張龍，葉松，周樹道，劉鳳，韓月琪

（國(guó)防科技大學(xué) 氣象海洋學(xué)院，江蘇南京211101）

海水溫鹽深剖面測(cè)量技術(shù)綜述

張龍，葉松，周樹道，劉鳳，韓月琪

（國(guó)防科技大學(xué) 氣象海洋學(xué)院，江蘇南京211101）

溫鹽深是反應(yīng)海洋物理學(xué)特性的重要參數(shù)，是海洋水文觀測(cè)的基本要素。CTD剖面儀（Conductivity-Temperature-Depth profiler）是進(jìn)行海水溫鹽剖面觀測(cè)的主要儀器，利用CTD剖面儀可精確測(cè)得水下不同深度上海水的溫度和電導(dǎo)率參數(shù)，進(jìn)而能夠推算出海水鹽度、密度、聲速等相關(guān)信息，對(duì)于海洋經(jīng)濟(jì)開發(fā)、海上國(guó)防建設(shè)、海洋環(huán)境保護(hù)等都具有非常重要的意義。本文介紹了溫鹽深剖面測(cè)量技術(shù)的基本原理與發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)幾種典型的溫鹽深測(cè)量設(shè)備及各種海洋觀測(cè)平臺(tái)中搭載的CTD傳感器進(jìn)行了介紹，論述了CTD傳感器的標(biāo)定和測(cè)試技術(shù)，并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析。

溫度測(cè)量；鹽度測(cè)量；深度測(cè)量；CTD剖面儀；傳感器技術(shù)；發(fā)展趨勢(shì)

海洋覆蓋了地球表面積的70%以上，與人類生活息息相關(guān)。隨著全球氣候快速變化，研究海洋的重要性日益凸顯（Mowlem et al，2008）。溫鹽深剖面儀（Conductivity-Temperature-Depth profiler，簡(jiǎn)稱CTD剖面儀）是測(cè)量海洋物理特性的重要工具，它為海洋學(xué)家提供了不同深度下精確的海水溫度和鹽度等參數(shù)，從而能夠更加準(zhǔn)確地揭示海洋的基本物理特性（Fan et al，2010），對(duì)于海洋經(jīng)濟(jì)開發(fā)、軍事力量建設(shè)、海洋環(huán)境保護(hù)等具有非常重要的意義。

在數(shù)十年的發(fā)展過程中，美國(guó)的CTD測(cè)量技術(shù)一直走在世界前列，著名的CTD生產(chǎn)廠家有SeaBird（海鳥），F(xiàn)SI，YSI等。日本的CTD產(chǎn)品與海洋調(diào)查緊密結(jié)合，致力于小型低功耗產(chǎn)品的研發(fā)，注重發(fā)展鏈?zhǔn)较盗魝鞲衅鳒y(cè)量技術(shù)（張兆英，2003）。同時(shí)，將海洋生物學(xué)、光學(xué)、化學(xué)等要素納入到測(cè)量范疇，向著多傳感器綜合測(cè)量方向發(fā)展。英國(guó)、意大利等歐洲國(guó)家也始終走在CTD測(cè)量技術(shù)的前列。意大利Idronaut公司研發(fā)的300系列CTD，采用大口徑七電極電導(dǎo)率傳感器，傳感器性能得到明顯改善，并且采用A/D轉(zhuǎn)換電路代替了海鳥公司產(chǎn)品采用的振蕩器設(shè)計(jì)，在同類產(chǎn)品中具有較高的競(jìng)爭(zhēng)力。近年來，我國(guó)的CTD測(cè)量技術(shù)發(fā)展迅速，相繼成功研制了船體固定式、拖曳式、拋棄式等多種CTD測(cè)量?jī)x器。雖然研制成功的高精度CTD的技術(shù)指標(biāo)已接近世界先進(jìn)水平（張兆英等，2002），但是仍存在自主創(chuàng)新能力不強(qiáng)，數(shù)據(jù)采集速度較慢，集成化程度不高，智能化程度較低，儀器長(zhǎng)期穩(wěn)定性不佳等技術(shù)短板。

目前，CTD產(chǎn)品正向著低功耗、模塊化、智能化、多參數(shù)方向發(fā)展，同時(shí)注重提高傳感器的測(cè)量精度和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，以獲得更高精度和分辨率的觀測(cè)數(shù)據(jù)（Petitt et al，2005）。防生物附著技術(shù)仍然是該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。隨著深遠(yuǎn)海發(fā)展戰(zhàn)略的逐步推進(jìn)，深海溫鹽深測(cè)量技術(shù)已成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

1 溫鹽深傳感器發(fā)展概況

在溫鹽深剖面儀中，溫度、電導(dǎo)率和深度傳感器是水文要素測(cè)量的最終執(zhí)行者。在過去幾十年中，CTD傳感器的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下三個(gè)階段（牛付震，2009）：

（1）基于模擬補(bǔ)償算法的STD（Salinity，Temperature，Depth）階段：在此過程中，鹽度數(shù)據(jù)大多是通過模擬補(bǔ)償算法獲得的，由此引出了“溫度補(bǔ)償”、“壓力補(bǔ)償”等概念。其基本方法是模擬海水電導(dǎo)率與溫度、壓力的關(guān)系，用溫度和壓力數(shù)據(jù)對(duì)電導(dǎo)率進(jìn)行補(bǔ)償，最終由電導(dǎo)率直接計(jì)算出鹽度。

（2）基于數(shù)字化存儲(chǔ)和通信的CTD傳感器：該階段的主要特征是不再將傳感器的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)化為頻率信號(hào)或模擬信號(hào)，而是將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，進(jìn)行數(shù)字化的存儲(chǔ)和傳輸。數(shù)字化測(cè)量具有更高的分辨率和更強(qiáng)的抗干擾能力，有助于實(shí)現(xiàn)水上設(shè)備的數(shù)字化存儲(chǔ)和顯示。

（3）智能化的CTD傳感器：微處理器的應(yīng)用使溫鹽深測(cè)量實(shí)現(xiàn)了智能化。其智能化特征主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：將傳感器的定標(biāo)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到微處理器中，在測(cè)量過程中可對(duì)傳感器進(jìn)行零點(diǎn)和滿量程校正，有效提高了測(cè)量的準(zhǔn)確性；水下微處理器和通用異步收發(fā)器的運(yùn)用，使得水上設(shè)備和水下探頭可通過數(shù)據(jù)傳輸電纜進(jìn)行雙向?qū)υ挕?/p>

目前，CTD剖面儀搭載的溫度傳感器主要有熱敏電阻和鉑電阻兩種類型。兩者均具有較高的測(cè)量精度和穩(wěn)定性，差別在于：鉑電阻傳感器的特性曲線基本滿足線性關(guān)系，且相同尺寸的鉑電阻阻值小于熱敏電阻；熱敏電阻的特征函數(shù)為指數(shù)特征，阻值較大，靈敏度高，響應(yīng)時(shí)間為60 ms，穩(wěn)定性可達(dá)0.001益/年。

由于受加工工藝和材料的限制，電導(dǎo)率傳感器一直是CTD測(cè)量技術(shù)的研究重點(diǎn)?，F(xiàn)有的電導(dǎo)率傳感器主要分為感應(yīng)式和電極式兩類，其標(biāo)稱精度已達(dá)到0.001 mS/cm（潘樂樂，2015）。感應(yīng)式電導(dǎo)率傳感器結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，性能穩(wěn)定，響應(yīng)速度快，但是易受電磁干擾，難以保證使用過程中的測(cè)量精度。電極式傳感器又可分為兩電極、三電極、四電極、七電極四種類型，具有較強(qiáng)的抗干擾能力和較高的測(cè)量精度，但是時(shí)間常數(shù)較大，易污染，且清洗過程復(fù)雜（蘭卉，2012）。意大利Idronaut公司的OCEAN SEVEN 316 plus型CTD采用七電極電導(dǎo)率傳感器，可在現(xiàn)場(chǎng)清洗而不用重新校準(zhǔn)，方便集成到浮標(biāo)系統(tǒng)、ROV和AUV等移動(dòng)觀測(cè)平臺(tái)中。

壓力傳感器主要分為硅阻式和應(yīng)變式兩種類型，測(cè)量精度為0.1%FS左右。海鳥公司的SBE 911 plus CTD產(chǎn)品采用帶有溫度補(bǔ)償?shù)氖毫鞲衅鳎錅y(cè)量精度可達(dá)0.01%FS。幾種典型CTD傳感器的技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

2 典型的溫鹽深剖面測(cè)量設(shè)備

在數(shù)十年的研究過程中，不同的應(yīng)用需求催生了多種類型的溫鹽深剖面測(cè)量設(shè)備，其中包括船用絞車布放式、拖曳式、拋棄式以及搭載在各種海洋觀測(cè)平臺(tái)上的溫鹽深剖面測(cè)量設(shè)備。

2.1 船用絞車布放式溫鹽深剖面儀

絞車布放式溫鹽深剖面儀廣泛應(yīng)用于海洋調(diào)查中，是目前應(yīng)用最多的溫鹽深剖面測(cè)量設(shè)備。其中最具代表性的是海鳥公司的SBE 911Plus CTD剖面儀。

表1 幾種典型CTD傳感器的技術(shù)指標(biāo)

SBE 911plus CTD剖面儀搭載的傳感器采用模塊化設(shè)計(jì)，能夠快速準(zhǔn)確的獲取海水的溫度、電導(dǎo)率和深度參數(shù)。同時(shí)，還可以根據(jù)測(cè)量需要搭載溶解氧、pH值等其他類型的傳感器，進(jìn)行多要素海洋觀測(cè)。SBE 911plus觀測(cè)系統(tǒng)主要包括SBE 9 plus CTD單元、SBE 11甲板單元、SBE 17 plus SEARAM存儲(chǔ)單元和SBE 32采水器。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 SBE 911Plus CTD剖面儀

SBE 9 plus CTD單元是溫鹽深要素測(cè)量的主要執(zhí)行者，其內(nèi)部安裝有電導(dǎo)率、溫度和帶溫度補(bǔ)償?shù)母呔仁毫鞲衅鳌闇p小船體升降引起的鹽度尖峰效應(yīng)，采用TC導(dǎo)管將溫度和電導(dǎo)率傳感器聯(lián)接在一起，通過水泵迫使海水以恒定速率通過感溫原件和電導(dǎo)池，從而可以準(zhǔn)確獲取同一水團(tuán)的溫度和電導(dǎo)率數(shù)據(jù)（郭斌斌等，2015）。

SBE 11 plus甲板單元包含RS-232及IEEE-488計(jì)算機(jī)通信接口、115/230VAC轉(zhuǎn)換開關(guān)、盒式磁帶備份記錄儀接口、原始數(shù)據(jù)LED顯示器和觸底聲音報(bào)警設(shè)備。系統(tǒng)的標(biāo)定系數(shù)存貯在EPROM中，微控制器可將原始CTD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為溫度、鹽度和深度。

SBE 17 plus SEARAM是整個(gè)系統(tǒng)的控制單元，同時(shí)為SBE 9 plus CTD單元和SBE32采水器提供電源。通過系統(tǒng)程序，可以將數(shù)據(jù)采樣間隔、采水器觸發(fā)深度等參數(shù)預(yù)先輸入到SEARAM中，因此可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)及采水器觸發(fā)的自動(dòng)化。SBE32采水器采用磁開關(guān)觸發(fā)方式，提高了采水器的可靠性。

圖2為SBE 911Plus CTD剖面儀布放過程示意圖，其布放過程大致可概括為以下幾個(gè)步驟：安裝調(diào)試、參數(shù)設(shè)置、設(shè)備布放、下降過程中測(cè)量、上升過程中采水、設(shè)備回收、數(shù)據(jù)下載及處理。

圖2 SBE 911Plus CTD剖面儀布放方式

2.2 拖曳式溫鹽深剖面儀

與傳統(tǒng)CTD剖面儀的工作方式不同，拖曳式溫鹽深剖面儀（Underway Conductivity-Temperature-Depthprofiler，簡(jiǎn)稱UCTD）可在船舶航行過程中實(shí)現(xiàn)大面積、連續(xù)、快速的溫鹽剖面測(cè)量，測(cè)量結(jié)果具有更強(qiáng)的實(shí)時(shí)性和代表性，且具有更高的測(cè)量效率（張兆英等，2004）。拖曳式CTD剖面儀是研究海洋動(dòng)力學(xué)和海洋水文要素的重要監(jiān)測(cè)儀器，是觀測(cè)內(nèi)波和海洋上邊界層物理特性的有效手段。拖曳式CTD剖面儀的觀測(cè)數(shù)據(jù)不僅可以為海洋觀測(cè)系統(tǒng)中各種傳感器的定標(biāo)提供基本參數(shù)，而且可與衛(wèi)星遙感資料相結(jié)合，形成對(duì)海洋水文特征的立體描述（Rudnick et al，2007）。

國(guó)外對(duì)拖曳式CTD觀測(cè)系統(tǒng)的研究起步較早。加拿大貝德福海洋研究所研制的Batfish拖曳式CTD觀測(cè)系統(tǒng)是較早引入我國(guó)的型號(hào)之一。加拿大的BROOKE公司在拖曳深度的研究中處于領(lǐng)先，其研制的MVP型UCTD最大拖曳深度可達(dá)3400m。另外，美國(guó)YSI公司生產(chǎn)的V-FIN和英國(guó)公司生產(chǎn)的U-TOW和Sea Soar也是較為流行的UCTD品牌。表2列舉了幾種國(guó)外流行的拖曳式CTD剖面測(cè)量設(shè)備。

表2 國(guó)外流行的拖曳式CTD型號(hào)

拖曳式CTD測(cè)量系統(tǒng)主要由搭載有CTD傳感器的水下拖曳體、船用輕便絞車和纜繩等構(gòu)成。拖曳體由船尾布放，投放后做自由落體運(yùn)動(dòng)，絞車在無動(dòng)力狀態(tài)下迅速釋放纜繩，拖曳體在水中以近似垂直的軌跡下沉，并進(jìn)行剖面溫鹽深數(shù)據(jù)的測(cè)量。當(dāng)纜繩即將放盡時(shí)，絞車緊急制動(dòng)，并開啟絞車電機(jī)回收纜繩和水下拖曳體（任煒等，2008）。拖曳體出水后可進(jìn)行數(shù)據(jù)下載、數(shù)據(jù)處理和電池充電等工作。

根據(jù)不同的應(yīng)用需求，拖曳式CTD可分為以下幾種類型：根據(jù)拖曳體的結(jié)構(gòu)差異，可將其分為嵌入式拖曳CTD和外掛式拖曳CTD。嵌入式拖曳CTD采用固定結(jié)構(gòu)，將CTD剖面儀及其驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)安裝在一個(gè)封閉的拖曳體中。因拖曳體具有固定的結(jié)構(gòu)，故其運(yùn)行姿態(tài)和升降速度可精確控制，從而降低了設(shè)計(jì)制造的難度。缺點(diǎn)是采取拖曳體開孔的方式實(shí)現(xiàn)CTD傳感器周邊海水的交換，在拖曳行進(jìn)過程中，交換過程不夠充分，從而影響了CTD的測(cè)量精度。外掛式拖曳CTD采用開放式結(jié)構(gòu)，即CTD傳感器及其驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)直接懸掛于拖曳體外側(cè)，雖然解決了CTD傳感器與海水的交換問題，但是開放式結(jié)構(gòu)使得拖曳體的運(yùn)行姿態(tài)和升降速度難以精確控制。

另一種分類依據(jù)是拖曳體的運(yùn)行姿態(tài)，據(jù)此可將拖曳式CTD分為平行直線型、正弦曲線形和垂向直線型。平行直線型拖曳CTD拖曳體的運(yùn)動(dòng)軌跡為與艦船航線平行的直線。在測(cè)量過程中，拖曳體由艦船牽引，通過程序控制拖曳體的電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)拖曳體在預(yù)定測(cè)量剖面中的上浮和下潛。在電纜長(zhǎng)度固定和船速穩(wěn)定的情況下，可使拖曳體的運(yùn)行軌跡保持平行直線狀態(tài)。平行直線型CTD的特點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)定深測(cè)量，但是測(cè)量結(jié)果不連續(xù)。正弦曲線型拖曳CTD是最早出現(xiàn)且使用最廣的類型。拖曳體由艦船牽引，在設(shè)定的測(cè)量剖面中沉浮。通過程序控制拖曳體的電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，以改變拖曳體的升降姿態(tài)，理想情況下拖曳體的運(yùn)行軌跡為正弦曲線，但在實(shí)際測(cè)量中的運(yùn)行軌跡多為連續(xù)的多段直線。該類型拖曳CTD的特點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)連續(xù)測(cè)量，但是下潛深度較淺。垂直直線型拖曳CTD為加拿大BROOKE公司的專有類型。通過絞車控制拖曳體在測(cè)量剖面中的上浮和下潛。下潛時(shí)，降低船的航行速度，絞車完全釋放，拖曳體在海水中做近似自由落體運(yùn)動(dòng)，其下沉速度可達(dá)6 m/s。上升時(shí)，在絞車牽引下將拖曳體快速拉出水面。該類型拖曳CTD的特點(diǎn)是可進(jìn)行近似垂直的深海溫鹽剖面測(cè)量，但測(cè)量結(jié)果不對(duì)稱，且對(duì)拖曳體結(jié)構(gòu)和絞車控制性能要求較高。

拖曳式CTD測(cè)量系統(tǒng)的快速運(yùn)動(dòng)特性對(duì)傳感器的響應(yīng)時(shí)間提出了更高的要求，傳統(tǒng)CTD剖面儀的傳感器響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，難以達(dá)到拖曳式測(cè)量系統(tǒng)的要求，故將傳統(tǒng)的CTD傳感器簡(jiǎn)單地移植到拖曳體中是不合理的。其次，拖曳體的快速運(yùn)動(dòng)對(duì)傳感器的測(cè)量特性也產(chǎn)生了較大影響。在快速運(yùn)動(dòng)過程中，海水的粘滯特性增強(qiáng)，導(dǎo)致了較大的溫度測(cè)量誤差；快速運(yùn)動(dòng)中的沖擊動(dòng)量使得電導(dǎo)率傳感器的電極承受更大的沖擊，容易引起極化阻抗的增加；升降過程中拖曳體的加速度和沖擊動(dòng)量影響了壓力傳感器的測(cè)量結(jié)果。因此，在數(shù)據(jù)處理過程中，應(yīng)設(shè)法消除由于拖曳體的快速運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的溫鹽深測(cè)量誤差。

2.3 拋棄式溫鹽深剖面儀

拋棄式溫鹽深剖面儀（Expendable Conductivity-Temperature-Depth profiler，簡(jiǎn)稱XCTD）是國(guó)外于20世紀(jì)80年代開始研制并快速發(fā)展的一種海水溫鹽剖面測(cè)量設(shè)備。它可以在下沉過程中測(cè)量海水的電導(dǎo)率和溫度，并根據(jù)下沉?xí)r間和速度計(jì)算出深度，其最大測(cè)量深度可達(dá)2000m（Kizuetal，2008）。XCTD使用方便，性能可靠，可以艦船、潛艇和飛機(jī)為載體進(jìn)行大批量投放，快速獲取大面積海域內(nèi)的溫度和電導(dǎo)率數(shù)據(jù)，并據(jù)此計(jì)算出海水密度、鹽度、聲速等相關(guān)物理學(xué)參數(shù)。這些參數(shù)對(duì)于科學(xué)研究和國(guó)防建設(shè)等都具有極其重要的應(yīng)用價(jià)值。特別是在軍事應(yīng)用中，溫鹽剖面資料對(duì)于潛艇的航行、通信、隱蔽、攻擊以及水面艦艇的反潛行動(dòng)都起著至關(guān)重要的作用（Crescentini et al，2011）。

XCTD測(cè)量系統(tǒng)主要由拋棄式探頭、發(fā)射裝置、數(shù)據(jù)接收裝置和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)四部分組成。其中，拋棄式探頭及發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 XCTD探頭及發(fā)射裝置

拋棄式探頭是測(cè)量系統(tǒng)的核心，其中搭載的溫度和電導(dǎo)率傳感器可在探頭的下沉過程中測(cè)量海水的溫鹽度數(shù)據(jù)。微處理器用于完成傳感器輸出信號(hào)的采集、校正、轉(zhuǎn)換，并將數(shù)據(jù)經(jīng)通信接口電路實(shí)時(shí)傳輸至數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。需要說明的是，因?yàn)閄CTD沒有搭載壓力傳感器，故深度參數(shù)需要通過探頭的下沉速度計(jì)算獲得，下沉速度僅與探頭的入水時(shí)間有關(guān)，根據(jù)入水時(shí)間可以得到探頭任意時(shí)刻的下沉速度，積分后可以獲得探頭的深度（Chen et al，2015）。

發(fā)射裝置不僅用于發(fā)射探頭，還要作為水下探頭和水上數(shù)據(jù)接收裝置之間完成數(shù)據(jù)通信的輔助結(jié)構(gòu)。在探頭脫離發(fā)射裝置時(shí)，探頭和發(fā)射裝置中的傳輸導(dǎo)線線軸同時(shí)釋放高強(qiáng)度細(xì)導(dǎo)線，用于實(shí)現(xiàn)傳感器測(cè)量結(jié)果的數(shù)據(jù)傳輸。

數(shù)據(jù)接收裝置和數(shù)據(jù)處理軟件的主要功能是接收水下探頭傳回的溫度和電導(dǎo)率數(shù)據(jù)，并計(jì)算鹽度、密度、聲速等相應(yīng)參數(shù)；檢測(cè)探頭入水信號(hào)，并根據(jù)入水時(shí)間和下沉速度計(jì)算剖面深度；對(duì)溫度和電導(dǎo)率測(cè)量結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)平滑和修正，實(shí)時(shí)記錄并顯示溫度和電導(dǎo)率剖面數(shù)據(jù)隨深度變化的特性曲線（賈志成等，2010）。

XCTD測(cè)量系統(tǒng)工作方式如圖4所示：剖面探頭由發(fā)射裝置發(fā)射入水，入水后即開始測(cè)量海水的溫度和電導(dǎo)率。在下沉過程中，測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)探頭內(nèi)的高強(qiáng)度細(xì)導(dǎo)線傳輸至水上數(shù)據(jù)接收裝置，進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。數(shù)據(jù)處理軟件檢測(cè)探頭入水時(shí)間，計(jì)算其入水深度，并對(duì)對(duì)應(yīng)深度上的溫度和電導(dǎo)率數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑和修正處理，獲得最終的溫鹽深剖面數(shù)據(jù)及溫鹽剖面曲線。

圖4 XCTD工作方式示意圖

空投式溫鹽剖面測(cè)量?jī)x（Aerial Expendable Con-ductivity-Temperature-Depth profiler，簡(jiǎn)稱AXCTD）的工作過程與XCTD相似。探頭由飛機(jī)投擲，可一次性投擲多枚。探頭從水面浮動(dòng)單元開始下沉，在下沉過程中測(cè)量溫度和電導(dǎo)率數(shù)據(jù)，測(cè)量結(jié)果通過探頭內(nèi)的高強(qiáng)度細(xì)導(dǎo)線傳輸至水面浮動(dòng)單元，再由水面浮動(dòng)單元以無線通信方式傳輸至飛機(jī)（Trampp，2012）。當(dāng)探頭下沉至最大深度時(shí)，細(xì)導(dǎo)線斷裂，測(cè)量過程結(jié)束。

潛艇投棄式溫鹽深測(cè)量?jī)x（Submarine Launched Expendable Conductivity-Temperature-Depth probes，簡(jiǎn)稱SSXCTD）主要由發(fā)射裝置、浮筒、探頭、數(shù)據(jù)傳輸線和數(shù)據(jù)采集器等組成。其工作過程大致如下：浮筒由潛艇上的發(fā)射裝置發(fā)射，并在浮力作用下浮出水面。當(dāng)浮筒感應(yīng)到空氣時(shí)，釋放其內(nèi)部的溫鹽測(cè)量探頭。探頭在下沉過程中測(cè)量海水溫鹽數(shù)據(jù)，并將所測(cè)數(shù)據(jù)通過傳輸線實(shí)時(shí)傳送至數(shù)據(jù)采集器。探頭沉至海底時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸線自動(dòng)斷開，測(cè)量過程結(jié)束。近年來，潛艇投棄式溫鹽深測(cè)量技術(shù)發(fā)展迅速，但仍存在許多關(guān)鍵技術(shù)亟待突破，例如：數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、投放成功率及設(shè)備可靠性等（石新剛等，2015）。

2.4 海洋觀測(cè)平臺(tái)上的CTD傳感器

海洋觀測(cè)平臺(tái)種類繁多，布放數(shù)量大、范圍廣，搭載于其上的CTD傳感器也是重要的海洋溫鹽度數(shù)據(jù)來源?，F(xiàn)有的海洋觀測(cè)平臺(tái)可分為定點(diǎn)觀測(cè)平臺(tái)和移動(dòng)觀測(cè)平臺(tái)兩大類。

海洋定點(diǎn)觀測(cè)平臺(tái)主要包括定點(diǎn)的浮標(biāo)觀測(cè)平臺(tái)、潛標(biāo)觀測(cè)平臺(tái)和海床基平臺(tái)（李民等，2015）。海上定點(diǎn)觀測(cè)平臺(tái)融合了傳感器技術(shù)、水下接駁技術(shù)、水聲通信、數(shù)據(jù)傳輸、能源供應(yīng)等多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，有效解決了能量供應(yīng)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)葐栴}。搭載于其上的溫鹽傳感器可實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)的海水溫鹽度變化規(guī)律的觀測(cè)。

搭載于移動(dòng)觀測(cè)平臺(tái)上的CTD傳感器具有更強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性和持續(xù)性，可以進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間、大范圍的溫鹽深剖面測(cè)量。Argo浮標(biāo)、水下機(jī)器人和水下滑翔機(jī)等移動(dòng)觀測(cè)平臺(tái)為海水溫鹽剖面資料的獲取提供了更靈活高效的手段。

Argo浮標(biāo)是國(guó)際Argo計(jì)劃的任務(wù)承擔(dān)者，它的設(shè)計(jì)壽命為3～5 a，最大測(cè)量深度為2 000 m，每隔10～14 d發(fā)送一組溫鹽剖面觀測(cè)數(shù)據(jù)，每年可提供多達(dá)10萬條溫鹽剖面資料。國(guó)際Argo計(jì)劃科學(xué)組推薦使用的浮標(biāo)主要有兩種類型：美國(guó)Webb公司研制的APEX型浮標(biāo)和法國(guó)Martec公司研制的PROVOR型浮標(biāo)（Gould et al，2015）。

浮標(biāo)專用CTD是Argo浮標(biāo)的唯一測(cè)量傳感器，為Argo浮標(biāo)生產(chǎn)商所接受的生產(chǎn)廠家主要有美國(guó)的SeaBird和FSI兩家公司（Oka et al，2004）。表3列舉了APEX型浮標(biāo)和PROVOR型浮標(biāo)中CTD傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)。

自主式水下機(jī)器人（Autonomous Underwater Vehicle，簡(jiǎn)稱AUV)具有活動(dòng)范圍大、機(jī)動(dòng)性能好、智能化程度高等優(yōu)點(diǎn)，是進(jìn)行海洋水文要素觀測(cè)的重要工具（徐玉如等，2006）。

AUV搭載的CTD測(cè)量單元可以直接從AUV的電池中獲取能量。相比于水下滑翔機(jī)，AUV具有更強(qiáng)的負(fù)載能力，因此可以攜帶更高等級(jí)的CTD傳感器（Schmitt et al，2006）。例如，圖5所示的Bluefin Robotics型AUV通?？纱钶d海鳥公司的SBE 49 Fast-CAT型CTD，其數(shù)據(jù)記錄頻率為16 Hz，深度可達(dá)到10 500 m（Paradis et al，2013）。

表3 兩種Argo浮標(biāo)CTD傳感器技術(shù)指標(biāo)

圖5 Bluefin Robotics型AUV

水下滑翔機(jī)（Underwater Glider）是一種將浮標(biāo)、潛標(biāo)技術(shù)與水下機(jī)器人技術(shù)相結(jié)合的新型水下觀測(cè)系統(tǒng)，最具代表性的產(chǎn)品為如圖6所示的美國(guó)Slocum型水下滑翔機(jī)。與傳統(tǒng)的海洋觀測(cè)系統(tǒng)相比，水下滑翔機(jī)具有優(yōu)越的機(jī)動(dòng)性、可控性和實(shí)時(shí)性，可以安裝溫度、鹽度、深度等各種傳感器以收集海洋水文資料。將水下滑翔機(jī)用于海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)，有助于提高觀測(cè)資料的時(shí)間和空間密度，滿足了長(zhǎng)時(shí)間、大范圍海洋探索的需要（楊燕等，2015）。

圖6 美國(guó)Slocum型水下滑翔機(jī)

當(dāng)前，水下滑翔機(jī)客戶化訂制的傳感器涵蓋了海洋動(dòng)力學(xué)、海洋生態(tài)學(xué)、海水聲光學(xué)特性等各個(gè)領(lǐng)域的傳感設(shè)備，如CTD傳感器、水聽器、pH值傳感器、溶解氧含量傳感器、海水流速傳感器等（Cecchi et al，2015）。圖7所示的Slocum型水下滑翔機(jī)可搭載海水聲學(xué)、光學(xué)、溫鹽深等多要素傳感器。

圖7 Slocum水下滑翔機(jī)的多要素傳感器

對(duì)于水下滑翔機(jī)而言，因其負(fù)載能力較低，故不能夠搭載高端的CTD產(chǎn)品。通常，水下滑翔機(jī)采用的CTD是由海鳥公司提供的專用CTD，其數(shù)據(jù)記錄頻率為1 Hz，深度可達(dá)1 500 m。因?yàn)樗禄铏C(jī)不能為CTD提供電源，故搭載在水下滑翔機(jī)上的CTD需要有獨(dú)立的電源，并且能持續(xù)45 d以上的工作時(shí)間。

系纜式觀測(cè)平臺(tái)可搭載CTD觀測(cè)設(shè)備，在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的牽引下，平臺(tái)會(huì)沿著纜繩實(shí)現(xiàn)升降運(yùn)動(dòng)。在平臺(tái)運(yùn)動(dòng)過程中，CTD可完成對(duì)海水溫鹽剖面的測(cè)量（李墨等，2008）。這種類型的CTD剖面觀測(cè)設(shè)備會(huì)將測(cè)量結(jié)果記錄在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，待儀器回收后讀取其存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。圖8所示為搭載有SEB 52-MP CTD傳感器的McLane型系泊式剖面測(cè)量?jī)x。

圖8 搭載SEB 52-MP CTD的McLane型系泊式剖面測(cè)量?jī)x

3 CTD標(biāo)定與檢測(cè)技術(shù)

CTD傳感器在使用過程中因受到環(huán)境因素的影響及傳感器自身的漂移，其測(cè)量結(jié)果的有效性和準(zhǔn)確性會(huì)降低。為了保證儀器測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠，必須定期對(duì)CTD進(jìn)行校準(zhǔn)。

世界各國(guó)的海洋研究機(jī)構(gòu)都非常重視CTD的校準(zhǔn)工作。美國(guó)的伍茲霍爾海洋研究所、斯克里普斯海洋研究所、海鳥海洋儀器公司以及加拿大的貝德福海洋研究所等都相繼建立了CTD標(biāo)定校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室。1996年海鳥公司的CTD校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室建造完成，其溫度標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量準(zhǔn)確度達(dá)到依0.000 5益，鹽度標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量準(zhǔn)確度為依0.002PSU，壓力標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量準(zhǔn)確度為依0.005豫FS，恒溫海水槽控溫精度為依0.0002益，溫場(chǎng)均勻性為依0.000 1益。在CTD動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)方面，美國(guó)華盛頓大學(xué)研制了具有不同溫度和鹽度參數(shù)的雙層恒溫海水槽，按照5 mm/s～3.1 m/s釋放速度對(duì)海鳥CTD進(jìn)行了動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)；加拿大海洋研究機(jī)構(gòu)研制了溫度和電導(dǎo)率可變的海水槽，并對(duì)海鳥CTD、Mark III溫度和電導(dǎo)率傳感器的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行測(cè)試與分析（周欣，2012）。

我國(guó)溫鹽深傳感器檢測(cè)設(shè)備的研制開始于20世紀(jì)70年代。1986年研制成功了具有世界先進(jìn)水平的CTD定標(biāo)檢測(cè)設(shè)備，并建立了CTD校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室?！熬盼濉逼陂g國(guó)家海洋技術(shù)中心研制的CTD校準(zhǔn)設(shè)備，其溫度標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量準(zhǔn)確度為依0.000 5益，鹽度標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量準(zhǔn)確度為依0.002 PSU，壓力標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量準(zhǔn)確度達(dá)到依0.005豫FS。這些標(biāo)準(zhǔn)的建立使我國(guó)CTD剖面儀的量值能夠溯源到國(guó)家或國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

在校準(zhǔn)設(shè)備研制的同時(shí)，CTD傳感器的檢定方法也在逐步完善。《JJG 763-2002溫鹽深測(cè)量?jī)x檢定規(guī)程》對(duì)檢定設(shè)備的計(jì)量性能及檢定方法做了細(xì)致描述（賈肇基等，2003）。表4列舉了國(guó)內(nèi)外CTD校準(zhǔn)設(shè)備的基本技術(shù)指標(biāo)。

4 CTD剖面測(cè)量技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

CTD剖面測(cè)量技術(shù)已廣泛應(yīng)用于海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中，并取得了顯著效果。隨著海洋觀測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展，CTD剖面測(cè)量技術(shù)也面臨著新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，其發(fā)展趨勢(shì)可概括為以下幾個(gè)方面：

表4 國(guó)內(nèi)外CTD校準(zhǔn)設(shè)備基本技術(shù)指標(biāo)

（1）低功耗、模塊化設(shè)計(jì)。低功耗的CTD傳感器能夠更好的與Argo浮標(biāo)、水下滑翔機(jī)、深海觀測(cè)平臺(tái)等觀測(cè)設(shè)備相融合，獲得更長(zhǎng)的觀測(cè)壽命。同時(shí)，模塊化設(shè)計(jì)有助于傳感器的更換、維修和檢定，便于傳感器與觀測(cè)平臺(tái)的組裝，使用更加方便。例如，海鳥公司的CTD傳感器多采用模塊化設(shè)計(jì)，能夠快速準(zhǔn)確的進(jìn)行設(shè)備更換和組裝。同時(shí)，海鳥公司的CTD測(cè)量單元中留有多種傳感器接口，可根據(jù)測(cè)量需要搭載溶解氧、pH值等其他類型的傳感器，進(jìn)行多要素海洋觀測(cè)。

（2）多參數(shù)立體化海洋觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)。海洋立體觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)是獲取海洋環(huán)境信息的最有效手段，由?；㈥懟?、空基觀測(cè)平臺(tái)構(gòu)成的立體觀測(cè)網(wǎng)成為海洋溫鹽深剖面測(cè)量的多樣化載體。除傳統(tǒng)的船載CTD剖面測(cè)量設(shè)備外，定點(diǎn)和移動(dòng)海洋觀測(cè)平臺(tái)都是進(jìn)行溫鹽剖面觀測(cè)的優(yōu)良載體?；谒陆玉g技術(shù)的海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)可有效解決海床基等海底觀測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸和能量供應(yīng)問題；低功耗傳感器和高性能蓄電池的組合可有效增強(qiáng)無纜潛標(biāo)等定點(diǎn)觀測(cè)平臺(tái)的工作時(shí)間和AUV等移動(dòng)觀測(cè)平臺(tái)的續(xù)航能力；基于北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的通信技術(shù)也會(huì)為剖面浮標(biāo)等觀測(cè)設(shè)備提供新的通信手段。

（3）優(yōu)化傳感器測(cè)量性能。對(duì)于某些特殊的應(yīng)用需求，如研究短時(shí)間內(nèi)海洋剖面的變化規(guī)律和快速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的溫鹽深測(cè)量，現(xiàn)有的CTD剖面測(cè)量設(shè)備難以滿足其時(shí)間和空間的分辨率要求。故CTD高速采集測(cè)量技術(shù)和高頻響應(yīng)測(cè)量技術(shù)亟待發(fā)展，提高傳感器數(shù)據(jù)采集頻率和響應(yīng)速度將成為研究的重點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)的CTD測(cè)量設(shè)備在測(cè)量精度方面并不遜于國(guó)外產(chǎn)品，只是在長(zhǎng)期穩(wěn)定性方面尚與國(guó)外產(chǎn)品存在差距，故提高設(shè)備的長(zhǎng)期穩(wěn)定性將是CTD測(cè)量設(shè)備的重要發(fā)展方向。

（4）加快發(fā)展防生物附著技術(shù)。部分海洋生物會(huì)附著在水下觀測(cè)設(shè)備及艦船等海洋結(jié)構(gòu)物表面并對(duì)其產(chǎn)生不良影響。對(duì)于CTD而言，海洋生物的附著會(huì)降低其測(cè)量精度及長(zhǎng)期穩(wěn)定性。目前的防生物附著方法主要有物理防污法、化學(xué)防污法和生物防污法，但這些防污方法本身都存在一定的局限性，其防污效果難以滿足海洋監(jiān)測(cè)和開發(fā)的需要。因此現(xiàn)有的防污技術(shù)正朝著經(jīng)濟(jì)、高效、環(huán)保的方向發(fā)展。其中，微生物粘膜防污技術(shù)、表面植絨型防污技術(shù)、納米防污技術(shù)等將是該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)（胥震等，2012）。

（5）研發(fā)深海型溫鹽深測(cè)量設(shè)備。深遠(yuǎn)海發(fā)展戰(zhàn)略已成為各海洋強(qiáng)國(guó)關(guān)注的焦點(diǎn)，研發(fā)深海型溫鹽深測(cè)量設(shè)備已成為海洋監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的必然發(fā)展趨勢(shì)。國(guó)際Argo計(jì)劃組已經(jīng)將深海型Argo浮標(biāo)作為其計(jì)劃發(fā)展的關(guān)鍵一步，并自2012年起開始了相關(guān)研究（Riser et al，2016）。隨著深海監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展步伐的加快，適用于極端海洋環(huán)境下的高精度溫鹽深傳感器將成為未來的重點(diǎn)發(fā)展方向。隨之而來的深海觀測(cè)平臺(tái)布放與回收技術(shù)、深海觀測(cè)設(shè)備能源供應(yīng)技術(shù)以及深海觀測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)都將成為亟待突破的技術(shù)難點(diǎn)。

5 結(jié)語

目前，我國(guó)的CTD剖面測(cè)量技術(shù)雖已接近世界先進(jìn)水平，但在部分領(lǐng)域仍處于技術(shù)跟蹤階段。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和軍事的發(fā)展腳步逐漸邁向深藍(lán)，對(duì)更廣闊海域進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)的需求將更為迫切，故需要不斷增強(qiáng)自主創(chuàng)新能力，大力研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的CTD剖面測(cè)量設(shè)備。同時(shí)，應(yīng)注重衛(wèi)星遙感、觀測(cè)平臺(tái)、水聲探測(cè)、傳感技術(shù)、通信技術(shù)的同步發(fā)展，從而構(gòu)建連續(xù)性、自動(dòng)化、實(shí)時(shí)性、多平臺(tái)、多要素、高精度的海洋立體觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)。

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Review of measurement techniques for temperature,salinity and depth profile of sea water

ZHANG Long,YE Song,ZHOU Shu-dao,LIU Feng,HAN Yue-qi

(Collegeof Meteorology and Oceanography,National University of Defense Technology,Nanjing 211101,China)

Temperature,salinity and depth are important parameters of the ocean physical properties as well as the basic elements of the ocean hydrological observation.Conductivity-temperature-depth(CTD)profiler is the main instrument for the observation of temperature and salinity profile which can measure the conductivity,temperature and depth parameters accurately,and calculate the other parameters of sea water,such as salinity,density and acoustic velocity.These data are crucial for the development of marine economy,marine national defense construction and the protection of the marine environment.The basic principle and development status of CTD measurement technology were reviewed in this paper.The typical CTD measuring instruments and CTD sensors installed on the ocean observation platforms were introduced.The calibration and testing technology of CTD sensors were discussed.Furthermore,the development trend were summarized.

temperature measurement;salinity measurement;depth measurement;CTD profiler;sensor technology;development trend

P716

A

1001原6932（圓園17）05原園481原09

10.11840/j.issn.1001-6392.2017.05.001

2016-06-22；

2016-10-19

國(guó)家自然科學(xué)基金（40976062）；江蘇省自然科學(xué)基金（BK2009062）；國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金（41406107）

張龍（1992-），碩士研究生，研究方向：海洋儀器及測(cè)試技術(shù)。電子郵箱：zhanglonglxy@163.com。

葉松，博士，副教授。電子郵箱：yesong999@hotmail.com。

（本文編輯：袁澤軼）