趙建銳，王海濤，董 濤，武玉華

(國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津300112)

0 引言

投棄式溫鹽深儀(XCTD)是一種先進(jìn)的海洋動(dòng)力環(huán)境要素測(cè)量?jī)x器，可在船舶走航條件下快速、隱蔽獲取水下溫度和電導(dǎo)率數(shù)據(jù)，并衍生鹽度、密度和聲速剖面數(shù)據(jù)，其主要特點(diǎn)是快捷經(jīng)濟(jì)、操作簡(jiǎn)便、測(cè)量隱蔽，可滿足快速獲取大面積海域水文數(shù)據(jù)的需求，為海洋調(diào)查、科學(xué)研究、軍事應(yīng)用提供了先進(jìn)的測(cè)量手段[1]。目前，美國(guó)和日本在投棄式溫鹽深儀(XCTD)產(chǎn)品方面一直處于世界領(lǐng)先水平[2]。2000年以來(lái)，國(guó)家海洋技術(shù)中心致力于XCTD的研究，經(jīng)過(guò)多年的技術(shù)攻關(guān)，掌握了XCTD全部核心技術(shù)，具備了XCTD批量生產(chǎn)能力，可提供多種型號(hào)的XCTD系列化產(chǎn)品，并且正致力于新型號(hào)的研發(fā)以滿足不同客戶的需求。

投棄式溫鹽深探頭因?yàn)橐淮涡允褂玫奶攸c(diǎn)，要求其設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，投棄式儀器上均沒(méi)有獲取探頭入水深度的傳感器，無(wú)法直接得到探頭海洋環(huán)境測(cè)量值與深度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，深度數(shù)據(jù)是理論計(jì)算得出的。目前大深度XCTD下落深度的計(jì)算方法一般應(yīng)用傳統(tǒng)力學(xué)公式，但由于探頭在水中運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，這種計(jì)算方法并不理想，與實(shí)際存在較大誤差。國(guó)外通過(guò)理論計(jì)算并結(jié)合不同機(jī)構(gòu)在多海域進(jìn)行的與溫鹽深剖面儀的比對(duì)試驗(yàn)，對(duì)理論深度公式進(jìn)行修正，試驗(yàn)的資金、時(shí)間成本均太高[3]。文章通過(guò)理論計(jì)算與水下運(yùn)動(dòng)測(cè)量海上實(shí)測(cè)相結(jié)合的方法，對(duì)大深度XCTD探頭的深度公式進(jìn)行修正，成本低廉、可操作性強(qiáng)。

1 大深度XCTD的結(jié)構(gòu)和工作原理

大深度XCTD主要由XCTD探頭、發(fā)射裝置和數(shù)據(jù)接收處理單元組成。XCTD探頭為一次性使用儀器，工作流程如下：探頭由位于船尾部(或兩弦)的發(fā)射裝置發(fā)射入水，入水后探頭即開(kāi)始測(cè)量海水溫度和電導(dǎo)率數(shù)據(jù)，隨著探頭在水中的下沉，數(shù)據(jù)接收處理單元實(shí)時(shí)接收測(cè)量數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理。在船舶停航或走航條件下，通過(guò)投放XCTD測(cè)量探頭，實(shí)時(shí)獲取海水溫度、電導(dǎo)率剖面數(shù)據(jù)，并可衍生鹽度、密度和聲速剖面數(shù)據(jù)。對(duì)于大深度XCTD，為了適應(yīng)測(cè)量深度由1000 m提高到1850 m，水下導(dǎo)線長(zhǎng)度由原來(lái)的1050 m加長(zhǎng)至1900 m，為了容納1900 m的傳輸導(dǎo)線，水下線軸的長(zhǎng)度由107 mm加長(zhǎng)至約173 mm，為了提高電路板艙體耐壓性能、降低探頭重心以穩(wěn)定下降姿態(tài)，擬增加線路板艙體下端的厚度，目前已有的XCTD和大深度XCTD結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1所示。

圖1 探頭結(jié)構(gòu)圖

表1 大深度XCTD的技術(shù)指標(biāo)

2 XCTD探頭下落深度計(jì)算與分析

2.1 探頭下落深度計(jì)算

XCTD的深度數(shù)據(jù)不是通過(guò)壓力傳感器獲取，而是通過(guò)已知的探頭水中下降速度公式計(jì)算獲得，下降速度公式僅與入水后經(jīng)過(guò)的時(shí)間相關(guān)。XCTD實(shí)際使用時(shí)，探頭投放高度會(huì)存在明顯的不同，需考慮探頭自海面以上一定高度自由下落入水前后運(yùn)動(dòng)的全過(guò)程。將運(yùn)動(dòng)分為3個(gè)階段：空中運(yùn)動(dòng)、水面沖擊、水中運(yùn)動(dòng)，并考慮探頭在水中下降過(guò)程中釋放導(dǎo)線造成的探頭質(zhì)量和排水體積的變化。在空中入水前的運(yùn)動(dòng)階段，忽略空氣阻力及浮力對(duì)探頭的影響，近似地看成自由落體運(yùn)動(dòng)。導(dǎo)線釋放所引起的探頭質(zhì)量變化非常微小(在1.5‰左右)，不考慮質(zhì)量變化。通過(guò)求解自由落體運(yùn)動(dòng)方程，可以得到探頭入水時(shí)刻和入水速度。在水面沖擊階段，物體以一定的初速度入水時(shí)，因?yàn)樗拿芏缺瓤諝獯蟮枚?，入水時(shí)，探頭將主要受沖擊力的作用，其他相對(duì)來(lái)說(shuō)是小量。通過(guò)求解動(dòng)量方程，最后得到入水沖擊速度損失后的入水初始速度。在水中運(yùn)動(dòng)階段，由于探頭水中下降運(yùn)動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)、距離大，在建立水中運(yùn)動(dòng)方程時(shí)必須考慮探頭釋放導(dǎo)線造成的探頭質(zhì)量和排水體積的變化，其運(yùn)動(dòng)是一種變質(zhì)量、變加速度運(yùn)動(dòng)。由于已知探頭入水后的初始速度，建立探頭的水下受力方程和運(yùn)動(dòng)方程，求解上述兩個(gè)方程就可以得到對(duì)應(yīng)各時(shí)刻的探頭速度和入水距離。

通過(guò)對(duì)擬合公式計(jì)算結(jié)果的分析，在探頭達(dá)到極限速度以后的深度-時(shí)間曲線與理論計(jì)算曲線基本平行，采取合理的修正方法可以滿足技術(shù)指標(biāo)中深度精度的要求。擬合公式相對(duì)簡(jiǎn)化，試驗(yàn)量也相對(duì)較少，但表層測(cè)量精度相對(duì)較低。探頭從投放，然后入水，達(dá)到極限運(yùn)動(dòng)速度整個(gè)過(guò)程中經(jīng)歷一個(gè)勻加速運(yùn)動(dòng)、沖擊過(guò)程和變減(或加)速運(yùn)動(dòng)，這些都是在水表層約10 m深度內(nèi)完成的。而XCTD探頭作為特殊用途的快速測(cè)量?jī)x器，表層測(cè)量不是主要任務(wù)，因此通過(guò)擬合公式進(jìn)行探頭深度參數(shù)計(jì)算是完全可行的。這一點(diǎn)也可以通過(guò)國(guó)外探頭深度計(jì)算擬合公式得到證實(shí)。

由于大深度XCTD探頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)改進(jìn)，探頭的外形、重量、重心、浮心、排水體積等參數(shù)也隨之變化，大深度XCTD探頭的這些參數(shù)需要重新測(cè)定。

探頭的外形、重量、重心、排水體積等物理參數(shù)確定后，探頭在水中的極限速度就已經(jīng)確定，探頭入水后所處的深度僅與入水后經(jīng)過(guò)的時(shí)間(以入水時(shí)刻為零點(diǎn)開(kāi)始計(jì)時(shí))和探頭水中重量(由于傳輸導(dǎo)線的釋放，探頭水中重量在不斷變化)有關(guān)，應(yīng)用探頭深度計(jì)算公式，根據(jù)入水后經(jīng)過(guò)的時(shí)間，即可計(jì)算得到探頭任意時(shí)刻的所在深度。

深度計(jì)算一般采用的擬合公式：

Z(t)=A·t+B·t2

(1)

式中，系數(shù)A代表探頭的極限速度(包含所有導(dǎo)線質(zhì)量)；系數(shù)B與導(dǎo)線的屬性及探頭總質(zhì)量有關(guān)，其物理含義是單位長(zhǎng)度導(dǎo)線的浮力和重力之差導(dǎo)致探頭運(yùn)動(dòng)的加速度；系數(shù)A可以通過(guò)試驗(yàn)校正；系數(shù)B可以通過(guò)理論計(jì)算得到。

深度擬合公式中極限運(yùn)動(dòng)速度通過(guò)公式(2)計(jì)算[4，5]：

(2)

式中，v為探頭的極限速度；m為探頭質(zhì)量；g為重力加速度；F為探頭受到的浮力；Cx為總阻力系數(shù)；ρ為海水密度；S為物體浸濕投影面積。

2.2 大深度XCTD水下運(yùn)動(dòng)測(cè)量方法研究

XCTD屬于投棄式儀器，不可回收，探頭投放入水后，無(wú)法知道探頭在水中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，因此，有必要研制探頭水下運(yùn)動(dòng)測(cè)量裝置。該測(cè)量裝置包括裝配壓力傳感器的XCTD壓力探頭、壓力測(cè)量電路和數(shù)據(jù)接收軟件。

壓力傳感器擬選擇量程在0～20 MPa，準(zhǔn)確度優(yōu)于±0.25%，高精度的絕壓傳感器。壓力測(cè)量電路原理如圖2所示，把測(cè)量電路安裝在探頭的密封電子艙內(nèi)，通過(guò)漆包線把測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)接收處理單元，數(shù)據(jù)接收處理單元對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，顯示實(shí)時(shí)的深度-時(shí)間曲線。

圖2 壓力測(cè)量電路原理框圖

在對(duì)全狀態(tài)探頭的物理特性(包括探頭質(zhì)量、浮力、漆包線質(zhì)量和體積的線密度)測(cè)量后，參照已有XCTD探頭的水動(dòng)力性能參數(shù)。在此基礎(chǔ)上建立大深度XCTD的水下運(yùn)動(dòng)理論計(jì)算模型，編制數(shù)值計(jì)算程序，求取理論深度公式。

壓力探頭的裝配及物理特性參數(shù)(包括探頭質(zhì)量、浮力、漆包線質(zhì)量和體積的線密度)的調(diào)整是壓力探頭試驗(yàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，只有把壓力探頭的物理特性參數(shù)與測(cè)量探頭調(diào)整一致，才能保證兩者的深度曲線一致。大深度XCTD水下導(dǎo)線長(zhǎng)度由常規(guī)XCTD的1050 m加長(zhǎng)至1900 m，水下導(dǎo)線長(zhǎng)度的增加將導(dǎo)致探頭下落速度比常規(guī)探頭下降速度快，大深度XCTD線長(zhǎng)的變化以及耐壓要求的變化導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件與常規(guī)XCTD變化比較大。在制作壓力探頭的結(jié)構(gòu)件時(shí)，需要與大深度XCTD探頭保持一致，探頭導(dǎo)線也選用同一批次產(chǎn)品，因此探頭的總浮力可以保證一致，探頭質(zhì)量與質(zhì)心可以通過(guò)在探頭密封艙內(nèi)配重調(diào)成一致。因此，只要對(duì)壓力探頭裝配過(guò)程進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量控制，可以保證兩者的物理特性一致。

通過(guò)海上試驗(yàn)獲得的整批次壓力探頭深度曲線后，對(duì)單個(gè)曲線的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行兩次濾波：一次采用非線性中值濾波以消除毛刺，一次采用低通余弦濾波以消除小的噪聲。濾波后，對(duì)有效數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，得出最終的深度曲線數(shù)據(jù)。以此作為探頭深度的真值，與深度公式給出的深度值進(jìn)行比對(duì)，完成深度公式中系數(shù)的修正。

3 試驗(yàn)

3.1 深度公式海上實(shí)測(cè)試驗(yàn)

2019年10月在南海進(jìn)行了加裝壓力傳感器的XCTD探頭測(cè)試，共投放4枚探頭，其中1#、2#、4#探頭的一致性較好，因此選擇這3枚探頭的數(shù)據(jù)修正理論計(jì)算公式模型。根據(jù)3枚深度數(shù)據(jù)算術(shù)平均值修正理論計(jì)算模型，給出深度計(jì)算公式如下：

Z(t)=4.4854·t+ -0.0002411t2

(3)

深度計(jì)算值與3枚探頭深度數(shù)據(jù)平均值的數(shù)據(jù)相關(guān)度達(dá)到99.9999%。由圖3可知，擬合值與3枚探頭深度數(shù)據(jù)平均值的相對(duì)誤差，在0～1850 m不超過(guò)0.2%。

圖3 深度計(jì)算值與3枚探頭深度平均值的相對(duì)誤差曲線

3.2 XCTD/CTD海上可控對(duì)比試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)系數(shù)修正的效果，需要進(jìn)行XCTD/CTD海上可控比對(duì)試驗(yàn)?？煽氐脑囼?yàn)要求：所有XCTD數(shù)據(jù)都由標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)的CTD剖面數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)，要求XCTD/CTD近同步比對(duì)，XCTD盡可能在CTD下放的過(guò)程中投放，這樣兩個(gè)儀器至少能在某一個(gè)深度同步。這樣盡可能地減少由于時(shí)間/空間變化導(dǎo)致溫度場(chǎng)變化(如內(nèi)波影響)所引起的深度誤差。通常要求在CTD開(kāi)始下放的10～15 min后，投放XCTD，使得兩者同時(shí)出現(xiàn)在溫躍層內(nèi)。

對(duì)XCTD/CTD的原始數(shù)據(jù)，采用線性插值的方法給出每米間隔的數(shù)據(jù)。XCTD深度由修正后的深度公式計(jì)算。把修正后的深度公式代入XCTD探頭的深度數(shù)據(jù)中，對(duì)3枚探頭與SEB19 plus CTD 的剖面測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，計(jì)算相關(guān)系數(shù)和平均絕對(duì)誤差，XCTD測(cè)量的溫度電導(dǎo)率深度曲線與CTD測(cè)出的曲線相似度在0.9995以上，溫度平均絕對(duì)誤差在0.1 ℃以內(nèi)，電導(dǎo)率平均絕對(duì)誤差在0.1 mS/cm以內(nèi)，能夠滿足測(cè)量的誤差要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

大深度XCTD的深度測(cè)量準(zhǔn)確度與探頭水中下降公式密切相關(guān)，由于探頭在空氣和水中運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的復(fù)雜性及其本身的重量偏差，利用傳統(tǒng)力學(xué)公式很難精確推導(dǎo)出探頭的深度公式，文章通過(guò)設(shè)計(jì)專用探頭(加裝壓力傳感器，外形和重量與實(shí)際探頭完全一致)，通過(guò)海試對(duì)深度計(jì)算公式進(jìn)行歸納和修正，得出深度公式系數(shù)A=4.4854；B=-0.0002411。通過(guò)海試中大深度XCTD與同站位CTD的比測(cè)，驗(yàn)證了深度公式的準(zhǔn)確性，解決了大深度XCTD探頭下落深度計(jì)算的難點(diǎn)。與標(biāo)準(zhǔn)CTD的海上對(duì)比試驗(yàn)證明，利用文章的方法計(jì)算出的深度平均誤差在2%以內(nèi)，達(dá)到了理想目標(biāo)。該研究為大深度XCTD的產(chǎn)品化提供了技術(shù)支持。