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一、引言災害性海浪對海堤、海塘、海港及碼頭影響巨大，我們推廣的MOTUS波浪譜浮標系統(tǒng)，能夠觀測海浪參數(shù)，風浪和涌浪參數(shù)，一維海浪譜和二維方向譜，對目前我國海浪預報、波浪譜研究、海洋工程設計和防護等具有重要意義
一、引言
災害性海浪對海堤、海塘、海港及碼頭影響巨大，我們推廣的MOTUS波浪譜浮標系統(tǒng)，能夠觀測海浪參數(shù)，風浪和涌浪參數(shù)，一維海浪譜和二維方向譜，對目前我國海浪預報、波浪譜研究、海洋工程設計和防護等具有重要意義。
MOTUS波浪譜浮標系統(tǒng)在世界上技術，在安全方面有顯著優(yōu)勢。浮標體采用紫外線聚乙烯旋轉一體式成型設計，已經(jīng)在40多個國家使用和認可。浮標直徑1.75米，頂部安裝了航標燈，搭載Motus波浪傳感器，同時，可根據(jù)客戶需求搭載水文、氣象和水質傳感器，通過成熟的控制技術和通信技術，實現(xiàn)海洋要素實時監(jiān)測和傳輸。
二、波浪譜浮標
隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展和綜合國力的逐步提高,許多重要部門對海洋監(jiān)測提出了更高的要求。波浪浮標是一種常用的海洋監(jiān)測設備,具有無人值守、自動測量的優(yōu)點,目前被廣泛應用于各個海洋監(jiān)測站。 它可以定點、定時、連續(xù)、準確測量波高、周期、涌浪、海浪譜等波浪要素，同時可根據(jù)需求觀測其他水文、氣象和水質等要素。
MOTUS（拉丁語，意為移動）波浪譜浮標系統(tǒng)是以SB138P浮標體為載體，搭載Motus波浪傳感器，可搭載波浪、水質、水文、氣象等環(huán)境監(jiān)測儀器和傳感器，結合現(xiàn)代的控制技術、通訊技術等手段從而得到的一套完整的波浪譜觀測系統(tǒng)。
MOTUS 浮標可以有效地監(jiān)測各種水文和氣象參數(shù)，同時可以擴展海流、水質等參數(shù)，上述數(shù)據(jù)可以由賽萊默分析儀器提供的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)控制和同步，該系統(tǒng)還具備雙向控制和實時通信能力，監(jiān)測數(shù)據(jù)可以通過 4G 通訊方式無線傳輸?shù)竭h程服務器進行數(shù)據(jù)查看和分析，形成具有長期部署能力的低功率高效系統(tǒng)。
測量參數(shù)包括：
（1）觀測時間、浮標位置、電池電壓；
（2）平均波高、平均波周期、有效波高、有效波周期、十分之一波高、十分之一波周期、波高、波周期；主波向、平均波向、譜峰波向；一階擴散、平均傳播角度、長峰波參數(shù)；
（3）一維波浪譜，二維波浪方向譜；
可擴展的測量參數(shù)包括：
水質：水溫、pH、電導率、鹽度、溶解氧、濁度、葉綠素、藍綠藻
海洋氣象：氣溫、氣壓、濕度、風速、風向
海洋水文：流速、流向
2.1 浮標體
SB138P型浮標體為Tideland開發(fā)的一款高性能、低維護的浮標體，在40多個國家都有應用，它采用紫外線穩(wěn)定聚乙烯旋轉成型，整體堅固耐用、抗紫外氧化。浮標體搭載太陽能電池板，以及多種無線數(shù)傳系統(tǒng)，形成多功能數(shù)據(jù)遙測浮標，已被證明是用于提供高準確性和可靠氣象與海洋數(shù)據(jù)的平臺。
2.2 傳感器
2.2.1 Motus 波浪傳感器
Motus 波浪傳感器是一款新型用于浮標的方向波傳感器，他具有浮標荷載補償、傳感器位置補償、以及可通過連接外置羅盤防止浮標磁化對數(shù)據(jù)的影響等多種功能，實現(xiàn)在復雜情況下波浪參數(shù)的測量。
主要特點：
·波浪傳感器帶有用戶可配置的傳輸函數(shù)以補償對浮標頻率響應功能。
·帶有可配置補償算法，用于當波浪傳感器安裝偏離中心位置時對偏移量進行補償。
·配有內置固態(tài)9軸加速度計。
·采樣頻率：4Hz，每次觀測4096樣本。
·用戶可配置不同的頻率，用于區(qū)分風驅動的波和涌波。
·除了常規(guī)波浪參數(shù)，還可輸出主波向、平均波向、譜峰波向；一階擴散、平均傳播角度、長峰波參數(shù)；
·波浪儀具有集成外部羅盤功能，當安裝位置有金屬類帶磁性物質時，可通過采集外部羅盤數(shù)據(jù)對由于磁化造成的方向偏移進行補償。
·可直接輸出工程數(shù)據(jù)，方便集成。
·帶有RS232輸出，便于集成。
2.3 控制系統(tǒng)
系統(tǒng)以DL1000數(shù)據(jù)采集器為核心，指揮各傳感器及外圍設備的工作，并為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)存儲與下載，遠程傳輸與維護，異常報警等功能。
系統(tǒng)支持遠程自動下載采集器內存中的數(shù)據(jù)，用戶無需進行手動操作，只需保持LoggerNet軟件打開，系統(tǒng)會根據(jù)設置的時間自動將數(shù)據(jù)同步到客戶端。
2.4 國內使用情況
2019年8月，中型MOTUS波浪譜浮標到達南姜碼頭倉庫；
2020年1月16日中型MOTUS波浪譜浮標布放于青島小麥島海域，開始連續(xù)運行，期間與周圍的10米大型浮標、波浪騎士浮標以及1米直徑的遙測波浪儀浮標進行了為期半個月的同步比測，比測結果良好。7月9日，進行項目驗收，專家組一致同意通過驗收。現(xiàn)浮標仍在原位繼續(xù)測量。
2.5 結果分析
2.5.1 波高對比
從有效波高的對比來看，四種浮標有效波高趨勢基本一致，有效波高的平均值均在 0.4m-0.5m 間，四種浮標有效波高標準差基本相同，從其他三種浮標與波浪騎士浮標的對比來看，MOTUS 波浪譜浮標有效波高與波浪騎士相關性，相關系數(shù)達到了 0.96，其次為遙測波浪儀浮標，最后為大浮標。
圖 6 四種浮標有效波高的對比(左上子圖中紅色、藍色、綠色、黑色實線分別代表大浮標、遙測儀、MOTUS 波浪譜浮標以及波浪騎士有效波高時間序列，其余三個子圖分別為大浮標、遙測儀、MOTUS 波浪譜浮標與波浪騎士有效波高的差值序列)
從 1/10 波高的對比來看，四種浮標 1/10 波高趨勢基本一致，1/10 波高的平均值均在 0.5m-0.6m 間，四種浮標 1/10 波高標準差基本相同，從其他三種浮標與波浪騎士浮標的對比來看，MOTUS 波浪譜浮標 1/10 波高與波浪騎士 1/10 波高相關相關系數(shù)達到了 0.9564，要高于遙測波浪儀浮標，高于大浮標。
圖 7 四種浮標 1/10 波高的對比(左上子圖中紅色、藍色、綠色、黑色實線分別代表大浮標、遙測儀、MOTUS 波浪譜浮標以及波浪騎士有效波高時間序列，其余三個子圖分別為大浮標、遙測儀、MOTUS 波浪譜浮標與波浪騎士 1/10 波高的差值序列)
從波高的對比來看，四種浮標波高趨勢基本一致，MOTUS 波浪譜浮標波高的平均值與波浪騎士浮標接近，且四種浮標波高的標準差基本接近，MOTUS 波浪譜浮標與波浪騎士浮標波高相關性，相關系數(shù)達到0.876，高于遙測儀浮標，高于大浮標。
圖 8 四種浮標波高的對比(左上子圖中紅色、藍色、綠色、黑色實線分別代表大浮標、遙測儀、MOTUS 波浪譜浮標以及波浪騎士有效波高時間序列，其余三個子圖分別為大浮標、遙測儀、MOTUS 波浪譜浮標與波浪騎士波高的差值序列)
2.5.2 波周期對比
從波周期的對比來看，四種浮標波周期趨勢基本一致，波周期的平均值均在 4-5s，且標準差也較為接近，從其他三種浮標與波浪騎士浮標的對比來看，MOTUS 波浪譜浮標與波浪騎士浮標波周期的相關系數(shù)要高于其他兩種浮標，達到了 0.601，大浮標由于隨波性較差，波周期變化起伏較大。
圖 9 四種浮標波周期的對比(左上子圖中紅色、藍色、綠色、黑色實線分別代表大浮標、遙測儀、MOTUS 波浪譜浮標以及波浪騎士波周期時間序列，其余三個子圖分別為大浮標、遙測儀、MOTUS 波浪譜浮標與波浪騎士波周期對比，黑色實線為擬合曲線，公式見上表)
從 1/10 波周期的對比來看，四種浮標 1/10 波周期趨勢基本一致，從其他三種浮標與波浪騎士浮標的對比來看，波浪遙測儀浮標與波浪騎士浮標接近，相關性，相關系數(shù)達到 0.7107，MOTUS 波浪譜浮標測得 1/10 波周期都要小于波浪騎士波周期，大浮標測得 1/10 波周期變化起伏較大。
圖 10 四種浮標 1/10 波周期的對比(左上子圖中紅色、藍色、綠色、黑色實線分別代表大浮標、遙測儀、MOTUS 波浪譜浮標以及波浪騎士 1/10 波周期時間序列，其余三個子圖分別為大浮標、遙測儀、MOTUS 波浪譜浮標與波浪騎士波周期對比，黑色實線為擬合曲線，公式見上表)
從有效波周期的對比來看，四種浮標有效波周期趨勢基本一致，從其他三種浮標與波浪騎士浮標的對比來看，波浪遙測儀浮標與波浪騎士浮標接近，相關性，相關系數(shù)達到 0.7226，MOTUS 波浪譜浮標測得有效波周期都要小于波浪騎士波周期，大浮標測得有效波周期變化起伏較大。
圖 11 四種浮標有效波周期的對比(左上子圖中紅色、藍色、綠色、黑色實線分別代表大浮標、遙測儀、MOTUS 波浪譜浮標以及波浪騎士有效波周期時間序列，其余三個子圖分別為大浮標、遙測儀、MOTUS 波浪譜浮標與波浪騎士波周期對比，黑色實線為擬合曲線，公式見上表)
2.5.3 波向對比
1. MOTUS 波浪譜浮標與波浪騎士波峰向對比
圖 12 給出了 MOTUS 波浪譜浮標與波浪騎士測得的波峰向對比結果。定義波峰向差值在[160° 200°]之間時，兩者測得波峰向相反，可以算得兩者波峰向相反率為 0.6%；定義波向差值在[0 20]之間時，兩者測得波向相同，可以算得兩者波峰向相同率為 62.5%。
圖 12 MOTUS 波浪譜浮標與波浪騎士波峰向對比圖，紅點為波浪騎士波峰向值，黑點為 MOTUS 波浪譜浮標波峰向值，藍點為波浪騎士與 MOTUS 波浪譜浮標波峰向差值
2. MOTUS 波浪譜浮標與大浮標平均波向對比
圖 13 給出了大浮標與 MOTUS 波浪譜浮標測得的波向對比結果。定義波向差值在[160° 200°]之間時，兩者測得波向相反，可以算得兩者波向相反率為 7.7%；定義波向差值在[0 20°]之間時，兩者測得波向相同，可以算得兩者波向相同率為 27.5%。通過兩種浮標與波浪騎士浮標波向的對比，可以看出 MOTUS 波浪譜浮標測得的波向要優(yōu)于大浮標。
圖 13 大浮標與 MOTUS 波浪譜浮標波向對比圖，紅點為大浮標波向值，黑點為MOTUS 波浪譜浮標波向值，藍點為大浮標與 MOTUS 波浪譜浮標波向差值
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