投弃式海洋仪器设备发展现状

石新刚 苏强

(第七一四研究所，北京，100012)

投弃式海洋仪器设备发展现状

石新刚 苏强

(第七一四研究所，北京，100012)

从投弃式海洋仪器设备的分类、测量原理、系统工作原理谈起，阐述了国内外发展现状，对比了国内外投弃式海洋仪器设备的主要差距，总结了我国需要加强研究的方向。

投弃式海洋仪器设备；测量原理；系统工作原理；国内外差距

投弃式海洋仪器设备是一种一次性使用，可在搭载平台（船、飞机、潜艇等）航行状态下进行海洋环境参数剖面测量的仪器设备，它具有实时、快速、大面积和低成本的特点，广泛应用于海洋调查、科学研究及军事海洋领域。

1 关键技术及其分类

投弃式海洋仪器设备虽经过多年的发展，但关键技术仅美日等少数国家掌握，可能的关键技术有绕线技术、信号处理技术、浮筒数据动态数传技术等。经过多年的发展，投弃式海洋仪器设备已经拥有船载、机载和潜艇载三大系列，每个系列又可按照测量要素分为温深仪、温盐深仪、海流计和声速仪。图1中，XBT为船载投弃式温深仪，XCTD为船载投弃式温盐深仪，XSV为船载投弃式声速仪，XCP为船载投弃式海流计；名称以A开头的为机载系列，以SS开头的为潜艇载系列。

图1 投弃式海洋仪器设备分类

2 测量原理

2.1 投弃式温盐深（温深）仪测量原理[1-3]

投弃式温盐深（温深）仪是通过热敏电阻进行温度测量，通过四电极法或电磁感应法进行电导率测量，通过探头下降的速度和时间计算海水深度。

2.2 投弃式海流计测量原理[4-5]

海水在流动中会切割地磁场磁力线，并产生感生电动势和感生电场，在地磁场稳定的情况下，电动势的大小主要取决于海流速度。因此，通过测量海水感生电动势的大小就可以得到海水流速信息，感生电动势通过探头携带的电极测量得到。投弃式海流计就是基于该原理设计的，属于电磁海流计的一种。

2.3 投弃式声速仪测量原理

投弃式声速仪采用环鸣法（即脉冲循环法）传感器进行声速测量，并且通过探头下降的速度和时间来计算海水深度。

3 系统工作原理

3.1 船载投弃式系统工作原理

韭菜炒鸡蛋做了整整热气腾腾的一大盘子。我也没客气，便风卷残云般地一气吃了个底朝上。吃罢抹了一把嘴，似乎便一切万事俱备，只欠东风了。

船载投弃式包括船载投弃式温深仪、温盐深仪、声速仪和海流计。前三者系统工作原理相同，均由发射装置、探头、数据传输漆包线（探头与发射装置之间）和数据采集器组成。探头由船载发射装置发射入水，实时进行海水温度与电导率信号采集，数据信号通过数据传输漆包线（铜线）传输到数据采集器。探头内部和发射装置中分别有一个传输线线轴，随着探头的下降，两个线轴自然展开。当导线达到最大长度后，导线拉断，探头沉入海底，测量结束。

图2 船载投弃式温（盐）深仪和声速仪系统工作原理示意图

船载投弃式海流计不同于前三者之处在于投弃式海流计探头通常采用自由下沉方式，因此由发射装置、探头、浮筒、数据传输漆包线（探头与浮筒之间）和数据采集器组成。浮筒投放到海面，感应到海水后，触发释放探头，探头在自身重力作用下拖着漆包线快速旋转下沉，测量数据通过漆包线实时传输到水面浮筒内，再由浮筒内无线装置转发至船载无线数据采集器。探头到达海底后，漆包线自动断开，测量结束。

图3 船载投弃式海流计系统工作原理示意图

3.2 机载投弃式系统工作原理

机载投弃式包括机载投弃式温深仪、温盐深仪、声速仪和海流计。该类设备系统工作原理与船载投弃式海流计基本相同，差别之处在于机载式的浮筒在空中下落阶段需降落伞进行减速。

图4 机载投弃式系统工作原理示意图

3.3 潜艇载投弃式系统工作原理

潜艇载投弃式包括潜艇载投弃式温深仪、温盐深仪和声速仪。该类系统由发射装置、浮筒、探头、数据传输漆包线（探头与发射装置之间）和数据采集器组成，浮筒由潜艇尾部发射装置发射，当浮筒上浮出海面，感应到空气时，触发释放探头，探头在自身重力作用下，拖着漆包线快速旋转下沉，测量数据通过漆包线实时传输到数据采集器。探头内部和发射装置中各有一个传输线轴，随着探头的下降，两个线轴自然展开。探头到达海底后，漆包线自动断开，测量结束。

图5 潜艇载投弃式系统工作原理示意图

4 国内外发展现状

20世纪30年代，国外开始船载投弃式海洋仪器设备研制，最早研发成功XBT，接着相继研发成功XCTD、XSV和XCP。在此基础上，发展形成了谱系化的船载、机载和潜艇载系列设备。投弃式海洋仪器设备研制生产公司主要有两家，分别是美国洛克希德马丁斯皮坎公司（Lockheed Martin Sippican）和日本鹤见精机有限公司（TSK）。两家公司在投弃式海洋仪器设备的研制领域一直处于世界先进水平，其产品基本垄断了全球市场，核心技术对外封锁。

国内投弃式海洋仪器设备研究始于上世纪80年代，经过多年的努力，基本掌握了XBT的设计技术和制造工艺，国家海洋技术中心、中科院声学所东海站、西安天和防务公司等单位已经实现XBT产业化生产。同时，国家海洋技术中心、山东省科学院海洋仪器仪表研究所等多家单位已经展开XCP、机载、潜艇载系列设备研究，但是由于浮筒动态数传技术、绕线工艺、信号处理技术等关键技术尚未突破，研究进展缓慢。

5 国内外差距

虽然国产XBT已实现产业化生产，部分其它投弃式设备样机已经研制成功，但与国外同类产品相比还存在着一定的差距。

5.1 技术方面

目前就投弃式测量技术来说，美国Sippican公司和日本TSK公司处于世界领先水平。它们已经开发出温深仪、温盐深仪、声速仪和海流计四类产品，形成了机载、船载和潜艇载三个系列。仅Sippican公司的船载XBT系列就有8种以上适用于不同深度和不同航速的型号产品，采集频率从10～20 Hz，测量深度从200～1 830 m，适用航速从6～30 kn，而国产XBT还未有成系列产品。

5.2 比测试验方面

美国海军海洋系统研究中心的报告指出，自上世纪70年代开始，美国就开展了XBT与CTD的比测试验，比测数量达2 000多枚[6]。90年代初，政府间海洋委员会（ΙOC）支持的项目组也与制造商合作在不同海域进行了多项XBT/CTD的比测试验[6-7]，试验海区遍及太平洋、大西洋和印度洋。而国内截止2011年比测数量不足500枚[3]。

5.3 投放成功率方面

美国Sippican公司在2008年的一篇《关于XBT设计生产及质量》报告[8]中指出，2001年以后，该公司的投弃式海洋仪器设备在百慕大海域的平均投放成功率达到了95%以上。而国产XBT，尽管通过多年来的技术攻关，其性能指标已经达到国外同类产品的水平，但在南海海域投放的平均成功率也仅有64%左右[3]。

5.4 可靠性研究方面

早在上世纪90年代初，澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSΙRO）就发布了XBT质量控制手册，详述了XBT系统可能的故障模式[9]。2000年3月，在随机观测船计划（SOOP）研讨会上，V Philbrick提交了一份关于1997年产XBT在1998年海试情况的报告[10]，对投放情况和故障类型进行了汇总。结果显示国外XBT工艺成熟，产品可靠性高，造成其失效的主要原因是外部因素和使用方法。而国内至今尚未对投弃式海洋仪器设备展开故障模式、影响及危害性分析研究。

6 总结

近年来，尽管我国在投弃式海洋仪器设备领域取得了良好进展，但与国外差距仍然较大，开发方面需要加强投弃式探头（特别是XCP、XSV）和机载、潜艇载系列投弃式海洋仪器设备的技术和方法研究，并加强可靠性研究，加大比测试验力度，形成方便可靠的系列产品。

[1]武玉华.XCTD定标方法研究[J].海洋技术,2007,26(2):14-16.

[2]武玉华.XCTD温度和电导率传感器技术研究[D].国家海洋技术中心,2007.

[3]方芳.投弃式温度剖面测量仪（XBT）可靠性研究[D].国家海洋技术中心,2011.

[4]郭丽娟.投弃式海流剖面测量系统研究[D].河北工业大学,2009.

[5]张启升,邓明,刘宁,等.投弃式海流电场剖面仪研制[J].地球物理学报,2013,56(11):369-370.

[6]ANDERSON E R.Expendable bathythermograph (XBT) accuracy studies[R].Technical Report 550.Naval ocean Systems Center,1980.

[7]HANAWA K,RUAL P,BAΙLEY R.Calculation of new depth equation for expendable bathythermographs using a temperature-error-free method (Application to Sippican/TSK T7,T6 and T4 XBTs)[C].Ιntergovernmental Oceangraphic Commission (ΙOC) Technical Series,1994:1-46.

[8]HANAWA K,RUAL P,BAΙLEY R,et al.A new depth-time equation for sippican or TSK T7,T6 and T4 expendable bathythermographs (XBT)[J].Deep-Sea Res.1995,Part Ι,42(8):1423-1451.

[9]BAΙLEY R,GRONELL A,PHΙLLΙPS H.CSΙRO cookbook for quality control of expendable bathythermograph (XBT) data[M].CSΙRO Marine Laboratories Report,1994.

[10]PHΙLBRΙCK V.Examination of XBT data from ‘97 probes[R].Ιn La Jolla SOOP Status Reports.SOOP Scientific and Technical Developments.2009:155-165.