張建淵李燦燦郭世旭
(1.中國(guó)計(jì)量大學(xué)計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院 浙江 杭州 310018;2.武漢設(shè)計(jì)工程學(xué)院信息工程學(xué)院 湖北 武漢 430205)
錢塘江河口以氣勢(shì)磅礴、蔚為壯觀的涌潮聞名于世[1],但涌潮也是引起錢塘江兩岸毀堤成災(zāi)、涉水建筑物破壞的主要原因之一[2]。 故對(duì)涌潮檢測(cè)方法展開了諸多研究,常見的涌潮檢測(cè)方法多基于音頻、圖像視頻、流速和水位高度[3-5],以上幾種涌潮檢測(cè)方法由于環(huán)境因素影響和待測(cè)信號(hào)的局限性,往往達(dá)不到預(yù)期的檢測(cè)效果。 目前的潮涌預(yù)報(bào)方法有基于統(tǒng)計(jì)規(guī)律的經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)方法、非調(diào)和分析預(yù)報(bào)方法、江潮預(yù)測(cè)模型方法和水動(dòng)力學(xué)預(yù)報(bào)方法等[6]。 基于統(tǒng)計(jì)規(guī)律的預(yù)報(bào)方法是通過(guò)分析歷年各潮位站之間的漲潮時(shí)間、潮差、潮高和潮位參數(shù)之間的關(guān)系實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào),此方法根據(jù)歷史實(shí)測(cè)資料分析其中的規(guī)律進(jìn)行潮汐預(yù)報(bào),但容易受到風(fēng)力、風(fēng)向和河道變遷等因素影響,預(yù)報(bào)精度不高[7]。 潮汐非調(diào)和分析法是一種經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)方法,通過(guò)對(duì)太陽(yáng)和月亮相對(duì)于地球運(yùn)動(dòng)中的要素進(jìn)行分析,實(shí)現(xiàn)對(duì)高潮和低潮時(shí)間以及潮位的預(yù)報(bào)[8],在預(yù)報(bào)中結(jié)合我國(guó)農(nóng)歷使用非常方便。 但是,非調(diào)和法的預(yù)報(bào)比較粗略,預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度差[9]。 江潮預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)涌潮的方法,是在歷史觀測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,通過(guò)各種算法[10-12]去建立模型從而實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè),由于江河涌潮形成機(jī)理具有一定的海潮特性,具備很多不確定性因素,因此預(yù)測(cè)結(jié)果存在時(shí)效性較差的缺點(diǎn)。 水動(dòng)力學(xué)的涌潮預(yù)報(bào)方法是由一維連續(xù)性方程和動(dòng)量守恒方程推出涌潮傳播速度的計(jì)算方法[13],其測(cè)量的物理量偏多,故涌潮預(yù)報(bào)的成本較高。
邵衛(wèi)云等人[14]采用波浪力經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算涌潮壓力,認(rèn)為涌潮壓力的初始值可用淺水長(zhǎng)波理論和駐波理論來(lái)估計(jì),而實(shí)際值則在以波面為零值點(diǎn)的靜水壓力值附近波動(dòng);且在最初的數(shù)秒內(nèi),涌潮壓力近似呈振幅逐漸衰弱的正弦波形振動(dòng)。 甚低頻水聽器對(duì)微弱的壓力變化很敏感,利用其低頻特性可以測(cè)量到涌潮產(chǎn)生的水壓變化,故提出基于甚低頻水聽器進(jìn)行水壓檢測(cè)涌潮的方法。 涌潮檢測(cè)需要水聽器具有良好的低頻特性,而普通水聽器在測(cè)量甚低頻信號(hào)時(shí),壓電傳感器會(huì)泄漏部分電壓導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果失真。 目前最常見的辦法是利用實(shí)時(shí)補(bǔ)償數(shù)字濾波器來(lái)改進(jìn)傳感器的低頻特性[15-16],或者通過(guò)增加前置放大器的輸入阻抗擴(kuò)展低頻測(cè)量范圍[17-18]。
本文通過(guò)選取低噪聲的電子器件和增加前置放大電路輸入阻抗的方法,使得普通壓電水聽器具有甚低頻信號(hào)檢測(cè)能力。 將前置放大器裝配至壓電水聽器并進(jìn)行性能測(cè)試,證實(shí)水聽器在指定頻段內(nèi)有穩(wěn)定的頻率響應(yīng)和靈敏度。 最后利用甚低頻水聽器對(duì)涌潮壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè),根據(jù)測(cè)量所得的水壓信號(hào)推算出涌潮波高,并對(duì)水壓信號(hào)進(jìn)行波譜分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明涌潮低頻能量在涌潮潮頭到達(dá)前有明顯的變化,相較于傳統(tǒng)的涌潮檢測(cè)方法,在實(shí)際的涌潮檢測(cè)中具有一定的涌潮預(yù)測(cè)功能。
低頻測(cè)量系統(tǒng)最關(guān)鍵的部分是前置放大器,它通常決定整個(gè)系統(tǒng)的靈敏度。 一般壓電水聽器的傳感器都為壓電元件,其輸出阻抗都很高。 國(guó)內(nèi)715所[19]研制了一種專用于甚低頻壓電水聽器的超高輸入阻抗前置放大器,其核心元件為高輸入阻抗集成運(yùn)算放大器,輸入阻抗在工作頻率為0.01 Hz 時(shí)高達(dá)6 GΩ。 茹鴻菲等[20]設(shè)計(jì)了一種用于探測(cè)海洋甚低頻壓力波動(dòng)的甚低頻壓電水聽器,其前置放大器的輸入阻抗為500 MΩ,水聽器的低頻響應(yīng)達(dá)到了0.06 Hz,靈敏度為-166 dB。 對(duì)于甚低頻水聽器,提高前置放大器的輸入阻抗可明顯改善水聽器的低頻特性。 設(shè)計(jì)前置放大器首先要選擇低噪聲的半導(dǎo)體器件,由于場(chǎng)效應(yīng)管無(wú)柵極電流,輸入電阻大,其依靠多數(shù)載流子導(dǎo)電,并且相比晶體管輸入阻抗大,故輸入級(jí)電路采用JEFT 元件。 此外還需確定電路組態(tài)和合適的靜態(tài)工作點(diǎn),這里輸入級(jí)采用共源極放大電路,直流采用自偏壓電路,輸出級(jí)通過(guò)電壓負(fù)反饋調(diào)節(jié)使整個(gè)電路放大能力穩(wěn)定,其電路原理圖如圖1 所示。
圖1 前置放大器電路原理圖
其整體電路由兩級(jí)相似拓?fù)漕愋偷募?jí)聯(lián)電壓串聯(lián)反饋放大電路組成,圖1 中P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管與R0、R1、R2、R3和C1構(gòu)成輸入級(jí)電路,根據(jù)場(chǎng)效應(yīng)管共源放大電路微變等效電路,其G級(jí)與S級(jí)之間等效為UGS電壓源,故其前置放大電路整體電路輸入阻抗由輸入級(jí)電路中R1大小來(lái)決定。 本前置放大電路輸入阻抗設(shè)計(jì)值為1 GΩ,利用LTspice 對(duì)設(shè)計(jì)的前置放大器進(jìn)行輸入阻抗特性仿真,在0.01 Hz時(shí)輸入阻抗為998 MΩ,如圖2 所示。
圖2 前置放大器輸入阻抗特性
在靜態(tài)時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管的柵極電流為零,故電阻R1上沒有電流,柵極電位也為零;而漏極電流IDQ從R3流過(guò)必然產(chǎn)生壓降,且此時(shí)R3上端點(diǎn)電位為負(fù),選擇合適的R3阻值可使得柵極與源極的夾斷電壓VGS>0,導(dǎo)電溝道開啟,場(chǎng)效應(yīng)管處于恒流區(qū)。 其中R2、R3和R7、R8分別決定Q1、Q2的工作點(diǎn),反饋電阻與場(chǎng)效應(yīng)管的跨導(dǎo)gm共同決定了輸入級(jí)的放大倍數(shù),電路的具體參數(shù)如表1 所示。
表1 前置放大器電路元件參數(shù)
利用LTspice 對(duì)設(shè)計(jì)的前置放大器進(jìn)行幅頻特性仿真,如圖3 所示,圖中實(shí)線為幅值特性,虛線為相位特性,截止頻率下限低于0.01 Hz,放大效果在0.01 kHz~1 kHz 頻段內(nèi)穩(wěn)定,放大增益為38 dB。
圖3 前置放大器幅頻特性
在前置放大器裝配至水聽器進(jìn)行涌潮實(shí)測(cè)之前,需要對(duì)水聽器1 Hz 以下的甚低頻段的靈敏度進(jìn)行測(cè)量,確定水聽器工作頻帶的下限頻率。 靜水壓力法可以專門用來(lái)測(cè)量工作頻率范圍在0.01 Hz~1 Hz 的水聽器靈敏度,袁文俊,陳毅等人[21]研究設(shè)計(jì)了可以用來(lái)精確測(cè)量和分析低于1 Hz 頻率的甚低頻水聲聲壓的裝置。 本文采用GJB 8643-2015 中推薦的0.01 Hz~1 Hz 水聲聲壓標(biāo)準(zhǔn)裝置對(duì)水聽器在0.01 Hz~1 Hz 頻段的靈敏度進(jìn)行測(cè)試,如圖4 所示。
圖4 甚低頻壓電水聽器靈敏度測(cè)試示意圖
將水聽器固定在單位精確到mm 的行走機(jī)構(gòu)Z軸上,在水下一定深度靜置。 控制行走機(jī)構(gòu)帶動(dòng)傳感器在水池中于豎直方向做勻速往復(fù)運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)靜水壓力的不同頻率變化。 在同一運(yùn)動(dòng)距離下測(cè)試運(yùn)動(dòng)頻率在0.01 Hz~1 Hz 時(shí)水聽器的輸出電壓。 輸出電壓隨水聽器運(yùn)動(dòng)的測(cè)試結(jié)果如圖5 所示。
圖5 甚低頻壓電水聽器靈敏度測(cè)試輸出信號(hào)
如表2 所示,測(cè)量不同運(yùn)動(dòng)速度,換算成運(yùn)動(dòng)頻率為0.01 Hz~1 Hz。 根據(jù)靈敏度公式:
表2 甚低頻壓電水聽器隨運(yùn)動(dòng)速度變化的信號(hào)響應(yīng)
式中:Δp為水下壓力;Upp為水聽器輸出端的電壓幅值。測(cè)量0.01 Hz~1 Hz 頻段,計(jì)算該頻段內(nèi)傳感器的靈敏度在0.01 Hz 時(shí)為-171 dB,在0.1 Hz 時(shí)為-169 dB,在1 Hz 時(shí)為-168 dB,在低頻段保持穩(wěn)定的靈敏度,滿足涌潮檢測(cè)的甚低頻需求,其數(shù)值如圖6 所示。
圖6 甚低頻壓電水聽器靈敏度
對(duì)甚低頻水聽器前置放大器工作頻率范圍、靈敏度的測(cè)試,可以看出其前置放大電路的設(shè)計(jì),拓展了水聽器的下限截止頻率,能夠測(cè)量頻率范圍在0.01 Hz~10 Hz 的低頻信號(hào)。 使用甚低頻水聽器對(duì)涌潮引起的的水壓變化進(jìn)行測(cè)量,采用小振幅波動(dòng)理論[22]將水壓與水面波高進(jìn)行換算,以波高作為涌潮強(qiáng)度的判斷依據(jù),通過(guò)漲潮過(guò)程的水面波浪譜以及波浪能量的分析可以看出水聽器測(cè)量涌潮時(shí)差在30 s 以內(nèi),相較于傳統(tǒng)檢測(cè)涌潮方法能夠進(jìn)行準(zhǔn)確的潮位測(cè)量。
涌潮是水位、流速等要素急劇變化的潮波前峰,其水面破碎,俗稱潮頭[23]。 由于甚低頻壓電水聽器的低頻響應(yīng)達(dá)到0.01 Hz,即針對(duì)周期為100 s 的信號(hào)進(jìn)行測(cè)量時(shí)結(jié)果較精確,因此本文主要記錄涌潮中第一個(gè)“潮頭”產(chǎn)生水位變化時(shí)水壓的動(dòng)態(tài)變化。實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)為浙江省杭州市錢塘江江邊之江大橋附近,參考潮汐變化規(guī)律和天氣情況,選擇2020 年6月5 日~11 日(農(nóng)歷四月十四至二十)[24]進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在錢塘江堤壩上無(wú)護(hù)欄處搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái),堤壩面與靜水面距離約10 m,水深約4 m~5 m,將傳感器用支架與重物固定在江底,以減少傳感器隨潮水?dāng)[動(dòng)而引起的誤差。 傳感器輸出信號(hào)通過(guò)電纜連接至采集卡與計(jì)算機(jī),由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、記錄與后期處理。 涌潮測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖7 所示。
圖7 涌潮檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖
涌潮檢測(cè)的過(guò)程可以分為涌潮出現(xiàn)、涌潮接近、涌潮遠(yuǎn)離。 首先涌潮出現(xiàn)即在測(cè)量點(diǎn)上游處距離壓電傳感器約1 km 處出現(xiàn)涌潮前鋒,此時(shí)傳感器正上方水面狀態(tài)處于靜水面,計(jì)算機(jī)上可以看到有微弱的電壓變化,該信號(hào)對(duì)應(yīng)風(fēng)浪引起的水面波動(dòng);當(dāng)涌潮接近時(shí),即“一字潮”運(yùn)動(dòng)至壓電傳感器的正上方,計(jì)算機(jī)上會(huì)看到電壓開始有明顯的起伏變化,該信號(hào)為涌浪變化引起的水壓變化所產(chǎn)生;最后涌潮繼續(xù)向前移動(dòng),即“一字潮”遠(yuǎn)離時(shí),漲潮導(dǎo)致產(chǎn)生一系列水面破碎,計(jì)算機(jī)上可以看到電壓保持明顯起伏變化,該信號(hào)對(duì)應(yīng)由漲潮產(chǎn)生的后續(xù)波浪。圖8是2020 年6 月5 日~11 日(農(nóng)歷四月十四至二十)連續(xù)7 天利用甚低頻壓電水聽器測(cè)量的錢塘江漲潮時(shí)“潮頭”水壓的變化過(guò)程。
圖8 2020 年6 月5 日~11 日涌潮水壓實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)
涌潮高度是指潮波前端水面以上直立的水體,是衡量涌潮強(qiáng)弱的指標(biāo)[25]。 由于水聽器測(cè)量得到的水壓無(wú)法直觀看出涌潮高度變化,因此采用小振幅波動(dòng)理論對(duì)水波高度變化進(jìn)行計(jì)算:
式中:P為壓電傳感器測(cè)得的水壓幅值,ρ為水密度,g為重力加速度,a為水面涌潮高度,k為波數(shù)且k=2π/λ,d為水深,z為壓電傳感器距離水面的深度。 代入實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地參數(shù),壓電水聽器處于水底,則z=d≈10m,通過(guò)檢測(cè)可知涌潮周期T≈100s,潮水前進(jìn)速度v≈3m/s,因此波數(shù)k=2π/λ=0.02,此時(shí)式(2)可簡(jiǎn)化為:
水面波浪理論研究中常用余弦函數(shù)作為波面方程,對(duì)轉(zhuǎn)換計(jì)算得到的涌潮高度進(jìn)行非線性擬合。
式中:A、ω、t0、y0分別代表波高幅值、角頻率、時(shí)間偏差以及波高偏差。 擬合后相關(guān)系數(shù)均大于0.9,系數(shù)范圍分別在0.026~0.1、0.037~0.08、34.24~64.5、0.03~0.14 之間,圖9 是轉(zhuǎn)換得到的涌潮高度及其擬合函數(shù),圖中散點(diǎn)為轉(zhuǎn)換得到的涌潮高度,實(shí)線為擬合結(jié)果。
圖9 錢塘江涌潮波高及擬合結(jié)果
表3 為上述7 天涌潮波高和周期測(cè)量結(jié)果匯總,在目前已有的錢塘江測(cè)流研究中,錢塘江涌潮高度在實(shí)際情況中也在一定范圍動(dòng)態(tài)變化,因此該計(jì)算結(jié)果存在一定的誤差僅能用于涌潮強(qiáng)度初步估計(jì)。 由以往錢塘江漲潮自然規(guī)律可知,一個(gè)農(nóng)歷月中每天的潮汛大小不同,其中農(nóng)歷十八時(shí)為最大,即測(cè)量結(jié)果與該自然規(guī)律是一致的。
表3 錢塘江水位變化周期、實(shí)測(cè)涌潮高度以及預(yù)報(bào)涌高
計(jì)算得到的實(shí)際測(cè)量涌高與預(yù)報(bào)涌高線性相關(guān),R2系數(shù)為0.9,即實(shí)測(cè)結(jié)果與預(yù)報(bào)相關(guān)性為90%,實(shí)際測(cè)量結(jié)果與擬合結(jié)果之間的殘差平方和[26]約為0.03。 證明超汛期內(nèi)甚低頻壓電水聽器測(cè)量得到的潮水涌高與杭州水務(wù)官網(wǎng)發(fā)布的預(yù)報(bào)涌高有可信度較高的相關(guān)性,測(cè)量涌高值偏小可能由于測(cè)量地點(diǎn)靠近江岸,受測(cè)量環(huán)境限制與防波堤等沿江建筑影響。
由于涌潮波高只能判別涌潮強(qiáng)度,無(wú)法對(duì)涌潮時(shí)效性作進(jìn)一步判斷,故對(duì)涌潮壓力信號(hào)進(jìn)行波譜分析。 錢塘江的水面可以看作連續(xù)的隨機(jī)波浪,通過(guò)譜分析的方法對(duì)定點(diǎn)測(cè)量記錄的涌潮壓力變化進(jìn)行信號(hào)處理得到對(duì)應(yīng)的波浪譜[27]。 將壓電水聽器連續(xù)測(cè)量的水壓p(t)看做是弱平穩(wěn)的隨機(jī)過(guò)程,則可以計(jì)算得到它的自相關(guān)函數(shù)為:
根據(jù)維納-辛欽定理,對(duì)于弱平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程,自相關(guān)函數(shù)和譜密度函數(shù)之間存在傅里葉變換的關(guān)系,即:
由甚低頻水聽器測(cè)量的水壓信號(hào)是一定間隔時(shí)間的離散信號(hào)P1,P2,P3,…,Pn,則由下式計(jì)算相關(guān)函數(shù)和譜密度函數(shù):
選擇30min測(cè)量時(shí)長(zhǎng)反映漲潮過(guò)程中甚低頻壓電水聽器測(cè)量的水面波動(dòng)情況,將測(cè)量記錄的數(shù)據(jù)樣本按30s為一組進(jìn)行譜分析,圖10 為測(cè)量漲潮時(shí)段水壓信號(hào)對(duì)應(yīng)的時(shí)頻圖,X 軸為測(cè)量時(shí)刻的絕對(duì)時(shí)間,Y 軸是0.5Hz~10Hz頻率范圍的波浪能量譜。
從圖10 中可以看出涌潮的波浪能量主要分布在低于2Hz的低頻段,隨著涌潮向前推進(jìn),對(duì)應(yīng)其到達(dá)測(cè)量點(diǎn)的時(shí)刻能量的分布迅速向高頻段延伸,低頻部分的能量也有明顯增加。 在涌潮到達(dá)水聽器前的3分鐘內(nèi),低頻段的能量已經(jīng)開始逐漸增加,同時(shí)對(duì)比7 天的測(cè)量結(jié)果也可以看出,潮汛較大時(shí)整體能量均有所增加,在農(nóng)歷十六至農(nóng)歷十八大潮汛期間,涌潮到達(dá)水聽器之后的幾分鐘內(nèi)2Hz~10Hz部分的能量依然保持在較高的水平。 在農(nóng)歷十九至農(nóng)歷二十小潮汛時(shí),潮頭水面陡度極小,甚至人工觀測(cè)無(wú)法直接觀測(cè)到,但涌潮到達(dá)時(shí)傳感器仍能測(cè)到其能量變化。
圖10 2020 年6 月5 日-11 日涌潮波浪譜時(shí)頻圖
對(duì)測(cè)量得到的涌潮能量譜進(jìn)行積分,計(jì)算得到10Hz以下的平均能量,對(duì)涌潮抵達(dá)時(shí)刻的波能量峰值進(jìn)行比較,結(jié)果如圖11 所示。 可以看出這7 天的涌潮波能量變化與之前測(cè)量的涌潮高度是相對(duì)應(yīng)的,在農(nóng)歷十八最大,農(nóng)歷十八之前和之后每一天的潮汛會(huì)逐漸依次減小。 除此以外能量的峰值出現(xiàn)時(shí)刻也能夠與涌潮到達(dá)測(cè)量點(diǎn)的絕對(duì)時(shí)間對(duì)應(yīng),每天涌潮到達(dá)時(shí)刻與前一天相比晚到半小時(shí)左右。 通過(guò)漲潮過(guò)程的水面波浪譜以及波浪能量的分析可以看出利用甚低頻壓電水聽器對(duì)涌潮進(jìn)行測(cè)量時(shí)產(chǎn)生的時(shí)差在30s以內(nèi)。 目前天文總站使用隔日預(yù)報(bào)的方法,其隔日預(yù)報(bào)方法的依據(jù)是海潮的天文規(guī)律,即通過(guò)前一天涌潮到達(dá)各個(gè)站點(diǎn)的時(shí)間預(yù)報(bào)該天涌潮到達(dá)的時(shí)間。 相較于隔日預(yù)報(bào)方法,通過(guò)波高和波能雙參數(shù)能夠?qū)τ砍睆?qiáng)度和到達(dá)時(shí)間進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。
圖11 涌潮抵達(dá)時(shí)刻的波能量的比較
本文將壓電水聽器應(yīng)用于涌潮檢測(cè),針對(duì)涌潮甚低頻信號(hào)探測(cè)的需求,以及壓電水聽器在用于甚低頻信號(hào)檢測(cè)時(shí)存在測(cè)量失真的問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一種下限頻率低至0.01Hz的甚低頻前置放大器。 在錢塘江邊進(jìn)行涌潮信號(hào)定點(diǎn)連續(xù)監(jiān)測(cè),根據(jù)測(cè)量得到的水壓信號(hào)推算出涌潮波高,利用波譜分析,對(duì)比七天測(cè)量結(jié)果,發(fā)現(xiàn)潮汛與檢測(cè)到的能量有正相關(guān)關(guān)系,其中農(nóng)歷十六至十八潮水較大的3 天,涌潮之后的幾分鐘內(nèi)2Hz以上部分的能量依然保持在較高的水平。 在農(nóng)歷十九至二十潮水較小時(shí),潮頭水面陡度極小,肉眼已無(wú)法直接觀測(cè)到,但利用甚低頻壓電水聽器仍可測(cè)到潮水能量變化。 此外,涌潮到達(dá)水聽器所在位置前3min時(shí),低于1Hz的能量開始逐漸增加,這為甚低頻壓電水聽器能夠提前測(cè)量到涌潮到達(dá)信號(hào)提供有效依據(jù)。 對(duì)比江潮自然規(guī)律和水務(wù)官網(wǎng)預(yù)報(bào)數(shù)據(jù),證實(shí)了設(shè)計(jì)的甚低頻壓電水聽器在涌潮檢測(cè)中應(yīng)用的實(shí)時(shí)性和可行性。