技术领域
[0001] 本发明涉及海洋观测领域，具体涉及一种波浪测量方法。
相关背景技术
[0002] 波浪测量可以帮助监测和预测海上的波浪参数变化，这对于提高港口的灾害防范能力非常重要。通过波浪测量，可以有效地进行海况预报，减少极端灾害条件下沿海港口的损失，保障港口、码头生产作业和人民生命财产的安全。同时，波浪测量在波浪发电、海洋工程设计与施工、海洋环境监测与灾害预警和科学研究与气候变化研究等领域有着广泛应用。
[0003] 波浪测量方法主要有光学式测波仪测波法、测杆测波法、压力式测波法和声学式测波法等。光学式测波仪测波法是利用水下发射光场和海面波高的相关性来测量波浪的物理参数。测杆测波法是借助于桩柱、支架或中性浮标垂直固定于海中的测波标杆。上述两种测波方法准确度都较低，受主观因素影响较大，且夜晚不便于测量。压力式测波法通过安放在水下或海底的压力传感器测量海水压力的变化，再换算成波高；根据线性波理论，可以得到波面与波动压力之间的关系。这种方法适用于长期定点连续观测，受海水滤波作用影响，不能准确测量短期波。声学式测波法利用置于海底的声学换能器垂直向海面发射声脉冲，通过接收回波信号测量换能器至海面垂直距离的变化，再换算成波高。这种方法可以避免海面大风浪的破坏，但受浪花和气泡的干扰，测量破碎波的准确度受到影响。
[0004] 综上，现有的波浪测量方法，大多都存在测量设备结构复杂、安装繁琐，或者需要测量的数据过多、计算过程复杂等问题。
[0005] 因此，需要提出一种波浪测量方法，以解决现有技术中存在的上述技术问题。
具体实施方式
[0046] 如图1所示，一种波浪测量方法，该方法采用波浪测量装置，如图2‑图4所示，波浪测量装置包括雷达水位计、井筒2和浮子滑块3，浮子滑块3设置在井筒2内，浮子滑块3能跟随水位升降，浮子滑块3可设置为圆柱形。雷达水位计安装在井筒2的顶端，井筒2的外形为圆柱形，井筒2的侧壁开设若干个内外贯通的进出水孔5。同时，浮子滑块3的直径略小于井筒2的内径，既能使浮子滑块3在井筒2内可随水位升降，又保证了浮子滑块3在随水位升降时，浮子滑块3的上表面与水面4保持平行。
[0047] 在井筒2的顶端安装雷达水位计，雷达水位计的雷达探头1设置在井筒2内。
[0048] 雷达探头1发射垂直向下的脉冲雷达波，雷达波在空气中传播，当雷达波遇到水面4时会反射回来，根据回波时间判断雷达探头1到水面4的距离从而确定水位高度。
[0049] 根据多普勒原理，雷达波在遇到径向运动目标时回波会发生频率偏移。因此，当波浪垂直方向的速度v远小于雷达水位计的电磁波传波速度（脉冲雷达波）或者说光速C时，可得公式如下：
[0050] （1）
[0051] （2）
[0052] 式（1）和式（2）中， 为雷达波的初始频率， 为雷达波的回波频率， 为雷达波的频率变化值，V为波浪的垂直速度，C为雷达水位计的电磁波传波速度。
[0053] 当水面4朝雷达方向向上运动时， 为正值；当水面4朝远离雷达方向向下运动时， 为负值。
[0054] 根据公式（1）推导，可得公式如下：
[0055] （3）
[0056] 进而获取波浪在垂直方向上的速度 。
[0057] 在波浪处于波峰或者波谷时，波浪在垂直方向上的速度为 ，即在每一个 的时刻，波浪处于波峰或者波谷。假设 、 和 时刻是相邻的 时刻（即 ），则是两个临近的波峰或两个临近的波谷出现的时间差，即波浪周期为：
[0058] （4）
[0059] 式（4）中，为波浪周期， 为出现波峰或波谷的时间， 为与 时刻相邻的且同时出现波峰或波谷的时间。
[0060] 同时，在 和 时刻测出水位高度值 和 ， 和 是两个相邻的波峰或波谷的水位高度，则波高 为：
[0061] （5）
[0062] 式中， 为波浪的高度， 为波峰或波谷的水位高度， 为与 相邻的波谷或波峰的水位高度； 为与 相邻的且同步处于波峰或波谷的水位高度。
[0063] 根据上述原理，本实施例提供了一种波浪测量方法，采用上述波浪测量装置，该波浪测量方法包括以下步骤：
[0064] a、将井筒2、浮子滑块3和雷达水位计安装在海上平台上。
[0065] b、打开雷达水位计。
[0066] c、测量波浪垂直方向速度为0时的水位高度和时间，其中，水位高度的计算公式如下： 。
[0067] 式中， 为实际水位高度， 为雷达水位计测量的水位高度， 为浮子滑块3上表面与水面4的高度差值。
[0068] d、记录符合步骤c中条件的相邻三组数据，其中，数据包括波浪垂直方向速度为0时相邻的三个时间 、 和 ，以及在 、 和 时刻的实际水位高度 、 和 。
[0069] e、计算波浪周期和波浪高度，其中，波浪周期的计算公式如下： 。
[0070] 式中，为波浪周期， 为出现波峰（波谷）的时间， 为与 时刻相邻的同步出现波峰（波谷）的时间。
[0071] 波浪高度的计算公式如下： 。
[0072] 式中， 为波浪的高度， 为波峰（波谷）的水位高度， 为与 相邻的波谷（波峰）的水位高度； 为与 相邻的波峰（波谷）的水位高度。
[0073] 本实施例根据多普勒原理，利用雷达波遇到径向运动目标时回波会发生频率偏移的特性，实现了简单、快速且准确地测量波浪。同时，本发明采用波浪测量装置，通过在井筒2中设置浮子滑块3，浮子滑块3可随水位升降，且浮子滑块3的上表面一直保持与水面4平行，从而减少了浪花和气泡对雷达回波的干扰，提高了测量数据的准确性。
[0074] 本实施例中的波浪测量装置设计结构简单、安装便捷，且测量不受天气等自然因素影响。同时，本发明只需要测量时间和水位高度两个数据，数据处理过程简单，极大地减少了波浪测量的成本。
[0075] 下面结合附图对波浪测量装置作进一步说明：
[0076] 如图2至图4所示，波浪测量装置安装在海上平台上，井筒2呈竖向布置，井筒2的下部置入水面以下，可进行敞口设置。浮子滑块3设置在井筒2内，浮子滑块3的直径为井筒2内径的0.9倍，既保证了浮子滑块3可随水面4升降，又能防止浮子滑块3侧翻，影响测量精度。雷达水位计设置在井筒2的顶端，雷达探头1伸在井筒2的内部。波浪测量装置的井筒2侧壁上开设有多个形状呈长条形的进出水孔5，进出水孔5呈上下两排设置，进出水孔5贯穿井筒
2的侧壁，开设进出水孔5可使井筒2内部的水位与井筒2外部的水位时刻保持相同，方便井筒内外海水交换，不会对海面波浪产生影响，保证了测量精度。
[0077] 当然，浮子滑块3的直径并不局限于上述井筒2内径的0.9倍，进出水孔5的形状并不局限于上述的长条形，根据实际情况都可合理改变。
[0078] 本发明的实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
