基礎(chǔ)物理原理：

• P： 靜水壓力（單位：Pa 或 mbar）

• ρ： 海水密度（單位：kg/m3）

• g： 重力加速度（約 9.8 m/s2）

• h： 該點(diǎn)上方水體的深度（單位：米）

• 在靜止水體中，某一點(diǎn)所承受的水壓與該點(diǎn)上方水柱的重量成正比。公式表示為：P = ρ * g * h。

• 這個(gè)壓力是靜水壓力。

1. 波浪環(huán)境下的壓力變化：

• 當(dāng)波峰經(jīng)過(guò)傳感器上方時(shí)，該點(diǎn)上方的水深h增加，導(dǎo)致傳感器測(cè)得的壓力P增大。

• 當(dāng)波谷經(jīng)過(guò)傳感器上方時(shí)，該點(diǎn)上方的水深h減小，導(dǎo)致傳感器測(cè)得的壓力P減小。

• 當(dāng)存在波浪時(shí)，水面不再是靜止的，而是在平均水面位置上下波動(dòng)。

• 波浪本質(zhì)上是波動(dòng)能量在水體中的傳播，它會(huì)引起水體質(zhì)點(diǎn)做軌道運(yùn)動(dòng)。

• 在水下某固定點(diǎn)（安裝了壓力傳感器）：

• 因此，壓力傳感器記錄到的壓力值會(huì)隨著波浪的起伏而周期性波動(dòng)。

2. 從壓力波動(dòng)到浪高：

• η(t)： t時(shí)刻的浪高（相對(duì)于平均水面，單位：米）

• P(t)： t時(shí)刻傳感器測(cè)得的壓力（單位：Pa）

• P?： 平均水面下傳感器位置處的靜水壓力（即沒(méi)有波浪時(shí)的壓力，P? ≈ ρ * g * d）

• ρ： 海水密度（需現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量或估算）

• g： 重力加速度

• K_p： 壓力響應(yīng)因子（或壓力衰減因子），0 < K_p ≤ 1。這是壓力式浪高儀最關(guān)鍵的校正參數(shù)。

• K_p = cosh(k * d) / cosh(k * (d + z)) (對(duì)于線性波，z是傳感器在水底以上的高度，通常z≈d)

• k = 2π / L： 波數(shù)，L是波長(zhǎng)。

• 從公式可見(jiàn)，K_p取決于傳感器安裝深度(d) 和波浪的波長(zhǎng)(L) 或周期(T)（因?yàn)?nbsp;L = gT2 / (2π) 在深水近似成立）。d越大或L越小（波陡），K_p越小（壓力衰減越厲害），需要更大的校正才能得到真實(shí)浪高。

• 靜壓關(guān)系： 利用 P = ρ * g * h 的基本關(guān)系。

• 平均水深 (d)： 傳感器安裝位置相對(duì)于平均水面的深度。

• 波浪動(dòng)力學(xué)影響： 波浪不是簡(jiǎn)單的靜水現(xiàn)象。波浪引起的壓力波動(dòng)不僅包含靜壓分量，還包含動(dòng)壓分量，且壓力波動(dòng)隨水深衰減（波長(zhǎng)越短、水深越深，衰減越顯著）。因此，傳感器記錄的壓力波動(dòng)幅度ΔP小于實(shí)際水面波動(dòng)幅度Δη（浪高）。

• 壓力式浪高儀的核心任務(wù)就是將測(cè)量到的壓力波動(dòng)時(shí)間序列 (P(t)) 轉(zhuǎn)換為水面波動(dòng)（浪高）時(shí)間序列 (η(t))。

• 轉(zhuǎn)換過(guò)程需要考慮：

• 關(guān)鍵公式（線性波浪理論簡(jiǎn)化）：
  η(t) = (P(t) - P?) / (ρ * g * K_p)

主要組成部分

1. 壓力傳感器：

• 核心部件，通常為高精度、高頻響應(yīng)的壓阻式或壓電式傳感器。

• 要求具有良好的穩(wěn)定性、低漂移、耐腐蝕（海洋環(huán)境）、抗生物附著能力。

• 測(cè)量范圍需覆蓋預(yù)期最大浪高對(duì)應(yīng)的壓力變化范圍。

• 采樣頻率需足夠高（通常≥ 2 Hz，研究級(jí)可達(dá) 10-20 Hz 或更高）以準(zhǔn)確捕捉波浪細(xì)節(jié)。

2. 信號(hào)調(diào)理與數(shù)據(jù)采集單元：

• 將傳感器輸出的微弱電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波（消除噪聲）、數(shù)字化。

• 包含高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。

3. 數(shù)據(jù)處理單元（微處理器/控制器）：

• 傳感器安裝深度 (d)

• 海水密度 (ρ) (有時(shí)使用固定值，或通過(guò)鹽度溫度傳感器估算)

• 壓力響應(yīng)因子 (K_p)： 這是難點(diǎn)！通常需要：

• 已知波浪周期(T)： 通過(guò)頻譜分析從壓力數(shù)據(jù)本身估算主導(dǎo)波周期。

• 波浪理論模型： 使用線性或非線性波浪理論公式計(jì)算K_p。

• 核心功能是執(zhí)行從壓力到浪高的轉(zhuǎn)換計(jì)算。

• 需要輸入或?qū)崟r(shí)計(jì)算關(guān)鍵參數(shù)：

• 進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算或存儲(chǔ)原始?jí)毫?shù)據(jù)供后續(xù)處理。

4. 數(shù)據(jù)傳輸/存儲(chǔ)模塊：

• 存儲(chǔ)： 內(nèi)置存儲(chǔ)器（如SD卡）用于記錄數(shù)據(jù)。

• 傳輸： 可能包含有線（RS232/485, Ethernet）或無(wú)線（蜂窩網(wǎng)絡(luò)4G/5G，衛(wèi)星，RF）模塊，用于遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)。

5. 電源：

• 通常為內(nèi)置電池（可充電或一次性），或通過(guò)水下電纜供電。

• 低功耗設(shè)計(jì)對(duì)長(zhǎng)期部署至關(guān)重要。

6. 耐壓殼體與安裝結(jié)構(gòu)：

• 保護(hù)內(nèi)部電子元件免受高壓海水侵蝕。

• 提供穩(wěn)定的安裝基座（固定于海底、碼頭樁柱、浮標(biāo)錨鏈等）。

關(guān)鍵特點(diǎn)

• 水下安裝： 傳感器部署在水下，不易受水面漂浮物、船只碰撞、惡劣海面天氣的直接破壞，隱蔽性好。

• 長(zhǎng)期穩(wěn)定性： 相對(duì)于浮標(biāo)式或超聲波式浪高儀，受生物附著（需防護(hù)）和機(jī)械磨損影響可能更小，適合長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè)。

• 可測(cè)參數(shù)豐富： 除了浪高(η)和波周期(T)，通過(guò)頻譜分析還可得到波譜、有效波高(H1/3)、平均波高、最大波高、波向（需多點(diǎn)布置） 等。

• 成本相對(duì)適中： 對(duì)于固定點(diǎn)觀測(cè)，成本通常低于大型浮標(biāo)系統(tǒng)。

• 對(duì)安裝深度敏感： 安裝深度d的測(cè)量誤差會(huì)直接影響浪高計(jì)算的準(zhǔn)確性。

• 需要波浪理論校正： K_p 的計(jì)算依賴于波浪理論模型和對(duì)波浪周期/波長(zhǎng)的估計(jì)，這會(huì)在一定程度上引入誤差，尤其在淺水、非線性波浪或復(fù)雜海況下。

主要應(yīng)用場(chǎng)景

1. 海洋工程：

• 港口、碼頭、防波堤等水工建筑物周圍的波浪監(jiān)測(cè)，評(píng)估結(jié)構(gòu)物安全性和設(shè)計(jì)驗(yàn)證。

• 海上石油平臺(tái)、風(fēng)電基礎(chǔ)周圍的波浪荷載監(jiān)測(cè)。

• 海岸侵蝕研究。

2. 海洋氣象與災(zāi)害預(yù)警：

• 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)臺(tái)風(fēng)、風(fēng)暴潮引起的巨浪，為預(yù)警提供數(shù)據(jù)。

• 海浪預(yù)報(bào)模式的現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證數(shù)據(jù)源。

3. 航海安全保障：

• 航道、錨地、港口的波浪監(jiān)測(cè)，為船舶航行、靠泊提供環(huán)境信息。

4. 海洋科學(xué)研究：

• 波浪能量譜研究。

• 波浪與海流、地形相互作用研究。

• 氣候變化對(duì)海浪特征影響研究。

5. 水產(chǎn)養(yǎng)殖：

• 監(jiān)測(cè)養(yǎng)殖區(qū)波浪狀況，保障養(yǎng)殖設(shè)施安全。