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【摘要】SeaSonde高频地波雷达系统是CODAR公司开发的短程地波雷达，该设备对整个研究区域的海表流与波要素进行数据采集，获得连续可靠的数据，即使在各种恶劣环境条件下，仍然可保证数据的连续有效。通过理论研究、现场试验、数据分析等技术手段对地波雷达野外站站址选定、实测精度、数据标准化输出等方面进行了深入的研究。
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一、引言 在海岸工程和港口航运工程中，现场水文、泥沙、波浪资料是港口工程设计、科研和建设的基础，是不可缺少的关键资料；另外，港口建设对波浪分析研究的要求越来越高，范围越来越大。风暴潮等恶劣天气条件下的潮流和波浪数据对于研究和分析的顺利开展尤为重要，但在项目建设之前或期间，当地往往缺乏这些数据。因此，我们必须投入大量的人力、物力和时间在现场设立观测站，观察并获得必要的条件。尽管如此，我们只能获得短期数据，而传统的现场数据采集方法更难以获得这些灾难性数据。此外，港口安全生产也越来越受到各方的重视。港口安全预警迫在眉睫。安全预警系统对原始观测数据的要求必须满足连续性和实时性的要求。 获取海洋水文数据和海洋环境参数信息的传统手段是利用现场水文测量，即利用浮标、潜水器、海流计、海洋测量船等检测仪器设备进行直接海洋测量。虽然这些手段基本能够满足海洋科学研究和港口建设的需要，但由于调查作业受气象、海况等条件的影响，仍然无法获得实时、不断变化的海洋环境数据。而传统的测量方法只能得到特定时间内的局部点或线的数据，不能充分反映被测海域的大尺度海况。随着新技术的不断应用，航空遥感、卫星遥感等手段在海洋环境监测中也发挥了巨大的作用。虽然遥感数据覆盖范围广，但其数据采集周期长，分辨率低，成本大，海流信息获取困难，不易推广。 " d: u' k7 W" o+ v1 o" _2 `' m
二、研究意义 这是我国首次将世界先进的地波雷达波和海流测量系统引入港口建设研究工作。其名义指标满足水运行业相关规范的要求，但其实际测试数据的准确性是否能够满足要求，或者通过什么手段能够达到我们的预期效果，尚不清楚。当我们充分了解它的性能并熟练掌握它时，就不知道我们可以采取什么步骤来开发这个多功能数据采集系统的深层功能。开展地波雷达波流测量系统在港口建设中的应用研究具有重要意义。 目前，世界上的地波雷达主要包括美国科达公司生产的季节性地波雷达、德国汉堡大学研制的WRAR地波雷达系统、武汉大学研制的中程高频地波雷达系统OSMAR 2000等。美国CODAR公司生产的Seampede地波雷达系统以其使用方便灵活、程序自动化程度高、数据格式跨平台等优点得到了更广泛的应用。本文使用的一套地波雷达系统（两个野外站）就是这个模型。中程地波雷达是武汉大学与武汉德威电子科技有限公司联合研制的OSMAR高频探海雷达，综合性价比优异。该系统于2008年完成工业试生产。 ) y* _& t: b4 N7 V+ r6 @- F
三、研究现状 由于地波雷达优越的性能和广阔的应用前景，许多发达国家在20世纪60年代开始了相关设备的研发。本世纪，美国、德国、英国、法国、澳大利亚、日本和新加坡已加紧研究、采购和部署地波雷达，以满足军事监测、海洋保护、防灾减灾和海洋开发的需要。美国东海岸和西海岸系统地建立了季节地波雷达观测网，可以实时查询和监测海面海流数据。日本、韩国、印度和台湾的一些海域也建立了多个地波雷达观测站。 目前，国家海洋局在东海部署了三套地波雷达系统，一套短程地波雷达和两套中程高频地波雷达。近程地波雷达是从CODAR公司引进的，该公司分别分布在芦潮港和大岐山。单站监测距离为30~60km的径向电流和两站共同覆盖区域内的合成电流。中程地波雷达是武汉大学研制的OSMAR 2000。一套分布在朱家尖和胜山，另一套分布在石浦和大陈。单站监测距离200km的径向流、两站共同覆盖区的合成流以及海面风浪。 四、研究内容 利用季节性高频地波雷达波流测量系统采集整个研究区域的海面流和波要素数据，以获得连续可靠的数据，即使在各种恶劣环境条件下也能保证数据的连续有效。实现全天候自动高精度、高密度采集综合波浪剖面频率和速度数据，解决恶劣环境和大范围区域数据采集问题，为宏观研究提供准确的潮流、波浪基础数据，为泥沙运动影响研究提供高精度、高保证的研究数据，提高断面流场研究精度。 研究内容主要包括以下几个方面。 （1） 设备现场站选址：地波雷达海面流波测量系统主要由现场雷达站数据采集系统和中心站数据处理系统组成。现场站的架设对周围环境要求较高。现场站的设置直接影响数据采集的数量和质量。在设立现场站之前，应仔细调查观察海域周围的海岸线，确定各种方案，并反复比较。如有必要，应进行实际测量和比较。 （2） 实际测量精度检测：我院有各种传统的流量和波浪测量数据采集方法。如slc9-2直读式流速仪、notrk多普勒流速仪、trdi多普勒流速仪等。地波雷达波流测量系统安装调试后，在不同的数据采集方案下，在其有效测试范围内，多个站均配备了传统的同步数据采集设备，并对地波雷达的测量数据精度进行了比较分析。特别是在设备运行的早期，有必要不定期地对测量数据进行比较和分析，以确定设备运行期间的合理校准和验证周期。 （3） 标准化数据输出：地波雷达波和电流测量系统涵盖了广泛的研究，收集的数据量可以称为海量。其数据格式由系统自行定制，与国内各行业相应的标准规范有很大不同。因此，有必要对其进行重新定义，制定一套适合中国国情的标准体系，消除冗余数据，生成可用于港口建设研究的标准化数据。最基本的有：潮流报告、波浪要素报告和用于数据的文本数据。 ⒈ 系统介绍 地波雷达系统包括指向海洋方向的发射天线、一组接收天线阵以及确保系统运行配套的软件和硬件，图1给出了高频地波雷达的系统结构。该雷达为全相参系统，主要由以下几部分构成：发射机及发射天线、接收机及接收天线、信号处理机、态势显示器、频谱监测系统及雷达总控台。
图1 高频地波雷达的系统结构示意图 地波雷达雷达发射机发射电磁波，工作频率为3～30MHz，此频段的电磁波能够沿着海面绕射传播，遇到目标后部分散射的能量朝向雷达接收部分发射，接收天线搜集到这部分散射的电磁能后，经过传输线反馈给接收机。信号处理机对天线接收到的信号进行处理，并提取出目标信息，实现超视距探测。 ⒉ 野外站选址 渤海地区是我国港口分析最集中、航道最繁忙的地区。以渤海地区为国家示范区，分析确定两套短程高频地波雷达的最佳部署位置和最佳部署参数，配合现场部门部署设备，调试信息传输和接收，在渤海示范区建立地波雷达监测网。 CODAR高频地波雷达系统现场站的架设对周围环境有很高的要求。仪器安装现场的环境和仪器本身的态度将直接影响数据采集的数量和质量。 现场站场选址要求： （1） 站址的选择应以相关总体规划为基础。先确定站址区，再确定站址。站址应与重要场所、交通枢纽等重要目标保持一定距离。 （2） 根据任务（功能）要求、雷达性能和地域特点选择站址，合理利用地形，充分发挥雷达的效能。站场选址应尽量避开风口、雷电密集区和山洪、泥石流、滑坡等自然灾害的潜在危险场所，确保设备和人员的安全。 （3） 严格遵守国家有关环境保护的规定，注意站址与周边电力工程、广播、电视、通信站等设施的相对位置，尽量避免相互干扰。 （4） 在满足任务（功能）要求的前提下，尽量考虑雷达站工作人员的生活保障需求。站址尽量靠近水源、供电、通讯、交通便利的地方。 （5） 车站应设在通信环境和通信传输条件良好的地方，以便与中心站建立通信链路，保证雷达探测信息和遥控信息的实时可靠传输。 （6） 站址应为对雷达故障维修反应迅速、周边社会环境安全的地址。应考虑当地的城市建设规划。在满足雷达站选址要求的候选站中，在其他类似条件下，优先考虑工作条件、生活条件和施工条件相对便利的站，以利于雷达站的建设和维护。 （7） 高频地波雷达站选址与相邻高频地波雷达站距离为40~80km，中短程高频地波雷达站距离为40~60km，中远程高频地波雷达站距离为60~80km。 前期，项目组对比分析了渤海海岸线内城市沿海地区风、浪、流、地质、温度等影响数据采集的环境因素，最终确定在山东滨州建站。 ⒊ 实测精度检测 对比测量采用的常规测量仪器和手段，依据相关国家规范，对相同海域进行表层海流测量。仪器采用声学多普勒流速剖面仪(ADCP)是国际先进的声学自容式海流观测仪器，精度高、数据无偏移，采用声学多普勒效应原理，可以定时、定层分别测定各层海水流速流向，广泛应用于浅水海洋研究(水深小于100m)，港口监测，河流、湖泊和渠道等的科学研究等领域。 表1 多普勒流速剖面仪技术参数 声学多普勒流速剖面仪 | ADCP(1200KHz、600KHz） | 测量范围 | 流速 | 0.01～10m/s | 流向 | 0～360° | 测量精度 | 流速 | 测量值的1％ | 流向 | 流向误差：±2° |
同步观测期间，各测点流速、流向观测间隔为1h。测点定位采用GPS定位，保证测船在同一个测流断面上，加强点位检查，防止测船走锚、移位现象。由于地波雷达观测系统数据成果由两个野外站的数据合成而成，单站观测成果无法进行数据合成。野外站均受到国内无线电信号(短波)的干扰，在干扰较大时，两个野外站均观测不到有效数据。SeaSonde高频地波雷达在测量过程中获得流场图见图2。
图2 高频地波雷达数据流场图 多普勒流速剖面仪与SeaSonde高频地波雷达同步对比测量数据过程线见图3。根据过程线比对，两种测量手段所测得的数据，流向的吻合度更高。
图3 同步对比测量数据过程线示意图
, _* o6 E1 F" g/ V) H3 {4 M2 g. m五、结束语 SeaSonde高频地波雷达与传统测量仪器同步测量比对说明两种测量手段所测得的数据，流向的吻合度高于流速。 目前地波雷达观测系统的中心频率为13.5MHz，在我国该频段存在无线电短波干扰，且野外站对周边环境要求较高(建筑物等都会影响数据质量)，理想化的野外站站址较难选定。 地波雷达观测系统对海域也有一定要求，低潮露滩信号将严重衰减，要求最佳的海岸地形为基岩陡岸。且地波雷达观测系统侧重于大范围的宏观研究。
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