李家鋼，韓 磊，熊學(xué)軍

(1.中海油研究總院,北京100027; 2.國(guó)家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島 2660611)

集中在近海、陸架區(qū)的水文勘探調(diào)查涉及海浪、海流等多種水文要素，S4ADW浪潮儀作為為數(shù)不多的能同時(shí)測(cè)量海浪、海流要素的設(shè)備，在淺海觀測(cè)中靈活度高，應(yīng)用廣泛，采用坐底式觀測(cè)，不易受海上惡劣環(huán)境的破壞，能夠持續(xù)得到石油水文勘探調(diào)查所需要的海浪、海流的同步觀測(cè)數(shù)據(jù)，特別適合近海陸架區(qū)的海浪、海流同步觀測(cè)應(yīng)用，是石油水文勘探調(diào)查中有很好的應(yīng)用價(jià)值。

S4ADW浪潮儀(以下簡(jiǎn)稱S4)是美國(guó)InterOcean公司開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的海洋觀測(cè)儀器。最初，S4作為單純的海流計(jì)，被視為電磁法測(cè)量海流的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)而廣泛接受；近年來(lái)，S4從廣受認(rèn)可的海流計(jì)發(fā)展為高集成度的多要素測(cè)量?jī)x器，提供海浪方向譜以及水溫、鹽度等水文要素的觀測(cè)，從而可以用作海流計(jì)、CTD和方向波浪儀[1]。

根據(jù)作者從InterOcean公司中國(guó)代理商處了解到的信息：在過(guò)去20多a的時(shí)間里，在中國(guó)銷售的S4儀器約有50臺(tái)，但是其中有90%以上發(fā)生過(guò)數(shù)據(jù)回收方面的故障。我們?cè)谑褂肧4進(jìn)行一年期的觀測(cè)時(shí)，也出現(xiàn)了類似故障，在嘗試解決故障的過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)，針對(duì)該測(cè)量?jī)x器的文獻(xiàn)幾乎空白，可供參考的資料非常匱乏，因此，我們與美國(guó)的儀器設(shè)計(jì)生產(chǎn)商的技術(shù)人員合作，對(duì)儀器故障進(jìn)行了詳細(xì)排查，總結(jié)出一套實(shí)用的故障解決方案，供國(guó)內(nèi)同行參考。文章第1部分給出了對(duì)該故障的描述及解決方案。

此外，我們S4配備的波浪處理軟件Wave for Windows在根據(jù)壓強(qiáng)記錄導(dǎo)出表面波譜時(shí)非常敏感地依賴于所謂的“上截?cái)囝l率”，該頻率是儀器所處水深的函數(shù)。如果譜分析的頻率范圍超過(guò)該頻率，所得到的譜分析結(jié)果將會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的錯(cuò)誤，李陸平等[2]在處理S4測(cè)波資料時(shí)也對(duì)該上截?cái)囝l率提出過(guò)質(zhì)疑。事實(shí)上，我們的計(jì)算表明，只要譜分析選取的頻率范圍不超過(guò)Nyquist截止頻率，由水下壓強(qiáng)記錄所得到的波浪分析結(jié)果就會(huì)具有很好的穩(wěn)定性，我們的結(jié)果相比InterOcean公司為S4開(kāi)發(fā)的波浪處理軟件得到的結(jié)果更可靠。對(duì)該問(wèn)題的詳細(xì)討論見(jiàn)文章的第2部分。

1 S4數(shù)據(jù)回收中的典型故障

通過(guò)了解國(guó)內(nèi)對(duì)S4儀器的使用經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，S4最常出現(xiàn)的問(wèn)題是觀測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)法下載，而據(jù)S4的中國(guó)代理商介紹，超過(guò)90%的國(guó)內(nèi)S4用戶曾經(jīng)反映過(guò)該問(wèn)題。在為期1 a的觀測(cè)中，也曾兩次發(fā)生過(guò)類似故障，通過(guò)與S4的設(shè)計(jì)生產(chǎn)商美國(guó)InterOcean公司工程師的溝通，找到了解決問(wèn)題的方法，現(xiàn)介紹如下，供廣大國(guó)內(nèi)外同行參考。

1)故障描述：讀數(shù)前S4顯示“Memory Full”，但是發(fā)出讀數(shù)命令后卻提示“Empty data block”，并中止讀數(shù)過(guò)程，無(wú)法將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)下載到本地計(jì)算機(jī)。

2)故障排除過(guò)程可以歸納為如下6個(gè)步驟：

(1)取下主電池，打開(kāi)電路艙；

(2)取下最上層的羅盤板，將TP12與電容C53的正極端連接；

(3)接好IO連接頭，在S110A供電模式下與S4建立通訊，在終端模式下鍵入命令“OD”進(jìn)入S4的調(diào)試模式，屏幕顯示“S4debug>”；

(4)在調(diào)試模式下，輸入命令“FLHR”(全部大寫(xiě))，顯示“Table reload complete”，恢復(fù)備份的數(shù)據(jù)地址表；

(5)鍵入“Q”退出調(diào)試模式，鍵入“IOS”(全部大寫(xiě))關(guān)機(jī)；

(6)備份的數(shù)據(jù)地址表恢復(fù)成功后可以移去電路版上的臨時(shí)連接，安裝好S4，儀器恢復(fù)正常，可以正常讀數(shù)。利用“RT”命令檢查發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址也已恢復(fù)正常。

由于S4的高集成度，我們尚不能確定故障發(fā)生的根本原因，只能根據(jù)實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)初步判斷可能的原因：主電池因?yàn)楣ぷ髟蚝谋M時(shí)出現(xiàn)“Power Failure”時(shí)，可能會(huì)損壞內(nèi)存數(shù)據(jù)地址表，這時(shí)往往會(huì)顯示“Memory Full”，但事實(shí)上內(nèi)存并未用盡，而且觀測(cè)數(shù)據(jù)都在內(nèi)存中，但是由于地址表的破壞使得通過(guò)軟件無(wú)法正常訪問(wèn)到內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，此時(shí)必須用備份的數(shù)據(jù)地址表覆蓋已經(jīng)損壞的地址表，方可順利讀取內(nèi)存中的數(shù)據(jù)。

2 S4波浪處理軟件中存在的問(wèn)題

S4采用壓力式測(cè)波。眾所周知，表面波的作用隨深度呈e指數(shù)衰減，水層的過(guò)濾作用是非線性的且隨頻率而異，故如何準(zhǔn)確地將水下測(cè)到的壓力變化換算為水面的波高或波譜是個(gè)很困難的問(wèn)題[3]。

S4廠商提供了一套S4波浪處理軟件Wave for Windows[4]，專門用于將S4測(cè)得的壓力記錄換算為表面波譜和各種波浪特征量。

S4的采樣頻率為2 Hz，根據(jù)海浪計(jì)算原理可知[3]，對(duì)應(yīng)的Nyquist折疊頻率為1 Hz，即譜分析時(shí)的上截?cái)囝l率可以取到1 Hz，且與其它因素?zé)o關(guān)。然而S4波浪處理軟件是根據(jù)儀器所處水深選取上截?cái)囝l率的具體值，如儀器在水下10 m時(shí)上截?cái)囝l率建議取為0.3 Hz，其選取理由是，高頻波在海底附近產(chǎn)生的脈動(dòng)很弱，因此壓強(qiáng)譜的高頻端信噪比很小，為避免對(duì)表面位移譜帶來(lái)較大誤差，故引入與水深有關(guān)的“上截?cái)囝l率”對(duì)譜的高頻段予以截除[4]。

然而，講述壓力式測(cè)波原理的文獻(xiàn)中并沒(méi)有提及高頻波需在譜的計(jì)算過(guò)程中截除的論述。此外，我們利用S4原始?jí)簭?qiáng)記錄資料進(jìn)行的計(jì)算表明，譜分析時(shí)的上截?cái)囝l率完全可以取到理論給出的Nyquist頻率，并且在我們得到的表面位移譜的高頻端也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)噪聲信號(hào)。其計(jì)算過(guò)程如下。

采用快速傅立葉變換算法估計(jì)譜。S4的每段壓強(qiáng)記錄為18 min，采樣頻率2 Hz，因此每段記錄包含2 160個(gè)數(shù)據(jù)，根據(jù)快速傅立葉變換的條件，從中選取211=2 048個(gè)數(shù)據(jù)便可以計(jì)算得壓強(qiáng)頻率譜。根據(jù)文獻(xiàn)[4]，壓強(qiáng)頻率譜Spp(f)與海浪波面譜Sζζ(f)的理論關(guān)系式為：

(1)

式中，f表示頻率；k表示波數(shù)；d表示水深；z表示儀器沒(méi)入水下的深度(z取向上為正)。由于實(shí)際壓強(qiáng)的衰減比理論上的為快，因此在進(jìn)行譜換算時(shí)，需將式(3)中壓強(qiáng)頻率譜Spp(f)乘以n2，由此得到：

(2)

Hom-ma等[5]最先測(cè)定了n，并將實(shí)測(cè)結(jié)果以經(jīng)驗(yàn)公式表示：

n=1.55exp[-B(f-b)5]

(3)

其中，

B=5.19d5/2

(4)

b=0.274d-1/2

(5)

上式中，頻率f和水深d的單位分別為s-1和m。

根據(jù)式(1)～(5)，再結(jié)合小振幅波動(dòng)的頻散關(guān)系，我們可以由壓強(qiáng)譜換算得到海浪波面譜。圖1給出了從S4的某段18 min壓強(qiáng)記錄計(jì)算得到的壓強(qiáng)頻率譜以及根據(jù)方程(1)～(5)換算得到的表面位移譜。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，0.5 Hz以上的高頻譜段能量為零，并沒(méi)有出現(xiàn)像S4波浪處理軟件說(shuō)明中提到的高頻噪聲污染。

然而，對(duì)于同一段波浪記錄，選取上截?cái)囝l率為0.8 Hz，S4給出的表面位移譜在高頻端出現(xiàn)了嚴(yán)重的錯(cuò)誤，能譜的量級(jí)甚至超過(guò)108，如圖2所示。

圖1 S4觀測(cè)得到的壓強(qiáng)頻率譜及海浪波面頻譜Fig.1 The measured pressure spectrum and sea-wave surface spectrum

圖2 S4波浪處理軟件給出的表面位移譜Fig.2 The surface elevation spectrum provided by the wave processing software of S4

隨著不同上截?cái)囝l率的選取，S4波浪處理軟件給出的表面位移譜相差很大，于是，由海浪譜計(jì)算得到的有效波高、跨零周期、譜寬度等波浪統(tǒng)計(jì)參量都會(huì)發(fā)生很大變化。圖3給出了S4波浪處理軟件在不同的上截?cái)囝l率下計(jì)算得到的有效波高Hs和跨零周期Tz的變化情況，從中可以看出，在上截?cái)囝l率的取值從0.3 Hz增加到0.6 Hz時(shí)，二者的變化都很劇烈。

而根據(jù)我們計(jì)算所得到的有效波高和跨零周期，不會(huì)敏感依賴于上截?cái)囝l率。圖4描述了有效波高和跨零周期隨上截?cái)囝l率的變化，其中的有效波高和跨零周期都是通過(guò)圖1的譜計(jì)算而來(lái)。從圖中容易發(fā)現(xiàn)，二者在上截?cái)囝l率超過(guò)0.5Hz之后直至Nyquist截止頻率都十分穩(wěn)定。與圖3對(duì)比可以看出，我們所計(jì)算的波浪統(tǒng)計(jì)特征量具有更好的穩(wěn)定性。

圖3 S4波浪處理軟件得到的有效波高與跨零周期隨上截?cái)囝l率的變化Fig.3 Changes of significant wave height and zero-crossing period with cutoff frequency, resulted from the wave processing software of S4

圖4 海浪波面頻譜計(jì)算的有效波高、跨零周期與上截?cái)囝l率的關(guān)系Fig.4 Relationship between the significant wave height and zero-crossing period and the cutoff frequency, resulted from the calculation of sea-wave surface spectrum

通過(guò)以上討論我們發(fā)現(xiàn)，S4波浪處理軟件在換算表面位移譜時(shí)存在較大問(wèn)題。對(duì)于上截?cái)囝l率的過(guò)分依賴使得其處理得到的波浪統(tǒng)計(jì)特征量的可靠性較差。而我們通過(guò)計(jì)算表明，S4波浪處理軟件中的“上截?cái)囝l率”實(shí)際上是不必要的，軟件中之所以要根據(jù)水深設(shè)置該頻率是為了屏蔽譜的高頻段的計(jì)算不準(zhǔn)確性對(duì)波浪統(tǒng)計(jì)特征量的結(jié)果所帶來(lái)的影響。

3 結(jié) 語(yǔ)

本研究討論了在水文勘探調(diào)查中具有很好應(yīng)用價(jià)值的S4浪潮儀在使用中可能出現(xiàn)的故障和數(shù)據(jù)處理中存在的問(wèn)題。雖然國(guó)內(nèi)的S4浪潮儀已經(jīng)達(dá)到幾十臺(tái)，但是關(guān)于S4浪潮儀的使用經(jīng)驗(yàn)的文獻(xiàn)幾乎是空白。結(jié)合實(shí)際應(yīng)用S4的經(jīng)驗(yàn)，我們針對(duì)一例典型的數(shù)據(jù)回收故障給出了具體的解決方案；對(duì)S4波浪處理軟件中的上截?cái)囝l率進(jìn)行了討論，結(jié)果表明，S4波浪處理軟件對(duì)于譜的高頻部分的計(jì)算存在很大的不準(zhǔn)確性，從而使得所給出的波浪統(tǒng)計(jì)特征量的數(shù)值不可靠。我們建議在InerOcean公司在新的S4波浪處理軟件的開(kāi)發(fā)中能夠?qū)@個(gè)問(wèn)題作出修正。對(duì)于修正前S4波浪觀測(cè)資料的處理，我們建議采用本文提到的方法進(jìn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1] InterOcean systems, Inc. S4 Current Meter User Manual[M]. San Diego: InterOcean Company, 1995.

[2] 李陸平，黃培基，陳雪英. 深海壓力式測(cè)波儀資料處理[J]. 黃渤海海洋，2000，18(2)：67-72.

[3] 文圣常，余宙文. 海浪原理與計(jì)算方法[M]. 北京：科學(xué)出版社，1984:1-662.

[4] InterOcean systems, Inc. Wave For Windows Software User’s Guide[M]. San Diego: InterOcean Company, 2002: 1-24.

[5] HOM-MA M, HORIKAWA K, KOMORI S. Response characteristics of underwater wave gauge[C]∥ Proc. 10thConf, on Coastal Eng., Honolulu: ASCE, 1966: 99-114.