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海流测量技术介绍海流是指海水大规模相对稳定地流动，是海水重要的普 遍运动形式之一，对全球气候的稳定和生态的平衡起着至关 重要的作用，同时又对沿海人民的生活、生产和海洋的开发 利用带来了很多不利影响因此，海流测量技术一直是海洋 行业所关注的焦点之一海流测量技术的发展既是测量设备的发展，大致可分三 个阶段一是起步阶段，虽然十八世纪已经出现了一些简单 的测流仪器，但直到厄克曼海流计的创制才正式开始了海流 测量设备起步阶段；二是发展阶段，由于军事上的需要，海 流测量逐渐向深远海发展，上世纪五十年代至八十年代研制 出了多种多样的测量设备；三是飞跃阶段，随着计算机、芯 片和卫星技术的发展，海流观测技术开始向智能化、集成化 高精度方向发展，出现了以声学多普勒海流计为代表的先进 海流观测设备海流测量方法的多种多样，可分为定点式、 走航式和抛弃式等；也可分为接触式和非接触式；较明确的 分类应是按照测量原理划分成：漂浮法、机械式、电磁感应 式、声学式和雷达遥感等方法，这些也是目前国内外应用较 广的测量方法本文将对这几种测量技术的测量原理、优缺 点、应用方向和国内外测量设备发展进行简单介绍浮法漂浮法是跟踪漂浮物体的时空变化以确定表面流的流 速和流向，主要分为表面漂流浮标和水下中性浮标两种。

一）表面漂流浮标早期的表面漂流浮标通常选择船体或海上的漂移物 （如 漂流瓶和浮游冰块等 ），根据移动的轨迹进行流速流向的分 析，后来利用航空摄影定位、雷达定位或全球卫星定位等方 法跟踪的浮标，提高了浮标的位置精度，但费时费力，且只 能获得短期、小区域的资料随着卫星定位和卫星通信技术 的发展，漂流浮标进而发展为一种十分有效的大尺度海洋环 境监测手段［3］表面漂流浮标主要由浮体、水帆和连接绳组 成，可以连续观测 3个月以上，一次性使用或重复回收利用， 成本低、技术成熟可靠目前，较多使用的漂流浮标为美国 PacificGyre 生产的近岸 Microstar 漂流浮标和远海 SVP 漂流 浮标，加拿大MetOcean公司的CODE近岸漂流浮标和SVP 系列远海浮标，还有西班牙AMT公司MD03漂流浮标，国 内也有很多厂家研制，如国家海洋技术中心的 FZS3-1 型表 层漂流浮标由于技术成熟，有的科研单位根据需求自行设 计浮标以满足不同测量任务的要求二)中性浮标上世纪五十年代，英国的斯沃洛博士研制出了利用水声 技术跟踪的中性浮标，并用这种浮标相继发现了深层的海 流、逆流、涡流及其变异特征20世纪80年代，Dvasi和 Webb 等人研制出了自持式拉格朗日环流探侧仪 (ALACE)。

这种浮标在水下设定深度随流漂移，到达预定时间时浮标会 自动上浮；到达海面后，通过卫星系统完成通信和定位；然 后再下潜到设定深度开始新的观测循环为了满足垂直剖面 温盐参数的循环探测需要，到上世纪 90 年代，这类浮标进 而演变成自沉浮式剖面探测浮标(APEX),可通过改变体积实 现自动沉浮，主要由壳体、机芯、液压装置、传感器、控制 电路板、数据传输终端和电源等部分组成，剖面深度一般为 Om〜2000m,有的可以达到6000m的观测深度目前，世界范围内主要使用的剖面浮标有美国 TeledyneWebb公司研制的APEX，法国NKE公司研制的PROVOR 和ARVOR,美国斯克里普斯海洋研究所研制的SOLO-II和 SOLO,还有TSK公司与日本海洋科技中心共同研制的Navis 等［6］我国剖面漂流浮标COPEX(中国海洋剖面探测浮标) 和中船重工第710研究所研制的HM2000剖面浮标已实现量 产，但与国外的APEX相比仍需要进一步改进和完善二、机械式海流计机械式海流计也称旋桨海流计，是利用流体力学原理研 制的设备它借助海洋产生的推动力来驱动叶轮旋转，进而 由传感器感应出转速，最后再换算成流速值，并用内置的磁 罗盘确定流向。

机械式海流计一般包括水上甲板单元、水下 测量单元和通讯电缆该类设备为船用或锚系定点测流仪 器，优点是仪器精度较高，可以在法定计量单位进行计量检 定；可测量任意深度的海流数据；仪器功耗低，潜标自记使 用时可全天候、长期测量缺点是只能测量水平方向的一维 流速、流向值；旋桨启动速度一般为0.03m/s,不能测低速流; 只能定点测量，且一次只能测量某一深度；多数仪器使用内 置磁罗盘确定流向,受船体和其他钢结构磁场影响较大；接 触式测量,抗海流干扰能力差,方向翼有转动误差,是低流 速情况下,方向翼转动不灵活；在浅海水域测流时受风和浪 的影响,存在一定的误差目前应用较广的有英国Valeport公司的106、108MkIII 和308型海流计，挪威安德拉仪器公司生产的RCM-4S型海 流计，国产SLC9-2型直读海流计也是很成熟的产品三、电磁式海流计海水在地磁场中流动所产生的感应电动势可用来测量流速、流向，据此原理研制出的海流计称为电磁海流计，可 分为天然磁场电磁海流计和人工磁场电磁海流计一)天然磁场电磁海流计上世纪 40 至50 年代，美国、日本和前苏联等国家研制 出走航测量式的天然磁场电磁海流计，该系统主要由电缆、 电极和记录器组成，可在航行中大范围、连续地测量表层流。

测量时船只拖着传感器在海面上沿“之”字航行，分别测量 两个方向的海流分量，然后求出海流的矢量大小和方向由 于测量方法和海洋电场影响，测量误差很大，有时可达 15% 但可在除赤道和低纬地区外的任意海区航行测量投弃式海流剖面仪(XCP)是一种利用地磁进行快速测量 的电磁海流计XCP是海洋环境预报、海洋科学研究及军事 应用领域中一种先进高效的测量手段，尤其适合在有争议的 特殊海域进行海洋环境参数测量美国华盛顿大学应用物理 实验室的 Thomas 等人于 1978 年成功研制了第一台 XCP 样 机 XCP 测到的是传感器所在位置的平均海流流速，不能给 出海流剖面数据，而且流速测量精度受地磁场分布影响较 大，但其具有探测海域广、测量深度大、运行周期短、探头 体积小、布放形式多样、数据获取及时的优点现在该项技 术的开发商主要是美国的 Sippican 公司和日本的 TSK 公司 “十一五”期间，在“ 863”计划支持下，我国突破了高速 旋转探头结构设计和微弱电场信号测量等关键技术 ［10］，完 成了 XCP 原理样机的研制二）人工磁场电磁海流计根据法拉第电磁感应定律，人工磁场电磁海流计会产生 与水流流速成正比的电位差，后经过反演得到水流流速。

目 前被广泛应用的是球形、盘形和环形三种形式传感器，还有 主要应用于实验室环境的柱形结构传感器该类海流计是上 层海洋和深海锚定使用的良好测流设备，在江河湖泊里也有 广泛的应用前景优点是体积小、重量轻，自容或直读测量 使用灵活，测量精度高，测量数据齐全，布放简单；其缺点 是：不能进行剖面测量；易受海水介质电导率和地球磁场的 影响［11］，零点和测值易浮移，需经常校准目前，广泛使 用的人工磁场电磁海流计主要有美国 InterOcean systems 公 司的S4、英国Valeport公司的MIDAS ECM、日本ALEC公 司的 Compact-EM 和德国 HS-Engineers 公司的 ISM-2001 系 列等，通过加装其他传感器，可同时测量海流、波浪、潮汐 电导率、温度、水深、浊度和水质等要素国内尚无成熟的 人工磁场电磁海流计产品四、声学式海流计声学海流计按其工作原理可分为时差式声学海流计、聚焦式声学海流计和声学多普勒海流剖面仪一）时差式声学海流计也称声传播时间海流计，其原理是：在声传播距离相同 的条件下，通过测量逆流、顺流两次声传播的时间差计算出 海水的流速该类设备使用两对正交的同时发射和接收信号 的换能器构成仪器坐标系，通过电子罗盘测量仪器坐标系与 大地坐标系的夹角，然后矢量合成计算大地坐标系的海流流 速和流向，其关键技术是精确测量两对换能器之间声波传播 的时间差，精度一般要求在ns级。

该类仪器是非接触式测量, 可测二维和三维海流，测得的流速有很好的过零点线性特 性,但水流流经换能器时所产生尾流会对测量的结果产生一 定 的 影响 应用较 广 泛的 设 备 有挪 威 Sensorte 公 司的 UCM-60/UCM-60DL 产 品 , 美 国 NOBSKA 公 司 的 MAVS-3/MAVS-4 产品,美国 FSI 公司的 2D-ACM/3D-ACM 产品目前国内尚无成熟产品二）聚焦式声学海流计也称声学多普勒海流计（ADV），是一种利用声学多普勒 效应进行海流测量的设备近年来，ADV广泛用于研究水流 紊动特性、泥沙浓度、泥沙浓度脉动特性、浅水波浪特性分 析、现场波浪谱及碎浪区紊流（雷诺应力）测量等方面［14-15］ADV 测量换能器一般由一个发射换能器和三个接收换能器 组成，三个接收换能器以一定角度均匀分布在发射换能器周 围发射换能器发出的超声信号，到达采样体位置时发生散 射，散射信号再被接收换能器所接收，对接收信号进行解析 和处理后便可以得到采样体的流速流向参数［16］ADV能准 确、快速、无干扰的测量三维流场，分为实验室用和现场测 量两类应用交广的现场用ADV有美国Sontek公司的ADV 和挪威 Nortek 公司的 ADV 等，目前国内尚无成熟产品。

三)声学多普勒海流剖面仪(ADCP)ADCP通过测定声波入射到海水中散射物质后向散射在 频率上的多普勒频移，从而得到不同水层水体的剖面流速流 向分布 ADCP 的发展大致可以分为四个阶段［17］，经过 30 年的发展已形成多种形式和不同用途的系列化产品 ADCP 是非接触式测量设备，对被测流场不产生干扰 ［18］，能同时 测量一个剖面上若干层二维/三维流速流向数据，是目前应用 最为广泛的海流测量设备，而且在污染悬浮物浓度、泥沙含 量、感潮河段流量、波浪监测等领域也有广泛的应用但是 其剖面测量深度受水体中气泡和悬浮物颗粒大小的影响，往 往达不到设备所标称的深度范围，简单来说就是水体越浑浊 深度剖面范围越小目前世界范围内广泛应用的ADCP主要 由美国TRDI公司、美国YSI/Sontek公司、美国RTI公司、 挪威 Nortek 公司和挪威 AADI 公司提供国家海洋局海洋技术研究所（现国家海洋技术中心）、中 国科学院声学研究所、哈尔滨工程大学和杭州应用声学研究 先后对多普勒测流技术进行了先关研究经过国家“ 863” 专项支持，国家海洋技术中心和中科院声学所研制出了试验 样机，通过专家组验收［19］。

国产 ADCP 有中船重工 715 所 的RS-HCL150型相控阵声学测流仪和PAADCP海流剖面仪, 江苏中海达海洋信息技术有限公司也推出了首款量产化的 国产 ADCP 产品 iFlow RP600 ADCP五、表层海流遥感观测表层海流遥感观测主要可以分为X波段雷达遥感、高频 地波雷达遥感和卫星遥感基于雷达遥感观测海表特征系统 的工作原理是：雷达发射机通过天线向海面辐射电磁波,经 海洋表面反向后被雷达接收,然后通过分析其随时空变化的 情况,进而得到清晰的、实时的海表面相关信息 ［20］主要 可以分为X波段雷达、高频地波雷达和合成孔径雷达（SAR） 等一） X波段雷达遥感1985 年 Young 将三维傅立叶方法应用于雷达图象序列, 首次提出了利用“海杂波”雷达图像时间序列分析海表信息 的方法在此后 10 年间，多个学者不断进行算法研究、传 递函数的确定和系统的改进1995 年，德国 GKSS 实验室研 制出了海浪监测系统（WaMoS）,并应用到现场海洋监测中， 经过不断努力，现在形成了第二代商业化产品WaMoS II 挪威Miros公司也于80年代末研制了类似的系统WA/EX, 后形成商业化产品， WAVEX 系统可实时测量表层流速和海 浪参。