UCTD 数据处理方法研究

张 挺，田 雨，兰 卉，高 坤，程 敏，许丽萍

（国家海洋技术中心，天津 300112）

走航式温盐深剖面测量仪（Underway Conductivity Temperature Depth Profiler，UCTD） 是一种低成本、结构紧凑的温盐深剖面测量仪器，使用配套绞车进行投放和回收，在船舶航行时进行温度、电导率和压力测量，UCTD 适应船速0 ～12 kn，航速12 kn 时下放深度达到400 m[1]。国内外UCTD 均采用无泵设计的三电极电导率传感器测量方案，借助UCTD 的快速下降实现电导率传感器内的海水导流。相对于传统剖面测量

CTD（Conductivity Temperature Depth Profiler，CTD），UCTD 下降速度不仅快而且随深度变化，导致其数据处理参数依赖于当前速度，在UCTD数据处理过程中，需要进一步排除粘性耗散导致的升温效应，还要考虑热质订正参数、传感器响应和匹配时间受流速影响而发生变化的情况。因此，有必要研究UCTD 下降过程，并在传统剖面测量CTD 数据处理方法基础上进行改进，得到适用于UCTD 的数据处理方法和参数。CTD 数据处理方法在国内外已有充分的研究，UCTD 相关文献却较少，国内文献以产品介绍和应用研究为主[2-3]，美国罗得岛大学学者深入研究了UCTD数据处理的模型，强调UCTD 数据处理需考虑速度效应[4]。

1 UCTD 下降速度模型

UCTD主要由探头部分、密封壳体和尾杆构成，如图1 所示，探头部分包含温度、电导率传感器，密封壳体表面有压力传感器，内部安放电池和测量电路。自由投放模式下，按照预设的投放深度，绕线机在尾杆上往返缠绕若干层缆绳，入水后尾杆和绞车卷筒双端放线，UCTD 下降速度基本不受船舶航速的影响。

图1 UCTD 结构示意图

自由下落时，UCTD 受到重力、浮力、运动阻力和放线阻力的共同作用，参考XBT 运动方程[5]，可以建立UCTD 运动方程：

式中：M 为UCTD 在z 深度处的质量；L 为放线阻力；M0, V0为UCTD 入水时刻的质量和体积；m, v 为单位长度缆绳质量和体积；Ff为UCTD在z 深度处所受浮力；ρ0为表层海水密度；D 为UCTD 运动阻力；Cd为阻力系数；S 为UCTD 截面积；U 为下降速度。

代入UCTD 和缆绳的基本参数，假设入水时速度为5 m/s，求解运动方程，得到UCTD 下降速度与深度关系：

受投放高度、入水姿态、绕线质量及海区差异的影响，UCTD 实际下降速度与理论值差别较大，B2-1 站位UCTD 实际下降速度如图2 所示，0 ～430 dbar 区间UCTD 处于双端放线状态，下降速度的量级和趋势与理论计算大体相符，波动与尾杆上缆绳的放线方向的周期性变化有关。至430 dbar 时UCTD 放线完毕，受缆绳拖拽作用，下降速度骤降至1.4 m/s，随后缓慢均匀下降至930 dbar 时绞车开始回收。

图2 UCTD 下降速度曲线

2 粘性耗散修正

UCTD 下降速度较快，需要考虑粘性耗散作用，粘性耗散是流体在流动过程中由粘性摩擦力引起的机械能转换成热能的现象，在粘性耗散加热下，温度传感器会产生与流速平方成正比的测量误差[6]：

式中：v 为海水运动粘性系数；U 为UCTD 下降速度；ΔU 为电导池内外速度差。根据Ullman[4]提出的模型，流经温度传感器的流速与UCTD 下降速度在1 ～5 m/s 区间内基本成线性关系，平均偏低约0.4 m/s。当UCTD 下降速度为4 m/s 时，会产生超过+0.003℃的温度测量误差，该误差应根据当前下降速度予以修正。

3 滤 波

UCTD 沿用Mudge 和Lueck 提出的低通滤波算法[7]，通过同步温度和电导率传感器响应时间的方式削弱盐度等衍生量的尖峰，为避免相移，对数据先后做正向和反向滤波。

式中：Y 为传感器滤波后的值；Y0为原始数据；τ 为时间常数；f 为采样频率。

UCTD 传感器时间常数与下降速度相关，根据经验，下降速度较低时，分别给予温度、电导率、压力时间常数为0.15 s, 0.1 s, 0.15 s 的低通滤波，可以在削弱噪声和保留测量细节之间达到较好的平衡；下降速度超过3 m/s 时，三个传感器时间常数均取0.1 s。如图3 所示，UCTD 经过滤波处理，盐度尖峰得到一定程度的抑制。

图3 滤波效果对比图

4 位置订正

受传感器响应时间、采样时序、安装位置的影响，温度、电导率传感器无法同步测量同一水团，导致盐度等衍生量产生虚假尖峰现象。一般用位置订正算法同步温度、电导率传感器数据，消除尖峰，保证测量结果的准确性。如图4 所示，假定UCTD 在0 时刻穿越一个温盐阶跃，Tpos为水团经由温度传感器流向电导率传感器的时间，Tt, Tc分别为温度、电导率响应时间。从图中可以看出，做位置订正时保持温度不动，电导率数据挪动时间：

式中：Talign为位置订正参数，正值表示电导率相对于温度数据向前移动，负值表示向后移动；Tsample代表电导率相对于温度采集的时序差。

图4 位置订正参数影响因素示意图

位置订正参数影响因素中除了Tsample固定不变，其他都随流速而变化。从传感器测量原理看，Tpos, Tc与流速成反比，Raymond W 等[8]实验表明，Tt与流速的开方成反比。分别估算不同流速下Tpos,Tc, Tt的值存在困难，因此将位置订正参数作为一个整体来研究，挑选2016 年至2019 年3 次海试16 组不同下降速度的UCTD 数据，保持温度、压力数据不动，对电导率数据以0.01 s 为间隔向前、向后移动和线性插值，并重新计算盐度。以盐度曲线长度最小为目标，求解不同下降速度对应的最优位置订正参数。

式中：P 为压力；S 为盐度；n 为采样序号。

图5 位置订正参数与下降速度关系图

如图5 所示，低速时Tpos, Tc很大，位置订正参数为正；随着速度的增加，Tpos, Tc相对于Tt快速减少，导致位置订正参数变成了负值。对图中数据点做拟合，得到公式：

图6 给出了位置订正的对比效果，UCTD 捆绑在SBE911 Plus CTD 仪器架上，下降速度为1.1 m/s，计算Talign为0.2 s，经过位置订正，UCTD 盐度尖峰显著削弱。

图6 位置订正效果对比图

5 热质订正

电导率传感器由铂环电极、玻璃管、封装胶和支撑托架构成，传感器上存储的热量会延缓流经海水温度的变化，导致电导率测量值产生测量误差，一般用Lueck 和Picklo 提出的热质订正算法[9]予以修正：

式中：CT为电导率修正值；T 为温度；r 描述电导率与温度的关系；n 为采样序号；f 为采样频率；α 和τ 为热质订正参数，分别代表由热质效应引起的误差幅值和时间常数。根据Morison 热质订正模型[10]，α 和τ 参数与流速相关。通过海上试验确定α 和τ 的值，估算其与下降速度的关系。

2018 年9 月的南海海试中，将UCTD 捆绑在SBE911 Plus CTD 的架子上，按1.1 m/s 的下降速度开展了8 组同步比测。使用SBE Data Processing软件处理SBE9 数据，对UCTD 数据做粘性耗散、滤波、位置订正，然后遍历α, τ 参数做热质订正。以两者10 ～500 dbar 区间的盐度测量差值的均方根值最小作为目标，求解最优α 和τ 参数。从图7中可以看出，α=0.07,τ=15 是一组比较合适的参数。其他7 个同步比测剖面的计算结果与之类似。

图7 盐度测量误差的均方根值与α, τ 的关系图

将UCTD 单独投放的剖面数据照此处理，得到下降速度为4 m/s 下的最优参数α=0.01,τ=1。参考Morison 模型[10]，得到热质订正参数与速度的对应关系：

图8 给出了UCTD 热质订正的对比效果，经过热质订正，UCTD 与SBE911 Plus CTD 盐度测量差异显著减少。

图8 热质订正效果对比图

6 典型剖面数据处理

图9 中红色曲线为B2-1 站位UCTD 原始盐度，未经处理的UCTD 盐度曲线噪声很大，图中SBE911 Plus CTD 为相邻站位已处理的盐度测量曲线。图中还可以看出，在尾杆放线完毕（430 dbar）和开始回收（930 dbar）处，两次速度骤降均伴随盐度突然增加的现象，幅度约在0.03 PSU左右，数据处理时必须予以剔除。

图9 UCTD 原始盐度曲线

数据处理时，要计算当前UCTD 下降速度对应的处理参数，然后进行粘性耗散订正、滤波、位置订正、热质订正和平均处理，处理效果如图10 所示。处理后，UCTD 与SBE911 Plus CTD的温度、电导率和盐度的平均绝对误差分别为0.008℃、0.029 mS/cm 和0.026 PSU，满足表1 中测量准确度的技术指标。

图10 UCTD 处理后盐度曲线

表1 UCTD 主要技术指标

数据处理后，UCTD 盐度噪声显著减少，与SBE911 Plus CTD 盐度曲线更加接近，尤其在双端放线部分（0 ～430 dbar），处理效果比较明显。在尾杆放线完毕UCTD 继续下降时（＞430 dbar），因缆绳拖拽作用，UCTD 速度较慢且姿态发生倾斜，传感器过水不畅，数据处理效果有限，仍存在明显的盐度抖动现象，建议用户做中值滤波、滑动平均处理，同时忽略测量细节。

7 结 论

UCTD 是一种可以在船舶航行过程中使用的温盐深剖面测量仪器，在获取高水平分辨率数据的同时，不可避免地会牺牲其数据质量，在这种情况下，必须采用一套与其运动特性相适应的数据处理方法，确保准确地获取温盐剖面数据。在开展UCTD 数据处理时，首先计算当前下降速度对应的数据处理参数，然后依次进行粘性耗散温度修正、温盐传感器响应时间匹配、温盐传感器测量数据同步、电导率传感器热质效应修正，最后还要剔除速度骤降导致的盐度异常。

多次海上试验表明，确保UCTD 平稳下降，是获取高质量UCTD 数据的前提和关键，在条件允许的情况下，建议用户尽量按照操作规程在尾杆上紧密绕线，采用自由投放的模式投放UCTD，结合规范的数据处理，可以有效减少盐度测量噪声和误差，获得较好的温盐剖面数据。