基于準實時傳輸潛標的國產溫鹽深儀對比分析

任 強，倪煜淮，李延剛，于 非

（1.中國科學院海洋研究所，山東 青島 266071；2.中國科學院海洋環流與波動重點實驗室，山東 青島 266071；3.海軍參謀部軍事海洋環境建設辦公室，北京 100141；4.自然資源部東海預報減災中心，上海 200137）

進入21 世紀，我國加強了對海洋觀測研究的投入，對海洋動力和生化環境的直接觀測能夠為海洋水文和生態環境研究、海洋經濟開發資源與保護，以及國防軍事安全等方面提供支撐。海洋現場測量一直是海洋科學研究的最重要的手段之一，隨著科學研究的深入，提出了對海洋進行實時、快速、高準確度和長期穩定連續觀測的需求。因此，發展各類型的國產海洋設備對海洋環境的觀測和研究具有重要意義。

潛標工作于水下，測量水下參數，可以與海面浮標形成互補，實現對海洋環境的立體觀測，是海洋環境監測中最可靠、最準確的手段之一。潛標受海面異常天氣條件影響和人為破壞影響小，在觀測數據質量，以及海上環境監測和預報上具有顯著的優勢，可為深海海洋動力環境預報與海洋軍事環境保障提供實時資料支撐。潛標技術是20 世紀50 年代初首先在美國發展起來的。隨后，英國、法國、俄羅斯、日本、德國和加拿大等國也相繼開展研究和應用。美國從20 世紀60 年代初開始，在若干海域布設潛標系統，并將潛標系統進行軍事和海洋開發服務。另外，在各種重大的國際合作研究項目中，也常常布放大量的潛標系統。我國于20 世紀70 年代開始海洋潛標技術研究，隨后國家海洋局于1982 年正式立項研制了千米測流潛標系統，并進行了一系列試驗，之后經過20 多年的發展，我國自主潛標觀測技術取得了突飛猛進的發展，目前已逐步步入國際先進地位。

CTD 是最基本的也是最重要的觀測海洋動力環境要素的設備[1-4]，長期以來在我國大多數的海洋調查使用場景中，包括錨系潛標、海床基、走航測量及Argo 等平臺使用的CTD 基本上采用進口設備。而我國在20 世紀50 年代就開始了國產溫鹽深儀的研制工作，近年來，基于技術水平的突破和積累的需要，我國加大了對自主CTD 設備的研發力度，先后研制成功了各類型包括剖面高精度CTD、拋棄式CTD、拖曳式CTD 和自容式CTD 等[5]。目前國內外已經開展了諸多CTD 的比測試驗[6-10]，20 世紀80年代，GYTRE T 等[11]對小型CTD 和Neil Brow CTD進行了比較研究；在CTD 技術快速發展的20 世紀90 年代，加拿大Bedford 海洋研究所HENDRY R M等[12]對SBE 9、Mark II、Guildline Instruments 8737及顛倒溫度計等多種型號CTD 進行了較為全面的對比研究。在國內也有許多學者針對國產的CTD開展了比測工作，比如程邵華等[1]、張兆英[2]分別對國產高精度CTD 和SZC15-2型CTD 進行了比對，近期有雷發美等[9]對國內兩家單位的多臺CTD 開展了剖面比測，任強等[10]開展了多種CTD 的坐底式長期觀測比對，對設備的性能穩定性有了詳細的評估。蘭卉等[13]開展了表層走航溫鹽儀的設計和試驗，這些比測工作驗證了國內儀器的性能，同時對后續的CTD 精度的改進和提高起了一定的作用。但是目前國內開展的國產CTD 比測試驗工作大多是針對剖面CTD 和拋棄式CTD 等，在錨系潛標平臺開展的深海比測非常少，因此在該類水下平臺開展的針對性比對試驗具有非常重要的意義。

隨著海洋環境預報和海洋環境安全保障需求的提高，對海洋環境數據的實時獲取要求不斷提升，準實時傳輸潛標技術開始被海洋科學家所提出，在“十三五”期間，科技部重點研發專項開展了準實時傳輸潛標的研制，并進行了大深度長距離的溫鹽深測量技術的研發，成功研制了7 000 m 級的CTD。與此同時，中國科學院海洋研究所聯合國家海洋技術中心，在潛標平臺上開展了多組不同深度的感應耦合CTD 與進口CTD 的比對。本文基于該比對試驗獲取的數據開展分析，探討國產CTD 的長期穩定性能，為該類儀器的國產化應用等提供一定基礎。

1 比測背景和儀器說明

1.1 海上比測區域及背景

依托自然資源部東海分局“向陽紅19”科考船組織的共享航次，中國科學院海洋研究所于2020年5 月22—27 日在西太海域部署了一套國產準實時傳輸潛標開展試驗性應用，本次海上應用的國產溫鹽深儀為國家海洋技術中心研制的耦合傳輸自容式溫鹽深儀，該潛標為科技部支持下完全自主研發的國產準實時傳輸潛標，所有的溫鹽儀器設備均采取耦合傳輸模式，固定時間通過北斗衛星發回數據，實現準實時傳輸的物理水文環境背景參數的觀測。潛標布放區域為海洋中尺度渦旋高發區，海洋上層溫鹽結構不穩定，溫鹽變化范圍大。因而在此類區域開展儀器的比測試驗對儀器性能的檢定創造了有利條件，可以在高海況情況下驗證國產設備各項性能指標。

1.2 CTD 性能指標對比

錨定平臺輕小型感應傳輸CTD（Inductive CTD，ICTD）是海洋立體觀測中重要的剖面測量設備，其適用于浮標、潛標、鉆井平臺、大型海洋作業船等各類海洋觀測、監測平臺及海洋工程裝備配套觀測使用。ICTD 采用電磁感應原理實現水下溫鹽深測量數據傳輸，是水下實時監測技術研究中一個重要發展方向。ICTD 可以在惡劣的海洋環境下實現無人值守的全天候、全天時長期連續定點剖面觀測，同時在任何需要測量數據的時段將數據回傳至主控平臺，大大提高了系統的可操作性。因此，ICTD 作為實時傳輸潛標最重要的配套設備之一，其具有較高的測量準確性和穩定性，為國產CTD（C-CTD）技術的發展提供了重要力量，也為海洋預報、海洋環境的監測和海洋科學理論研究等具有重要作用。

ICTD 儀器通過塑包鋼纜掛裝在潛標平臺，采用通用RS232 接口，數據實時采集傳輸。表1 為C-CTD 與進口的海鳥CTD（SBE-CTD）測量技術指標的對比，表中所示的C-CTD 為“十三五”立項初期的儀器指標，經過近幾年的升級改進，到“十四五”期間，C-CTD 的技術指標已經與SBE-CTD技術指標基本完全一致。從表1 中可以發現，各個傳感器的測量范圍基本一致，其中壓力傳感器的測量準度沒有區別，C-CTD 的溫度傳感器和電導率傳感器的測量準度僅有細微差別。對于海洋中上層來說，此類傳感器準度和測量量程完全可以滿足對海洋環境變化的監測。

表1 國產CTD 和SBE-CTD 測量技術指標

2 比測方法及數據處理

海上比測儀器C-CTD 與SBE-CTD 分為三組，其中C-CTD 固定的安裝在錨系潛標設計水深100 m、200 m 和500 m 處（圖1），同時在其附近裝有SBECTD，型號為SBE 37，但是在初始試驗中兩者的安裝距離沒有嚴格限制在某一個數值。同時兩種類型的儀器所設置的采樣指標均為10 min。由于實際海洋的溫鹽壓等參數受渦旋、流場及水團等帶來的影響而在實時變化，對于對比的儀器來說時鐘嚴格的統一關系到采樣的同步性問題，在劇烈變化的背景下，只要時間不同步就會產生采樣的不同步造成所測值不一致而出現的較大偏差。因此，在原始的數據中可清晰地看到采樣的不同步性，在后期的數據處理中，對數據進行了對齊處理。另外，對兩者數據按照數據處理流程進行了包括異常值處理等的嚴格質量控制而保證比測數據的真實可靠性。

圖1 國產準實時傳輸潛標結構組成圖

誤差和相關系數計算采用如下公式[11，14]。

式中，u為平均誤差；xi和yi為兩組儀器的測量值；n為數據長度；R為相關系數，可表示兩種變量之間的相關關系密切程度，系數取值為[-1，1] 區間。

3 比測結果分析

圖2 和圖3 為兩型CTD 所測得的壓力和兩者的壓力差值。從圖2 的壓力對比中可以發現潛標受流場的影響有明顯的日變化，壓力的變化幅度超過50 m。盡管系統變化劇烈，但是從圖中可以看到三組C-CTD 與SBE-CTD 所測得的壓力從曲線上幾乎看不出差別，根據相關系數公式（2）計算，三組壓力數據的相關系數等于1，基本滿足嚴格的線性關系，說明數據吻合度極高。圖3 的三組壓力差值結果可看到兩者測量值有一定的區別，三組壓力差的均值分別為0.43 m、1.75 m 和-0.33 m，這是由于安裝位置出現的位置所造成，其壓力差的標準差分別為0.13，0.09 和0.07 m。壓力的劇烈變化并未對兩者所測得的壓力差值造成明顯影響，說明所測得的壓力數據的穩定性非常好。

圖2 C-CTD 與SBE-CTD 測得的壓力數據對比圖

圖3 C-CTD 與SBE-CTD 測得的壓力差數據對比圖

圖4 為三組測得的溫度時間序列，其直接測量結果看不出溫度測量差別，溫度表現為一致的變化，根據相關系數公式計算，三組溫度數據的相關系數也都等于1，表明了溫度數據的匹配程度非常高。對三組不同深度上的溫度測量值求溫度差值，圖5 表示的是測量差值結果，結果表明兩者的差值數據整體比較穩定，但是在溫度變化較大的時刻所測的溫度差相對較大，比如第一組最大差值達到了0.15 ℃，經過計算三組溫度差的平均值分別為0.001 ℃、-0.03 ℃和0.026 ℃?？梢钥闯?，第一組的溫度差最小，主要是由于安裝位置最為接近且時間調校高度匹配的原因，因此測量的溫度基本上一致。第二組和第三組的溫度差均超過0.02 ℃，分析其可能的原因是在潛標受流的影響下在短時間內潛標整體向下運動，這個運動可以從壓力數據可以清楚地反映這一變化，由于兩種CTD 的系統時間并沒有嚴格的統一，盡管已經進行了時間校正，但是仍然無法完全消除這一影響。采樣的不同步性加上潛標的上下移動會導致兩組測量值不是測量的同一水團，并且由于儀器安裝位置會有一定的距離，因而其測量結果會出現一定的偏差?？紤]到潛標在穩定時刻的比對更具有意義，因此本文僅統計溫度較為穩定的時間段內，三組C-CTD 和SBE-CTD 之間的平均溫度差最小僅為0.001 ℃，可以說幾組CCTD 的溫度傳感器測量性能基本上沒有區別，與SBE-CTD 表現相同。

圖4 C-CTD 與SBE-CTD 測得的溫度數據對比圖

圖5 C-CTD 與SBE-CTD 測得的溫度數據差值對比圖

鹽度直接測量結果（圖6）也表明了測量的高度一致性，相關系數的計算結果為1，其中第一組和第二組吻合度相對于第三組來說要更好。鹽度差值的波動與溫度數據類似，也是在變化劇烈的時刻出現了測量差值的相對較大的波動，其測量的不同步性是其差異的原因之一。但是另外一方面，我們可以看到SBE-CTD 的測量結果整體相對穩定，而C-CTD 則會出現細小的波動，特別是在第三組可以看出來。分析其原因可能如下，SBE-CTD 采用的型號是7 000 米級的SBE 37，該型CTD 電導率傳感器帶有泵從而保證所測水樣的穩定性和同一性，最大程度地減少了鹽度尖峰現象[15-17]的出現，從而數據較為穩定，這也是該型儀器的優勢所在。對于本次參與比測的C-CTD 來說，為了完成潛標的準實時傳輸功能，所有溫鹽測量儀器都采用感應耦合模式，沒有泵結構，因此由于各個傳感器響應時間的不一致，在溫度變化較為劇烈的時刻的鹽度測量值容易出現鹽度尖峰，其表現為異常的跳點。但是在系統穩定的時刻，其測量值與SBE-CTD 相比仍然小，具有較高的精度。對每組鹽度求差值（圖7），三組鹽度差的均值分別為-0.006 psu、-0.006 psu 和-0.001 psu，也說明了兩者鹽度傳感器性能高度一致。

圖6 C-CTD 與SBE-CTD 測得的鹽度數據對比圖

圖7 C-CTD 與SBE-CTD 測得的鹽度數據差值對比圖

根據以上分析總體來說，不同深度的C-CTD其直接測得的壓力、溫度和鹽度與SBE-CTD 相比都表現出了高度的一致性。C-CTD 的性能指標基本上達到了國外同類型產品的水平，其壓力、溫度和電導率傳感器能夠完全滿足復雜海洋背景下對動力環境的觀測。

4 結 論

高精度的溫鹽深測量儀是實現海洋動力環境背景要素長期連續穩定觀測的重要手段之一，其國產化的研制與應用對提升我國海洋技術裝備及科研水平等具有重要的支撐作用。而長期以來，基于深海潛標平臺的多深度與長時間序列的CTD 比測工作仍然缺乏。本文基于“十三五”期間的科技部重點研發的準實時傳輸潛標平臺搭載的三組C-CTD 與進口的SBE-CTD 所獲取的數據進行了詳細的比對分析。比測儀器布放在100 m、200 m 和500 m 的深度上，共進行了采樣間隔為10 min 的為期6 天的測量，比測過程中的潛標平臺本身受流的影響上下浮動超過了50 m。比測結果表明了在復雜的海洋環境背景下，國產CTD 所測得的溫鹽深數據與SBECTD 數據具有高度的一致性。其中在潛標較為穩定的時刻，兩者的平均溫度差最小為0.001℃，平均鹽度差最小為0.001 psu，根據標準規范，表明國產CTD 的傳感器的性能基本上達到了國外同類型產品，其完全能夠滿足高海況下的海洋環境監測。下一步工作將繼續對國產CTD 進行更長時間序列的比對，以進一步驗證各個傳感器性能和長期穩定性等。國產CTD 的研制與逐步市場化應用也標志著我國海洋科技水平的進步，對提高海洋觀測能力，促進海洋基礎科學研究的發展具有積極的作用。