李佳偉，陳潔，徐行，潘飛儒，羅賢虎，俞欣沁，羅新恒

1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣州 510760 2.珠海市泰德企業(yè)有限公司，珠海 519082

海底熱流是海盆及其陸緣熱狀態(tài)最直接的體現(xiàn)，是研究不同尺度地質(zhì)構(gòu)造熱演化，評(píng)價(jià)海域天然氣水合物和油氣資源的重要約束[1]。海洋地?zé)釋W(xué)中涉及的參數(shù)主要為兩類：一是海底溫度、地溫梯度和地?zé)崃鞯群５自粶y(cè)量信息；二是沉積物熱導(dǎo)率和生熱率等巖石熱物性測(cè)定信息[1-3]。

海底熱流探測(cè)亟需高精度的溫度測(cè)量技術(shù)。為解決海洋天然氣水合物勘探海底熱流探測(cè)中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局（簡(jiǎn)稱廣海局）自2005年以來(lái)一直從事海底熱流探測(cè)技術(shù)的研發(fā)，并率先在國(guó)內(nèi)獨(dú)立開(kāi)展海底熱流探測(cè)工作[3-5]。在過(guò)去的15年間，廣海局采用自制的Ewing型海底熱流探針，完成了包括南極高寒環(huán)境在內(nèi)的全球海域1200多個(gè)測(cè)站的海底熱流探測(cè)，其中溫度傳感器為自制的飛魚1型自容式微型溫度測(cè)量記錄儀（簡(jiǎn)稱FY1探針）。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，F(xiàn)Y1探針與新型計(jì)算機(jī)之間的通訊接口存在著技術(shù)匹配問(wèn)題，導(dǎo)致數(shù)據(jù)讀取和參數(shù)設(shè)置過(guò)程中的故障率較高，影響了野外資料采集的進(jìn)度。為了解決以上問(wèn)題，對(duì)FY1探針的技術(shù)缺陷進(jìn)行了技術(shù)升級(jí)、改造，升級(jí)后的探針定名為飛魚2型自容式微型溫度測(cè)量記錄儀（簡(jiǎn)稱FY2探針）。

本文先系統(tǒng)對(duì)比FY1和FY2的技術(shù)設(shè)計(jì)和適用性等，然后在國(guó)家海洋計(jì)量站廣州分站實(shí)驗(yàn)室恒溫水槽和南海北部陸坡深水海域做的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)比測(cè)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析FY2的技術(shù)特點(diǎn)，為進(jìn)一步推廣使用提供科學(xué)依據(jù)。

1 熱流探測(cè)技術(shù)

海底熱流探測(cè)始于20世紀(jì)50年代初。在北大西洋海域科考時(shí)，英國(guó)科學(xué)家用一根無(wú)縫鋼管和溫度傳感器制作了溫度探針，率先實(shí)現(xiàn)海底沉積物原位的地溫梯度探測(cè)[6]。根據(jù)Herzen和Maxwell提出的熱導(dǎo)率測(cè)量方法[7]，Sclater等發(fā)展了海底沉積物原位熱導(dǎo)率測(cè)量技術(shù)[8]，并采用熱脈沖技術(shù)對(duì)其進(jìn)行改良，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的海底熱流原位測(cè)量[9-10]，該類型探針被稱為L(zhǎng)ister型探針。另一類型海底熱流探測(cè)設(shè)備是Ewing型探針，在重力柱狀取樣器的取樣管（或鋼矛）外壁的不同位置，外掛多個(gè)自容式微型溫度測(cè)量記錄儀，從而構(gòu)建成地溫梯度探針系統(tǒng)。

Lister型和Ewing型兩類海底熱流探針是現(xiàn)今海底熱流探測(cè)的主流技術(shù)。用Lister型探針，每個(gè)測(cè)站定點(diǎn)測(cè)量時(shí)間需22～25 min，除采集海底溫度、海底沉積物地溫梯度，還可獲得原位沉積物熱導(dǎo)率測(cè)量信息。這對(duì)調(diào)查船舶具有較高的要求，適合于具有動(dòng)力定位功能的調(diào)查船。而用Ewing型探針，每個(gè)測(cè)站定點(diǎn)測(cè)量時(shí)間僅需5～8 min，但只能采集海底溫度和地溫梯度，其相應(yīng)站位的沉積物熱導(dǎo)率信息需通過(guò)在室內(nèi)測(cè)量沉積物實(shí)物樣品后獲取。相比而言，Ewing型探針技術(shù)具有測(cè)量時(shí)間短、操作便捷和運(yùn)維成本低等優(yōu)點(diǎn)[4,11-12]，因而更容易被推廣使用。

中國(guó)海底熱流探測(cè)工作始于20世紀(jì)80年代。在南海地學(xué)研究中，廣海局（原地質(zhì)部南海地質(zhì)調(diào)查指揮部）和美國(guó)哥倫比亞大學(xué)拉蒙特地質(zhì)研究所曾二度合作，利用美國(guó)熱流探測(cè)設(shè)備開(kāi)展測(cè)量工作，在南海陸緣及深海盆中獲取了一批寶貴的海底地?zé)崃髻Y料[13-18]。在國(guó)家863計(jì)劃海洋技術(shù)領(lǐng)域的項(xiàng)目資助下，中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局、國(guó)家海洋局和中國(guó)科學(xué)院以及高校涉海研究團(tuán)隊(duì)的聯(lián)合攻關(guān)，在海底熱流探測(cè)技術(shù)研發(fā)中相繼獲得了一批國(guó)家專利授權(quán)和包括FY1探針在內(nèi)的技術(shù)成果（圖1a、b），國(guó)內(nèi)有十多家科研團(tuán)隊(duì)使用該技術(shù)[19]。與全球同類產(chǎn)品相比，F(xiàn)Y1探針的技術(shù)指標(biāo)可媲美德國(guó)的MTL[11]和中國(guó)臺(tái)灣的“小型自容式溫度計(jì)”[12]，而且在運(yùn)維方面更為便捷和低成本。

圖1 FY2型探針安裝說(shuō)明圖a.飛魚探針照片，b.固定翼照片，c.飛魚探針安裝在重力柱狀取樣上器的示意圖。Fig.1 Installation instruction diagram for FY2 probea.photo of flying fish probe,b.photo of fixed wing,c.schematic diagram of flying fish probe installed on gravity cylinder sampler.

廣海局自主研發(fā)的Ewing型海底熱流探針（圖1c），由6支FY1探針和1支傾斜儀安裝在一個(gè)800 kg的重力柱狀取樣器的取樣管上構(gòu)建而成?？傮w上，采用Ewing型探針的作業(yè)方法與海底沉積物柱狀取樣近似，但前者在取樣器貫入到海底沉積物之后，還需要在海底沉積物中停留一段時(shí)間進(jìn)行溫度測(cè)量。海底熱流測(cè)量具體的步驟為：①利用調(diào)查船的地質(zhì)絞車將海底熱流探針吊放到距離海底近100m高度，停頓片刻來(lái)穩(wěn)定設(shè)備在水體中的姿態(tài)；②快速啟動(dòng)絞車，將探針貫入到海底沉積物之中；③探針在沉積物中停留5～8 min或更久一些，同時(shí)記錄FY1在沉積物中達(dá)到一個(gè)與外界溫度近似平衡的過(guò)程信息；④將探針整體拔出海底沉積物，離開(kāi)海底；⑤啟動(dòng)地質(zhì)絞車將設(shè)備回收到調(diào)查船甲板上。最后，從FY1和傾斜儀中下載溫度測(cè)量和姿態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)，整理保存。在作業(yè)前的自容式微型溫度測(cè)量?jī)x參數(shù)設(shè)置中，重要時(shí)段的溫度測(cè)量采樣率通常為1 s或2 s。

在海底熱流測(cè)量工作前后，需要在甲板上測(cè)量各個(gè)FY1探針之間的相對(duì)距離。當(dāng)探針貫入到海底沉積物之后，安裝在不同位置上的FY1探針記錄相應(yīng)位置的溫度隨時(shí)間變化信息，而傾斜儀主要是用于檢測(cè)貫入裝置的姿態(tài)，為原位測(cè)量提供傾斜改正信息。海底溫度是指最底部的溫度探針插入海底之前的溫度測(cè)量值；地溫梯度由不同位置的溫度測(cè)量值的斜率求算出來(lái)，直接計(jì)算出來(lái)的為“視地溫梯度”，經(jīng)過(guò)傾斜改正后獲得真實(shí)地溫梯度。

2 FY2的新特點(diǎn)

溫度測(cè)量技術(shù)是海底熱流探測(cè)中的核心技術(shù)。FY1型探針采用了16位低功耗單片機(jī)、16位A/D轉(zhuǎn)換器、非易失存儲(chǔ)器和實(shí)時(shí)時(shí)鐘[20]。在FY2探針的技術(shù)升級(jí)過(guò)程中，重點(diǎn)改造了數(shù)據(jù)采集部分；在總體設(shè)計(jì)方面，F(xiàn)Y2探針的設(shè)計(jì)繼承了原電路中傳感器和信號(hào)調(diào)理電路等的技術(shù)方案（圖2）。FY1探針和FY2探針的技術(shù)性能和指標(biāo)對(duì)比見(jiàn)表1。

圖2 FY2型探針電子電路框圖和PCB板圖a.FY2型探針電子電路框圖，b.FY2型探針的PCB板圖片。Fig.2 Electronic circuit block diagram & PCB board picture for FY2 probea.FY2 probe electronic circuit block diagram,b.FY2 probe PCB board picture.

在技術(shù)改造中，F(xiàn)Y2探針用24位低功耗Σ-Δ型A/D轉(zhuǎn)換器替代了原來(lái)的16位低功耗A/D轉(zhuǎn)換器，使信號(hào)分辨率得以提高，將原來(lái)的以5 ℃為基準(zhǔn)估算，信號(hào)分辨率40 μV，等效理論溫度分辨率1.33 mK等技術(shù)指標(biāo)提高到以5 ℃為基準(zhǔn)估算，信號(hào)分辨率0.3 μV，等效理論溫度分辨率0.01 mK，大幅度提高了信號(hào)處理水平。用32位低功耗ARM單片機(jī)取代了原來(lái)的16位低功耗DSP器件，增強(qiáng)了信號(hào)處理能力，降低了功耗。

除此之外，F(xiàn)Y2探針優(yōu)化了原數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和通訊接口的設(shè)計(jì)，使改進(jìn)后的自容式微型溫度測(cè)量記錄儀的存儲(chǔ)容量增大、傳輸速率提高、功耗降低。在整體設(shè)計(jì)方面，F(xiàn)Y2探針還做了其他方面改進(jìn)。例如：①內(nèi)置穩(wěn)壓電路，提高系統(tǒng)測(cè)量準(zhǔn)確度及穩(wěn)定度；②內(nèi)置硬件看門狗，提高了可靠性；③采用最新信號(hào)處理技術(shù)，提高測(cè)量信號(hào)的信噪比和抗干擾能力；④采用了人性化操作軟件（可升級(jí)），操作更為便捷。這些設(shè)計(jì)方案均使得FY2探針的各項(xiàng)技術(shù)性能和指標(biāo)得到大幅優(yōu)化。

表1 升級(jí)前后探針技術(shù)性能對(duì)照表Table 1 Comparison table of Probe technical performance before and after upgrade

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為了分析對(duì)比自容式微型溫度測(cè)量記錄儀在技術(shù)升級(jí)前后的性能差異，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)FY1探針和FY2探針?lè)謩e做了實(shí)驗(yàn)室恒溫水槽環(huán)境中的測(cè)溫對(duì)比和野外海底沉積物測(cè)溫對(duì)比的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)。

3.1 恒溫水槽內(nèi)的測(cè)溫對(duì)比

為統(tǒng)一FY1探針和FY2探針的溫度測(cè)量參考點(diǎn)，同時(shí)對(duì)比測(cè)試同一標(biāo)準(zhǔn)溫度下兩套設(shè)備的技術(shù)性能差異。研究團(tuán)隊(duì)在國(guó)家海洋計(jì)量站廣州分站對(duì)2支FY1探針和7支FY2探針進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室恒溫水槽內(nèi)的測(cè)溫對(duì)比實(shí)驗(yàn)。該恒溫水槽的主要技術(shù)指標(biāo)：控溫波動(dòng)性不大于0.002 ℃，均勻性不大于0.002 ℃；測(cè)溫電橋相對(duì)不確定度為0.3×10?6；一等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)的不確定度為0.001 ℃。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：①同步FY1探針和FY2探針的時(shí)鐘，將所有探針采樣間隔設(shè)置為10 s。②將FY1探針和FY2探針捆綁在一起后置入實(shí)驗(yàn)室恒溫水槽中，調(diào)整水槽溫度，使被測(cè)水體溫度分別保持在24.9953、20.0028、15.0038、10.0040、5.0028、0.0020 ℃標(biāo)準(zhǔn)溫度點(diǎn)至少5～8 min（圖3）。③取出探針，讀取FY1和FY2探針的測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)。④對(duì)FY1和FY2探針進(jìn)行溫度校驗(yàn)，具體過(guò)程為：讀取每只探針在各采樣時(shí)刻的熱敏電阻阻值，結(jié)合恒溫水槽標(biāo)準(zhǔn)溫度建立新的、更為準(zhǔn)確的探針溫度—阻值關(guān)系。由于已記錄的熱敏電阻的數(shù)值是始終不變的，可依據(jù)新的溫度—電阻關(guān)系對(duì)測(cè)試探針的數(shù)據(jù)作數(shù)據(jù)處理，進(jìn)而得到校驗(yàn)后的測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)。⑤分析討論經(jīng)過(guò)校驗(yàn)的FY1探針和FY2探針在同一標(biāo)準(zhǔn)溫度下的測(cè)溫性能差異。

圖3 實(shí)驗(yàn)室各標(biāo)準(zhǔn)溫度點(diǎn)下FY1探針和FY2探針示值變化情況Fig.3 Changes of the indications for FY1 and FY2 probes at each standard temperature point in laboratories

其中，溫度校驗(yàn)利用了STEINHART和HART方程（或R（所測(cè)量的熱敏電阻阻值）?T（計(jì)算出的溫度值）方程）[20]，即：

式中，T為從國(guó)家海洋計(jì)量站廣州分站恒溫槽內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻中獲取的溫度值，單位為攝氏度（℃）；R是每支FY1或FY2探針求取出來(lái)的平均實(shí)測(cè)電阻值，單位為歐姆（Ω）；A、B、C為計(jì)算系數(shù)，該系數(shù)由給定的若干組R-T值代入公式解得。溫度校驗(yàn)的實(shí)質(zhì)是利用實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)溫度T和探針在該溫度熱敏電阻阻值R求解系數(shù)，擬合出更貼近實(shí)際情況的STEINHART和HART方程，確保校驗(yàn)后探針在一段時(shí)間內(nèi)測(cè)溫的準(zhǔn)確性。

通過(guò)對(duì)比校驗(yàn)后的FY1探針和FY2探針對(duì)實(shí)驗(yàn)室恒溫水槽標(biāo)準(zhǔn)溫度的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（表2），可以進(jìn)一步分析新、舊兩型探針在各方面技術(shù)性能上的差異。

表2 校準(zhǔn)后FY1探針和FY2探針在各標(biāo)準(zhǔn)溫度點(diǎn)的測(cè)溫誤差Table 2 Temperature measurement errors for FY1 and FY2 probes at each standard temperature point after calibration

3.2 沉積物測(cè)溫對(duì)比

2020年5 月，搭載廣海局“海洋地質(zhì)四號(hào)”調(diào)查船，在中國(guó)南海北部陸坡深水海域開(kāi)展了FY1探針和FY2探針間的技術(shù)性能比測(cè)，實(shí)驗(yàn)區(qū)概位見(jiàn)圖4。參試設(shè)備有：FY1探針4支、FY2探針4支、傾斜儀1支、作為貫入裝置的重力柱狀取樣器1套，水下定位系統(tǒng)信標(biāo)1套。

圖4 試驗(yàn)區(qū)的位置示意圖S為設(shè)備比測(cè)點(diǎn)。Fig.4 Schematic location map of the testing areaS shows the location of equipment comparison point.

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：調(diào)查船抵達(dá)位于南海北部陸坡區(qū)水深為1445 m的試驗(yàn)點(diǎn)S（19.928°N、115.914°E），先將探針采樣間隔設(shè)為1 s，再將FY1探針和FY2探針各4支相間緊固在重力柱狀取樣器的取樣管上，再測(cè)量探針之間的相對(duì)距離，最后加掛水下定位信標(biāo)。安裝有兩套不同版本的自容式微型溫度測(cè)量記錄儀的海底地?zé)崃魈綔y(cè)工作方式參見(jiàn)其他文獻(xiàn)[3-4]。設(shè)備回收后，下載數(shù)據(jù)，繪制測(cè)量數(shù)據(jù)（溫度和姿態(tài)）-時(shí)間變化曲線，見(jiàn)圖5所示。圖5中的綠色曲線代表傾斜儀測(cè)量記錄曲線，3次海底地?zé)崃鳒y(cè)量過(guò)程中的傾斜角均不足11°，說(shuō)明本次實(shí)驗(yàn)熱流探針3次貫入到海底沉積物中的設(shè)備姿態(tài)均近似于垂直。紅色曲線為4支FY1探針的記錄曲線，藍(lán)色曲線為4支FY2探針的記錄曲線。這些溫度曲線很好地記錄了探針在水體中停留、貫入海底、海底測(cè)量和從海底起拔等過(guò)程的溫度變化特征。

圖5 FY1探針與FY2探針3次插入海底沉積物過(guò)程中的溫度—時(shí)間變化曲線圖圖中紅色曲線為FY1探針采集的數(shù)據(jù)，藍(lán)色曲線為FY2探針采集的數(shù)據(jù)，綠色代表傾斜儀的采集數(shù)據(jù)。Fig.5 The temperature-time curve of the FY1 probe and FY2 probe inserted into the seabed sediment for three timesThe red curve in the figure is the data collected by the FY1 probe,the blue curve is that by the FY2 probe,and the green represents Inclinometer acquisition data.

在“恒溫水槽內(nèi)的測(cè)溫對(duì)比”和“沉積物測(cè)溫對(duì)比”的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)中，F(xiàn)Y1探針和FY2探針均處在良好的工作狀態(tài)下，設(shè)備完好率達(dá)100%，數(shù)據(jù)有效率為100%，數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和技術(shù)性能的對(duì)比

本文以在“恒溫水槽內(nèi)的測(cè)溫對(duì)比”和“沉積物測(cè)溫對(duì)比”兩個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)，重點(diǎn)對(duì)溫度測(cè)量的分辨率、精度和穩(wěn)定度等方面進(jìn)行分析對(duì)比，系統(tǒng)討論了微型溫度測(cè)量記錄儀在技術(shù)升級(jí)改正前后的技術(shù)性能和特征。

4.1 測(cè)量分辨率的對(duì)比分析

測(cè)量分辨率通常指的是儀器能夠檢測(cè)和顯示的被測(cè)值的最小變化量。對(duì)于本文中的微型溫度記錄儀而言，測(cè)量分辨率即指記錄儀量值能夠檢測(cè)到溫度的最小變化量，等同于測(cè)量分辨率 (σ)是測(cè)量溫度（T）對(duì)記錄儀量值 (δ)的微分，即：

式中，溫度T（單位：℃）是測(cè)溫電阻R（單位：Ω）的函數(shù)，并遵循公式（1）。在公式（1）中，由于C遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于B，在公式（2）中的第一項(xiàng)可簡(jiǎn)化計(jì)算得到：

測(cè)溫電阻R與測(cè)量電壓U（單位：V）的關(guān)系決定于電路，其函數(shù)關(guān)系見(jiàn)以下公式：

因此，從公式2中的第二項(xiàng)可計(jì)算得到：

測(cè)量電壓U與記錄儀量值δ（單位：Ct）的關(guān)系是由記錄儀電路和內(nèi)置高精度ADC器件性能決定的，呈線性關(guān)系，本文中的微型記錄儀采用高精度24位ADC，存在：

所以，從公式2中的第3項(xiàng)可計(jì)算得到：

最后，從公式3、5和7的聯(lián)立方程計(jì)算得到測(cè)量分辨率：

根據(jù)自推導(dǎo)的公式8，B≈ 1.8693×10?4。再設(shè)深海海底溫度0、2.5和5 ℃來(lái)進(jìn)行估算，相應(yīng)的等效測(cè)溫電阻分別為9.4453×104、8.3512×104和7.3966×104?，對(duì)應(yīng)的等效測(cè)量電壓分別為0.3903、0.4664和0.5401 V，最終計(jì)算得到等效分辨率分別為9.0682×10?6、1.1969×10?5和1.5854×10?5℃/Ct。當(dāng)FY2微型記錄儀的量值噪聲在1 Ct左右，可認(rèn)為理論上其溫度測(cè)量分辨率可達(dá)到1.0×10?5℃。

在恒溫水槽內(nèi)的測(cè)溫和深海海底沉積物測(cè)溫兩個(gè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，在10 s采樣間隔，或儀器允許的最小1 s采樣間隔下，不同位置處FY1探針和FY2探針的溫度示值表明（表3），F(xiàn)Y1探針溫度示值在百分位上保持穩(wěn)定，在千分位上以±0.001 ℃發(fā)生變化，表明其分辨率為0.001 ℃；而FY2探針溫度示值則在千分位上保持穩(wěn)定，在萬(wàn)分位上以±0.0001 ℃發(fā)生變化，表明其分辨率優(yōu)于0.0001 ℃。在圖5中，相同1 s采樣間隔下，放大后FY2探針曲線比FY1探針對(duì)比顯得連續(xù)和光滑，而FY1探針出現(xiàn)了一些不規(guī)則臺(tái)階，再次表明FY2探針具有更高的測(cè)量分辨率。

4.2 測(cè)量準(zhǔn)確度的對(duì)比分析

測(cè)量準(zhǔn)確度反映了測(cè)量結(jié)果與真值接近程度的量。它與誤差的大小相對(duì)應(yīng)，因此，可用誤差大小來(lái)表示精度的高低，誤差小則精度高，誤差大則精度低。本文中的微型溫度記錄儀精度的高低可用溫度示值與溫度真值之間的誤差大小來(lái)描述。從表2可知，F(xiàn)Y1探針在各標(biāo)準(zhǔn)溫度點(diǎn)下的測(cè)量誤差均小于等于±0.003 ℃，與早期的結(jié)果一致[19]；而FY2探針的測(cè)量誤差在±0.0015 ℃范圍之內(nèi)，說(shuō)明F Y2探針具有更高的測(cè)量準(zhǔn)確度。

表3 實(shí)驗(yàn)中FY1與FY2探針溫度示值變化對(duì)比Table 3 Comparison of temperature indication changes of FY1 and FY2 probes in the experiment

4.3 測(cè)量穩(wěn)定性的對(duì)比分析

測(cè)量穩(wěn)定性是指測(cè)量?jī)x器保持其計(jì)量特性隨時(shí)間恒定的能力。在實(shí)驗(yàn)中，自容式微型溫度測(cè)量記錄儀的測(cè)量穩(wěn)定性，實(shí)質(zhì)為在一定時(shí)間內(nèi)經(jīng)校準(zhǔn)后的探針在相同溫度環(huán)境下其測(cè)量溫度示值的穩(wěn)定性。在恒溫水槽內(nèi)測(cè)溫對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，在各標(biāo)準(zhǔn)溫度點(diǎn)恒溫水槽環(huán)境下的5～8 min穩(wěn)定時(shí)段里，F(xiàn)Y1探針的溫度示值在百分位保持穩(wěn)定，在千分位以±0.001 ℃變化，而FY2探針則在千分位保持穩(wěn)定，在萬(wàn)分位上以±0.0001 ℃變化（表3），說(shuō)明了FY2探針具有更好的穩(wěn)定性。在沉積物測(cè)溫對(duì)比實(shí)驗(yàn)中（圖6），F(xiàn)Y2探針組的溫度—深度間距關(guān)系的擬合公式R2值為0.9995，而FY1探針組的為0.9983；表4所列的3次插入結(jié)果也佐證了兩者對(duì)比中的FY2探針組具有更好的穩(wěn)定性。本文中的3次地溫梯度測(cè)量結(jié)果存在稍微差異，地溫梯度值分別為88.8、92.7和89.5 ℃/km，其測(cè)量值離散的原因是這些測(cè)試站位受海底流體活躍影響所致。這種在一個(gè)很小范圍內(nèi)海底地?zé)崃鲾?shù)據(jù)比較離散的現(xiàn)象，在南海北部陸坡的水合物勘探區(qū)比較普遍。該站位的平均地溫梯度為90.3±2.1 ℃/km，相鄰海域的沉積物熱導(dǎo)率為0.86 W/（m·k）[4]，海底地?zé)崃髦禐?8 mW/ m2。

表4 3次插入過(guò)程中，海底地溫梯度的線性擬合對(duì)比Table 4 The formula and data table for calculating the temperature gradient by linear fitting temperature-distance when inserting for three times

圖6 第1次插入海底并計(jì)算地溫梯度過(guò)程中，F(xiàn)Y1探針和FY2探針各自測(cè)得溫度點(diǎn)，溫度—探針間距線性擬合關(guān)系圖Fig.6 In the process of inserting into the seabed for the first time and calculating the geothermal gradient,the temperature points measured by the FY1 probe and the FY2 probe respectively,and the linear fitting relationship between temperature and probe distance

4.4 接口技術(shù)

接口技術(shù)主要是指計(jì)算機(jī)和溫度測(cè)量設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。這涉及參數(shù)設(shè)置命令和數(shù)據(jù)讀取的準(zhǔn)確性和速度。數(shù)據(jù)讀取試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)兩組探針均以1 s采樣間隔采集5000個(gè)溫度數(shù)據(jù)時(shí)，F(xiàn)Y1探針組讀取數(shù)據(jù)平均用時(shí)104.59 s，而FY2探針組讀取相同數(shù)量的平均用時(shí)僅為7.92 s，后者的讀取速度比前者有顯著的提升。

基于深海儀器可靠性設(shè)計(jì)考慮，F(xiàn)Y1、FY2的通訊均采用無(wú)接頭單線異步半雙工通訊技術(shù)。這種設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)在FY1多年來(lái)海上工作和FY2試驗(yàn)中均得到了充分證明。然而，在FY1探針研發(fā)和使用初期，探針主要是通過(guò)計(jì)算機(jī)的串口與設(shè)備單端接地的非標(biāo)RS485接口實(shí)現(xiàn)單線通訊，在野外數(shù)據(jù)讀取時(shí)，非標(biāo)接口降低了讀寫速度，還可能增加誤碼率。而技術(shù)升級(jí)后的FY2探針采用了標(biāo)準(zhǔn)單線串口傳輸技術(shù)，隨著計(jì)算機(jī)的更新?lián)Q代，主流計(jì)算機(jī)基本采用較高速的USB虛擬串口，F(xiàn)Y1探針的非標(biāo)設(shè)計(jì)造成通訊不穩(wěn)定性越來(lái)越明顯，而FY2明顯通訊穩(wěn)定可靠，與計(jì)算機(jī)之間的通訊更為順暢。

“恒溫水槽測(cè)溫對(duì)比”和“沉積物測(cè)溫對(duì)比”兩個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)后的FY2探針較FY1探針在溫度測(cè)量分辨率、測(cè)量準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性等技術(shù)性能上都有了顯著的提升接口技術(shù)的改進(jìn)，使得FY2探針數(shù)據(jù)讀取速度更快，誤碼率降低。

5 結(jié)論

基于前期自主研發(fā)的FY1探針的技術(shù)開(kāi)發(fā)積累，對(duì)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了升級(jí)改造，研發(fā)出了新型的FY2探針。在實(shí)驗(yàn)室恒溫水槽和南海北部陸坡深水海域，分別對(duì)FY1和FY2兩組探針做了“恒溫水槽測(cè)溫對(duì)比”和“沉積物測(cè)溫對(duì)比”兩個(gè)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，①與FY1探針相比，F(xiàn)Y2探針在溫度測(cè)量分辨率、精度、工作效率等技術(shù)指標(biāo)更具優(yōu)勢(shì)，采集系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定；②FY2探針的通訊接口方面與現(xiàn)今主流計(jì)算機(jī)技術(shù)融合度更佳，數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣雀?，?zhǔn)確度更高；③FY2探針技術(shù)性能全面超越技術(shù)升級(jí)改造前的FY1探針；④FY2的測(cè)量分辨率優(yōu)于0.0001 ℃，測(cè)量準(zhǔn) 確度優(yōu)于±0.0015 ℃，比測(cè)點(diǎn)S（19.928°N、115.914°E）的海底熱流值為78 mW/ m2。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明新設(shè)備具有高分辨率、高精度以及高效的測(cè)量能力的特點(diǎn)，將為未來(lái)的海底熱流探測(cè)與研究領(lǐng)域提供新的助力。

致謝：感謝中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局、珠海市泰德企業(yè)有限公司、國(guó)家海洋計(jì)量站廣州分站和“海洋地質(zhì)四號(hào)”船的全體調(diào)查人員，是他們的關(guān)心支持和辛勤勞動(dòng)使得FY2探針的海上試驗(yàn)得以順利完成！王先慶和李雨幫助清繪插圖，在此表示衷心致謝。