壓力式波高儀是一種通過測(cè)量水底壓力變化來推算水面波高的海洋觀測(cè)儀器。它是波浪測(cè)量中應(yīng)用非常廣泛的一種設(shè)備。

工作原理：

1. 水壓與水深的關(guān)系： 在靜水中，水底某一點(diǎn)的壓力（P）主要由該點(diǎn)上方的水柱重量決定，即 P = ρgh。其中：

• ρ 是水的密度

• g 是重力加速度

• h 是水深（從水面到壓力傳感器的垂直距離）

2. 波浪引起的水壓變化： 當(dāng)波浪經(jīng)過時(shí)，水面高度（η）隨時(shí)間（t）變化。這導(dǎo)致傳感器上方的水柱高度（h + η）也發(fā)生變化，從而引起水底壓力發(fā)生動(dòng)態(tài)變化。

3. 從壓力到波高： 壓力傳感器記錄的是隨時(shí)間變化的總壓力 P(t)。這個(gè)總壓力可以分解為：

• 對(duì)于長波（波長 L 遠(yuǎn)大于水深 h），水體的運(yùn)動(dòng)幾乎是垂直的，水底壓力變化幾乎等于水面波高引起的靜水壓變化，即 K? ≈ 1。

• 對(duì)于短波（波長 L 小或與水深 h 相當(dāng)），水體的運(yùn)動(dòng)軌跡是橢圓形的，水底壓力波動(dòng)會(huì)隨著水深增加而衰減。衰減程度由雙曲余弦函數(shù)決定：K? = 1 / cosh(kh)。其中 k = 2π/L 是波數(shù)。

• 靜水壓力部分 (P??????)： 對(duì)應(yīng)平均水深（h）的壓力，P?????? = ρgh。

• 波動(dòng)壓力部分 (P???g?)： 由水面波動(dòng)（η）引起的動(dòng)態(tài)壓力變化，P???g?(t) = ρgη(t) * K?。

• 傳遞函數(shù) (K?)： 這是一個(gè)關(guān)鍵的因子，表示動(dòng)態(tài)壓力幅值與實(shí)際波高幅值之間的比例關(guān)系。K? 小于 1，并且與波浪的波長 (L) 和水深 (h) 密切相關(guān)。

4. 反演波高： 通過測(cè)量得到的總壓力 P(t)，減去已知的平均靜水壓力 P??????（需要知道平均水深 h），得到波動(dòng)壓力 P???g?(t)。然后，利用傳遞函數(shù) K? 進(jìn)行校正（通常需要知道或估計(jì)波浪的波長或頻率），即可計(jì)算出水面的瞬時(shí)波高 η(t)：
   η(t) = P???g?(t) / (ρgK?)

主要組成部分：

1. 壓力傳感器： 核心部件，通常采用高精度、高穩(wěn)定性的傳感器（如壓阻式、壓電式、電容式），將水壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

2. 保護(hù)外殼： 防水、耐壓、耐腐蝕的殼體，保護(hù)內(nèi)部傳感器和電子元件免受海水侵蝕和水壓破壞。

3. 信號(hào)處理單元： 對(duì)傳感器輸出的微弱電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波（去除高頻噪聲）、數(shù)字化（模數(shù)轉(zhuǎn)換）。

4. 數(shù)據(jù)記錄/傳輸單元： 存儲(chǔ)處理后的壓力數(shù)據(jù)，或通過電纜、無線方式（聲學(xué)、無線電）將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)桨墩?平臺(tái)。

5. 安裝固定裝置： 如錨鏈、支架、沉塊等，確保儀器穩(wěn)定地固定在海底預(yù)定位置。

6. 電纜（如有線式）： 用于供電和數(shù)據(jù)傳輸。

優(yōu)點(diǎn)：

• 安裝相對(duì)簡單： 通常只需固定在海底，不需要伸出水面或復(fù)雜的海上結(jié)構(gòu)。

• 隱蔽性好，不易損壞： 位于水下，受海面惡劣天氣（風(fēng)暴、浮冰）、船只撞擊、人為破壞的影響較小。

• 成本相對(duì)較低： 相比于一些需要大型浮標(biāo)或復(fù)雜平臺(tái)的測(cè)波儀（如測(cè)波雷達(dá)、加速度計(jì)式浮標(biāo)），成本通常較低。

• 長期穩(wěn)定性較好： 現(xiàn)代傳感器性能穩(wěn)定，適合長期定點(diǎn)觀測(cè)。

• 可測(cè)量方向性波浪： 單點(diǎn)壓力測(cè)量無法直接區(qū)分方向，但通過陣列布置或結(jié)合其他信息（如流速）可以反演方向譜。

• 抗惡劣海況能力強(qiáng)： 不易受破碎波、飛濺水的直接影響。

缺點(diǎn)和局限性：

• 短波測(cè)量精度受限： 對(duì)短波（高頻波）的響應(yīng)衰減嚴(yán)重（K? 很小），導(dǎo)致測(cè)量精度下降，甚至無法有效測(cè)量非常短的波浪（如毛細(xì)波、小風(fēng)浪）。需要精確的 K? 進(jìn)行校正。

• 需要水深信息： 計(jì)算波高必須知道傳感器上方的平均水深 h（用于計(jì)算 P?????? 和 K?）。水深變化（如潮汐）需要同步測(cè)量和校正。

• 需要波浪頻率/波長信息進(jìn)行校正： 為了準(zhǔn)確計(jì)算 K?，需要知道波浪的主要頻率或波長。這通常通過對(duì)壓力時(shí)間序列進(jìn)行頻譜分析來獲得。

• 受安裝位置影響： 必須安裝在硬質(zhì)、平坦的海底。淤泥或不平整的海底會(huì)影響壓力測(cè)量的準(zhǔn)確性。離岸距離和水深變化會(huì)影響波浪特性。

• 不適用于破碎波區(qū)： 在波浪劇烈破碎的區(qū)域，水體強(qiáng)烈摻氣，壓力-波高關(guān)系變得非常復(fù)雜且不準(zhǔn)確。

• 需要潮位校正： 潮汐引起的水深變化需要實(shí)時(shí)或事后進(jìn)行校正，才能得到準(zhǔn)確的波高值（相對(duì)于某個(gè)基準(zhǔn)面）。

• 可能受海流影響： 強(qiáng)海流引起的動(dòng)壓在理論上也會(huì)影響傳感器讀數(shù)，但在實(shí)際波浪測(cè)量中通常影響較小或可忽略。

應(yīng)用場(chǎng)景：

• 實(shí)驗(yàn)室波浪水槽和水池的波高測(cè)量。

• 港口、碼頭、防波堤附近的波浪監(jiān)測(cè)。

• 近岸工程（如海岸防護(hù)、海堤、離岸平臺(tái)基礎(chǔ)）的波浪荷載和環(huán)境監(jiān)測(cè)。

• 海洋觀測(cè)站、浮標(biāo)系統(tǒng)的波浪長期連續(xù)觀測(cè)。

• 疏浚、填海等海洋工程作業(yè)的環(huán)境監(jiān)測(cè)。

• 水動(dòng)力模型驗(yàn)證的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集。

總結(jié)：

壓力式波高儀是一種成熟、可靠、成本效益較高的波浪測(cè)量工具，尤其適用于長周期波的測(cè)量和長期定點(diǎn)觀測(cè)。其核心挑戰(zhàn)在于對(duì)短波的衰減效應(yīng)，必須通過精確的傳遞函數(shù) (K?) 進(jìn)行校正，這依賴于對(duì)當(dāng)?shù)厮詈筒ɡ祟l譜的了解。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的測(cè)量目的（關(guān)注長波還是短波）、環(huán)境條件（水深、海況）和精度要求，來選擇是否使用壓力式波高儀或考慮其他類型的測(cè)波設(shè)備（如超聲波式、雷達(dá)式、加速度計(jì)式浮標(biāo)、激光式等）作為補(bǔ)充。