基于准实时传输潜标的国产温盐深仪对比分析

任 强，倪煜淮，李延刚，于 非

（1.中国科学院海洋研究所，山东 青岛 266071；2.中国科学院海洋环流与波动重点实验室，山东 青岛 266071；3.海军参谋部军事海洋环境建设办公室，北京 100141；4.自然资源部东海预报减灾中心，上海 200137）

进入21 世纪，我国加强了对海洋观测研究的投入，对海洋动力和生化环境的直接观测能够为海洋水文和生态环境研究、海洋经济开发资源与保护，以及国防军事安全等方面提供支撑。海洋现场测量一直是海洋科学研究的最重要的手段之一，随着科学研究的深入，提出了对海洋进行实时、快速、高准确度和长期稳定连续观测的需求。因此，发展各类型的国产海洋设备对海洋环境的观测和研究具有重要意义。

潜标工作于水下，测量水下参数，可以与海面浮标形成互补，实现对海洋环境的立体观测，是海洋环境监测中最可靠、最准确的手段之一。潜标受海面异常天气条件影响和人为破坏影响小，在观测数据质量，以及海上环境监测和预报上具有显著的优势，可为深海海洋动力环境预报与海洋军事环境保障提供实时资料支撑。潜标技术是20 世纪50 年代初首先在美国发展起来的。随后，英国、法国、俄罗斯、日本、德国和加拿大等国也相继开展研究和应用。美国从20 世纪60 年代初开始，在若干海域布设潜标系统，并将潜标系统进行军事和海洋开发服务。另外，在各种重大的国际合作研究项目中，也常常布放大量的潜标系统。我国于20 世纪70 年代开始海洋潜标技术研究，随后国家海洋局于1982 年正式立项研制了千米测流潜标系统，并进行了一系列试验，之后经过20 多年的发展，我国自主潜标观测技术取得了突飞猛进的发展，目前已逐步步入国际先进地位。

CTD 是最基本的也是最重要的观测海洋动力环境要素的设备[1-4]，长期以来在我国大多数的海洋调查使用场景中，包括锚系潜标、海床基、走航测量及Argo 等平台使用的CTD 基本上采用进口设备。而我国在20 世纪50 年代就开始了国产温盐深仪的研制工作，近年来，基于技术水平的突破和积累的需要，我国加大了对自主CTD 设备的研发力度，先后研制成功了各类型包括剖面高精度CTD、抛弃式CTD、拖曳式CTD 和自容式CTD 等[5]。目前国内外已经开展了诸多CTD 的比测试验[6-10]，20 世纪80年代，GYTRE T 等[11]对小型CTD 和Neil Brow CTD进行了比较研究；在CTD 技术快速发展的20 世纪90 年代，加拿大Bedford 海洋研究所HENDRY R M等[12]对SBE 9、Mark II、Guildline Instruments 8737及颠倒温度计等多种型号CTD 进行了较为全面的对比研究。在国内也有许多学者针对国产的CTD开展了比测工作，比如程邵华等[1]、张兆英[2]分别对国产高精度CTD 和SZC15-2型CTD 进行了比对，近期有雷发美等[9]对国内两家单位的多台CTD 开展了剖面比测，任强等[10]开展了多种CTD 的坐底式长期观测比对，对设备的性能稳定性有了详细的评估。兰卉等[13]开展了表层走航温盐仪的设计和试验，这些比测工作验证了国内仪器的性能，同时对后续的CTD 精度的改进和提高起了一定的作用。但是目前国内开展的国产CTD 比测试验工作大多是针对剖面CTD 和抛弃式CTD 等，在锚系潜标平台开展的深海比测非常少，因此在该类水下平台开展的针对性比对试验具有非常重要的意义。

随着海洋环境预报和海洋环境安全保障需求的提高，对海洋环境数据的实时获取要求不断提升，准实时传输潜标技术开始被海洋科学家所提出，在“十三五”期间，科技部重点研发专项开展了准实时传输潜标的研制，并进行了大深度长距离的温盐深测量技术的研发，成功研制了7 000 m 级的CTD。与此同时，中国科学院海洋研究所联合国家海洋技术中心，在潜标平台上开展了多组不同深度的感应耦合CTD 与进口CTD 的比对。本文基于该比对试验获取的数据开展分析，探讨国产CTD 的长期稳定性能，为该类仪器的国产化应用等提供一定基础。

1 比测背景和仪器说明

1.1 海上比测区域及背景

依托自然资源部东海分局“向阳红19”科考船组织的共享航次，中国科学院海洋研究所于2020年5 月22—27 日在西太海域部署了一套国产准实时传输潜标开展试验性应用，本次海上应用的国产温盐深仪为国家海洋技术中心研制的耦合传输自容式温盐深仪，该潜标为科技部支持下完全自主研发的国产准实时传输潜标，所有的温盐仪器设备均采取耦合传输模式，固定时间通过北斗卫星发回数据，实现准实时传输的物理水文环境背景参数的观测。潜标布放区域为海洋中尺度涡旋高发区，海洋上层温盐结构不稳定，温盐变化范围大。因而在此类区域开展仪器的比测试验对仪器性能的检定创造了有利条件，可以在高海况情况下验证国产设备各项性能指标。

1.2 CTD 性能指标对比

锚定平台轻小型感应传输CTD（Inductive CTD，ICTD）是海洋立体观测中重要的剖面测量设备，其适用于浮标、潜标、钻井平台、大型海洋作业船等各类海洋观测、监测平台及海洋工程装备配套观测使用。ICTD 采用电磁感应原理实现水下温盐深测量数据传输，是水下实时监测技术研究中一个重要发展方向。ICTD 可以在恶劣的海洋环境下实现无人值守的全天候、全天时长期连续定点剖面观测，同时在任何需要测量数据的时段将数据回传至主控平台，大大提高了系统的可操作性。因此，ICTD 作为实时传输潜标最重要的配套设备之一，其具有较高的测量准确性和稳定性，为国产CTD（C-CTD）技术的发展提供了重要力量，也为海洋预报、海洋环境的监测和海洋科学理论研究等具有重要作用。

ICTD 仪器通过塑包钢缆挂装在潜标平台，采用通用RS232 接口，数据实时采集传输。表1 为C-CTD 与进口的海鸟CTD（SBE-CTD）测量技术指标的对比，表中所示的C-CTD 为“十三五”立项初期的仪器指标，经过近几年的升级改进，到“十四五”期间，C-CTD 的技术指标已经与SBE-CTD技术指标基本完全一致。从表1 中可以发现，各个传感器的测量范围基本一致，其中压力传感器的测量准度没有区别，C-CTD 的温度传感器和电导率传感器的测量准度仅有细微差别。对于海洋中上层来说，此类传感器准度和测量量程完全可以满足对海洋环境变化的监测。

表1 国产CTD 和SBE-CTD 测量技术指标

2 比测方法及数据处理

海上比测仪器C-CTD 与SBE-CTD 分为三组，其中C-CTD 固定的安装在锚系潜标设计水深100 m、200 m 和500 m 处（图1），同时在其附近装有SBECTD，型号为SBE 37，但是在初始试验中两者的安装距离没有严格限制在某一个数值。同时两种类型的仪器所设置的采样指标均为10 min。由于实际海洋的温盐压等参数受涡旋、流场及水团等带来的影响而在实时变化，对于对比的仪器来说时钟严格的统一关系到采样的同步性问题，在剧烈变化的背景下，只要时间不同步就会产生采样的不同步造成所测值不一致而出现的较大偏差。因此，在原始的数据中可清晰地看到采样的不同步性，在后期的数据处理中，对数据进行了对齐处理。另外，对两者数据按照数据处理流程进行了包括异常值处理等的严格质量控制而保证比测数据的真实可靠性。

图1 国产准实时传输潜标结构组成图

误差和相关系数计算采用如下公式[11，14]。

式中，u为平均误差；xi和yi为两组仪器的测量值；n为数据长度；R为相关系数，可表示两种变量之间的相关关系密切程度，系数取值为[-1，1] 区间。

3 比测结果分析

图2 和图3 为两型CTD 所测得的压力和两者的压力差值。从图2 的压力对比中可以发现潜标受流场的影响有明显的日变化，压力的变化幅度超过50 m。尽管系统变化剧烈，但是从图中可以看到三组C-CTD 与SBE-CTD 所测得的压力从曲线上几乎看不出差别，根据相关系数公式（2）计算，三组压力数据的相关系数等于1，基本满足严格的线性关系，说明数据吻合度极高。图3 的三组压力差值结果可看到两者测量值有一定的区别，三组压力差的均值分别为0.43 m、1.75 m 和-0.33 m，这是由于安装位置出现的位置所造成，其压力差的标准差分别为0.13，0.09 和0.07 m。压力的剧烈变化并未对两者所测得的压力差值造成明显影响，说明所测得的压力数据的稳定性非常好。

图2 C-CTD 与SBE-CTD 测得的压力数据对比图

图3 C-CTD 与SBE-CTD 测得的压力差数据对比图

图4 为三组测得的温度时间序列，其直接测量结果看不出温度测量差别，温度表现为一致的变化，根据相关系数公式计算，三组温度数据的相关系数也都等于1，表明了温度数据的匹配程度非常高。对三组不同深度上的温度测量值求温度差值，图5 表示的是测量差值结果，结果表明两者的差值数据整体比较稳定，但是在温度变化较大的时刻所测的温度差相对较大，比如第一组最大差值达到了0.15 ℃，经过计算三组温度差的平均值分别为0.001 ℃、-0.03 ℃和0.026 ℃。可以看出，第一组的温度差最小，主要是由于安装位置最为接近且时间调校高度匹配的原因，因此测量的温度基本上一致。第二组和第三组的温度差均超过0.02 ℃，分析其可能的原因是在潜标受流的影响下在短时间内潜标整体向下运动，这个运动可以从压力数据可以清楚地反映这一变化，由于两种CTD 的系统时间并没有严格的统一，尽管已经进行了时间校正，但是仍然无法完全消除这一影响。采样的不同步性加上潜标的上下移动会导致两组测量值不是测量的同一水团，并且由于仪器安装位置会有一定的距离，因而其测量结果会出现一定的偏差。考虑到潜标在稳定时刻的比对更具有意义，因此本文仅统计温度较为稳定的时间段内，三组C-CTD 和SBE-CTD 之间的平均温度差最小仅为0.001 ℃，可以说几组CCTD 的温度传感器测量性能基本上没有区别，与SBE-CTD 表现相同。

图4 C-CTD 与SBE-CTD 测得的温度数据对比图

图5 C-CTD 与SBE-CTD 测得的温度数据差值对比图

盐度直接测量结果（图6）也表明了测量的高度一致性，相关系数的计算结果为1，其中第一组和第二组吻合度相对于第三组来说要更好。盐度差值的波动与温度数据类似，也是在变化剧烈的时刻出现了测量差值的相对较大的波动，其测量的不同步性是其差异的原因之一。但是另外一方面，我们可以看到SBE-CTD 的测量结果整体相对稳定，而C-CTD 则会出现细小的波动，特别是在第三组可以看出来。分析其原因可能如下，SBE-CTD 采用的型号是7 000 米级的SBE 37，该型CTD 电导率传感器带有泵从而保证所测水样的稳定性和同一性，最大程度地减少了盐度尖峰现象[15-17]的出现，从而数据较为稳定，这也是该型仪器的优势所在。对于本次参与比测的C-CTD 来说，为了完成潜标的准实时传输功能，所有温盐测量仪器都采用感应耦合模式，没有泵结构，因此由于各个传感器响应时间的不一致，在温度变化较为剧烈的时刻的盐度测量值容易出现盐度尖峰，其表现为异常的跳点。但是在系统稳定的时刻，其测量值与SBE-CTD 相比仍然小，具有较高的精度。对每组盐度求差值（图7），三组盐度差的均值分别为-0.006 psu、-0.006 psu 和-0.001 psu，也说明了两者盐度传感器性能高度一致。

图6 C-CTD 与SBE-CTD 测得的盐度数据对比图

图7 C-CTD 与SBE-CTD 测得的盐度数据差值对比图

根据以上分析总体来说，不同深度的C-CTD其直接测得的压力、温度和盐度与SBE-CTD 相比都表现出了高度的一致性。C-CTD 的性能指标基本上达到了国外同类型产品的水平，其压力、温度和电导率传感器能够完全满足复杂海洋背景下对动力环境的观测。

4 结 论

高精度的温盐深测量仪是实现海洋动力环境背景要素长期连续稳定观测的重要手段之一，其国产化的研制与应用对提升我国海洋技术装备及科研水平等具有重要的支撑作用。而长期以来，基于深海潜标平台的多深度与长时间序列的CTD 比测工作仍然缺乏。本文基于“十三五”期间的科技部重点研发的准实时传输潜标平台搭载的三组C-CTD 与进口的SBE-CTD 所获取的数据进行了详细的比对分析。比测仪器布放在100 m、200 m 和500 m 的深度上，共进行了采样间隔为10 min 的为期6 天的测量，比测过程中的潜标平台本身受流的影响上下浮动超过了50 m。比测结果表明了在复杂的海洋环境背景下，国产CTD 所测得的温盐深数据与SBECTD 数据具有高度的一致性。其中在潜标较为稳定的时刻，两者的平均温度差最小为0.001℃，平均盐度差最小为0.001 psu，根据标准规范，表明国产CTD 的传感器的性能基本上达到了国外同类型产品，其完全能够满足高海况下的海洋环境监测。下一步工作将继续对国产CTD 进行更长时间序列的比对，以进一步验证各个传感器性能和长期稳定性等。国产CTD 的研制与逐步市场化应用也标志着我国海洋科技水平的进步，对提高海洋观测能力，促进海洋基础科学研究的发展具有积极的作用。