪滑翔器觀測(cè)波向的準(zhǔn)確性。

[1] Manley J, Willcox S. The Wave Glider: A New Concept for Deploying Ocean Instrumentation[J]. IEEE Instrumen- tation & Measurement Magazine, 2010, 13(6): 8-13.

[2] Willcox S, Manley J, Wiggins S. The Wave Glider, an Energy Harvesting Autonomous Surface Vessel[J]. Sea Technology, 2009, 49(1): 29-31.

[3] Daniel T, Manley J, Trenaman N. The Wave Glider: Enabling a New Approach to Persistent Ocean Observation and Research[J]. Ocean Dynamics, 2011, 61(10): 1509-1520.

[4] Olson R A. Communications Architecture of the Liquid Robotics Wave Glider[J]. IFAC Proceedings Volumes, 2012, 45(5): 255-259.

[5] Carragher P, Hine G, Legh-Smith P, et al. A New Platform for Offshore Exploration and Production[J]. Oilfield Re- view, 2014, 25(4): 40-50.

[6] Fitzpatrick P J, Lau Y, Moorhead R, et al. A Review of the 2014 Gulf of Mexico Wave Glider ? Field Program[J]. Marine Technology Society Journal, 2015, 49(3): 64-71.

[7] Bingham B, Kraus N, Howe B, et al. Passive and Active Acoustics Using an Autonomous Wave Glider[J]. Journal of Field Robotics, 2012, 29(6): 911-923.

[8] 秦玉峰. 波浪能滑翔器工作原理及應(yīng)用研究[C]//海洋開(kāi)發(fā)與管理第二屆學(xué)術(shù)會(huì)議論文集. 蘇州: 《海洋開(kāi)發(fā)與管理》雜志社, 2018: 105-113.

[9] 楊燕, 張森, 史健, 等. 波浪動(dòng)力滑翔器海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J]. 海洋技術(shù)學(xué)報(bào), 2014(1): 109-114.Yang Yan, Zhang Sen, Shi Jian, et al. Wave Glider Marine Environmental Monitoring System[J]. Journal of Ocean Technology, 2014(1): 109-114.

[10] 李小濤, 王理, 吳小濤, 等. 波浪滑翔器原理和總體設(shè)計(jì)[J]. 四川兵工學(xué)報(bào), 2013(12): 128-131.Li Xiao-tao, Wang Li, Wu Xiao-tao, et al. Principle and System Design of a Wave Glider[J]. Journal of Sichuan Ordnance, 2013(12): 128-131.

[11] 桑宏強(qiáng), 李燦, 孫秀軍. 波浪滑翔器縱向速度與波浪參數(shù)定量分析[J]. 水下無(wú)人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2018, 26(1): 16-22.Sang Hong-qiang, Li Can, Sun Xiu-jun. Quantitative Analysis on Longitudinal Velocity and Wave Parameter of Wave Glider[J].Journal of Unmanned Undersea Systems, 2018, 26(1): 16-22.

[12] 孫秀軍, 王雷, 桑宏強(qiáng). “黑珍珠”波浪滑翔器南海臺(tái)風(fēng)觀測(cè)應(yīng)用[J]. 水下無(wú)人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2019, 27(5): 562-569.Sun Xiu-jun, Wang Lei, Sang Hong-qiang. Application of Wave Glider “Black Pearl” to Typhoon Observation in South China Sea[J]. Journal of Unmanned Undesrsea Sustems, 2019, 27(5): 562-569.

[13] 左其華. 現(xiàn)場(chǎng)波浪觀測(cè)技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用[J]. 海洋工程, 2008(2): 124-139.Zuo Qi-hua. Advances and Applications of Ocean Wave Measurement Technology[J]. The Ocean Engineering, 2008(2): 124-139.

[14] 劉國(guó)棟. 波浪浮標(biāo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與測(cè)波方法研究[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程, 2011, 11(35): 8805-8809.Liu Guo-dong. Research on Wave Buoy System Design and Wave Measurement Method[J]. Science Technology and Engineering, 2011, 11(35): 8805-8809.

[15] Gryazin D G, Staroseltsev L P, Belova O O, et al. Inertial Measurement Unit of Waverider Buoy. Development and Test Results[J]. Gyroscopy and Navigation, 2015, 7(3): 239-246.

[16] Desouky M A, Abdelkhalik O. Wave Prediction Using Wave Rider Position Measurements and NARX Network in Wave Energy Conversion[J]. Applied Ocean Research, 2019, 82(1): 10-21.

[17] Kashino R, Ethier T, Phillips R, et al. TRIAXYS? Acoustic Doppler Current Profiler Comparison Study[C]// Oceans Conference. Washington USA: IEEE, 2005: 1-8.

[18] 趙江濤, 顧季源, 張東亮, 等. 海洋觀測(cè)浮標(biāo)搖擺姿態(tài)視頻測(cè)量方法及試驗(yàn)分析[J].電子設(shè)計(jì)工程, 2019, 27(15): 179-183.Zhao Jiang-tao, Gu Ji-yuan, Zhang Dong-liang, et al. Attitude Measurement and Experimental Analysis of Marine Submersible Buoy based on Video[J]. Electronic Design Engineering, 2019, 27(15): 179-183.

[19] Cao F F, Shi H D, Li M D, et al. Simulation of the Power Take-off System for a Heaving Buoy Wave Energy Converter[J]. Journal of Ocean University of China, 2020, 19(3): 497-504.

[20] 鄭珊珊, 孫金偉, 齊勇, 等. SBF3-2型波浪浮標(biāo)載體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 山東科學(xué), 2015, 28(2): 11-17.Zheng Shan-shan, Sun Jin-wei, Qi Yong, et al. Structure Design of the Carrier of SBF3-2 Wave Buoy[J]. Shandong Science, 2015, 28(2): 11-17.

[21] Maqueda M A, Penna N T, Williams S D, et al. Water Surface Height Determination with a GPS Wave Glider: A Demonstration in Loch Ness, Scotland[J]. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, 2016, 33(6): 1159-1168.

[22] Ngo P, Das J, Ogle J, et al. Predicting the Speed of a Wave Glider Autonomous Surface Vehicle from Wave Model Data[C]//2014 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. Chicago, USA: IEEE, 2014: 2250-2256.

[23] Smith R N, Das J, Hine G, et al. Predicting Wave Glider Speed from Environmental Measurements[C]//Oceans’11 MTS/IEEE Kona. Hawaii, USA: IEEE, 2011: 1-8.

1. 孫秀軍, 李宗萱, 楊燕, 等. 波浪滑翔器波浪驅(qū)動(dòng)速度與海浪參數(shù)映射關(guān)系研究. 2020, 28(5).

2. 桑宏強(qiáng), 關(guān)海鵬, 孫秀軍. 波浪滑翔器水下?tīng)恳龣C(jī)抗擾動(dòng)性能研究. 2020, 28(4).

3. 孫秀軍, 王力偉, 桑宏強(qiáng). 波浪滑翔器水下?tīng)恳龣C(jī)滑翔動(dòng)力分析. 2020, 28(3).

4. 桑宏強(qiáng), 游宇嵩, 孫秀軍. 波浪滑翔器網(wǎng)絡(luò)版岸基監(jiān)控中心設(shè)計(jì). 2019, 27(5).

5. 孫秀軍, 王雷, 桑宏強(qiáng). “黑珍珠”波浪滑翔器南海臺(tái)風(fēng)觀測(cè)應(yīng)用. 2019, 27(5).

6. 桑宏強(qiáng), 李燦, 孫秀軍. 波浪滑翔器縱向速度與波浪參數(shù)定量分析. 2018, 26(1).

Research on Wave Observation Technology of Wave Glider

QIN Yu-feng1,2, QI Zhan-feng1, ZHANG Shuang1, HOU Er-hu1, LI Guo-fu1, FENG Zhi-tao1

(1. National Ocean Technology Center, Tianjin 300112, China; 2. Key Laboratory of Marine Environmental Survey Technology and Application, Ministry of Natural Resources, Guangzhou 510300, China)

At present, wave observation is mainly based on wave buoys for fixed-point observation, and few studies have been conducted on wave observation in navigation by using new ocean mobile observation platforms such as wave glider. The feasibility, method and capability of wave observation by using wave glider “Blue Whale” are studied in this paper. The structure, working principle and wave observation method of wave glider “Blue Whale” is introduced, and a comparison test on the basis of analyzing the different wave observation principles of wave glider and wave buoy is established. Based on the test results, the difference and correlation of the wave height, wave period, wave number and wave direction between the wave glider and the wave buoy are analyzed. The existence mechanism of the difference value is analyzed, and the theoretical basis of eliminating the difference value and correcting the observed data of wave glider is provided. According to the test analysis, compared with that of the wave buoy, the wave data of the wave glider has higher coincidence degree, smaller difference value and a high correlation. The average correlation coefficient is above 0.9 and the data quality is highly reliable. The accuracy of wave data observed by wave glider is verified, and the feasibility of wave observation by wave glider is proved.

wave glider; wave buoy; wave feature

TJ630; P715.5

A

2096-3920(2021)02-0135-12

10.11993/j.issn.2096-3920.2021.02.002

秦玉峰, 齊占峰, 張爽, 等. 波浪滑翔器測(cè)波技術(shù)研究[J]. 水下無(wú)人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2021, 29(2): 135-146.

2020-05-15;

2020-06-08.

自然資源部海洋環(huán)境探測(cè)技術(shù)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金課題(MESTA-2020-B016); 天津市自然基金青年項(xiàng)目(18JCQNJC08700); 國(guó)家自然科學(xué)基金(4200060803); 國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2017YFC0305902).

秦玉峰(1990-), 男, 碩士, 工程師, 主要研究方向?yàn)楹Ｑ笠苿?dòng)觀測(cè)平臺(tái)技術(shù).

(責(zé)任編輯: 楊力軍)