朱麗萍，胡 波，于小焱

（國家海洋標(biāo)準計量中心，天津 300112）

氣候變暖和海平面上升會對人類社會造成嚴重影響。近年來，世界范圍內(nèi)各國政府、社會團體和科學(xué)界關(guān)注著海平面上升及其對海岸帶造成的影響。1989 年，美國科學(xué)院院長Frank Press 指出：“海岸帶管理應(yīng)當(dāng)考慮將來海平面上升”[1]。目前，據(jù)政府間氣候變化委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）提供的數(shù)據(jù)顯示，未來100 年，全球海平面上升率的最佳估計值分別為：1990—2030 年，4.5 mm/a；2031—2070 年，6.5 mm/a。國家測繪總局對過去數(shù)十年來的數(shù)據(jù)估計顯示，我國海平面平均上升率約為1.4 mm/a，各地相對海平面差別很大[2]。

潮汐是重要的海洋物理要素之一，海平面上升直接關(guān)系著潮汐觀測數(shù)據(jù)[3]。驗潮儀（水位計）則主要用于海洋、河流和湖泊湖位（水位）的測量，根據(jù)測量原理的不同，可分為浮子式、壓力式和聲學(xué)式3 種[4]。為了提高我國海洋潮位觀測水平，需要開展驗潮儀（水位計）的計量檢測技術(shù)研究，研制符合要求的計量標(biāo)準器和裝置。海洋潮位計量標(biāo)準設(shè)備是我國海洋潮位量值的傳遞源頭，其技術(shù)指標(biāo)的大小直接影響我國海洋潮位數(shù)據(jù)的準確性，對海洋預(yù)報、工程建設(shè)等涉海業(yè)務(wù)的科學(xué)發(fā)展帶來嚴重影響，且具有重要意義。

經(jīng)實地調(diào)研，國外驗潮儀（浮子式）多采用固定水尺法，通過對比試驗對潮位儀進行校準。我國驗潮儀則主要在實驗室內(nèi)，通過驗潮儀檢定裝置進行標(biāo)定。裝置主要由檢定水塔、貯水池、電荷耦合器件（Charge Couple Device，CCD）攝像頭、因瓦標(biāo)準尺、控制系統(tǒng)等組成。因瓦標(biāo)準尺作為主標(biāo)準器，通過CCD 攝像頭讀取當(dāng)前水位對應(yīng)因瓦標(biāo)準尺刻度作為水位標(biāo)準值。目前，我國已建驗潮儀檢定裝置共4 家單位，包括國家海洋標(biāo)準計量中心和3 個分站（北海標(biāo)準計量中心、東海標(biāo)準計量中心和南海標(biāo)準計量中心），4 家單位檢定裝置的主標(biāo)準器及檢定裝置的技術(shù)指標(biāo)一致。國家海洋標(biāo)準計量中心于1996 年獲得授權(quán)并開展相關(guān)計量檢定業(yè)務(wù)，3 個分站目前還未獲得授權(quán)，未開展相關(guān)業(yè)務(wù)。

受多個因素的影響，驗潮儀檢定裝置在技術(shù)指標(biāo)和硬件配置等方面存在一定的不足。研制一種精度高、測量結(jié)果不受外界環(huán)境影響的技術(shù)/檢測裝置是當(dāng)前的迫切需求?；谏鲜鲆?，激光追蹤測距技術(shù)的高精度、斷光路再續(xù)、自動追蹤等特點能夠滿足上述要求。因此，本文提出一種基于超高精度激光追蹤技術(shù)的潮位儀檢測新裝置。利用該檢測裝置能夠極大地消除環(huán)境、設(shè)備和實驗人員帶來的影響，并將技術(shù)指標(biāo)由U=2 mm，k=2[5]（U 為擴展不確定度，k 為包含因子）提高至U=0.86 mm，k=2，以更好地滿足未來驗潮儀（水位計）檢測技術(shù)的發(fā)展需求。

1 驗潮計量檢測技術(shù)

目前，實驗室所使用的驗潮儀檢定裝置由國家海洋標(biāo)準計量中心研制，1996 年通過國家計量標(biāo)準考核，成為社會公用計量標(biāo)準。該驗潮裝置廣泛地服務(wù)于各涉海部門和機構(gòu)，為新制造和使用中的浮子式驗潮儀（水位計）、壓力式驗潮儀（水位計）和聲學(xué)式驗潮儀（水位計）提供檢定和校準服務(wù)。

1. 1 驗潮儀檢定裝置簡介

驗潮儀檢定裝置由高9 m、直徑1 m 的檢定水塔、室外貯水池、CCD 攝像頭、因瓦標(biāo)準尺、控制系統(tǒng)等組成，驗潮儀檢定裝置構(gòu)成示意圖（圖1）。

圖1 驗潮儀檢定裝置構(gòu)成示意圖

檢定過程中，通過控制系統(tǒng)對電動執(zhí)行器及水泵進行控制，使水塔內(nèi)復(fù)現(xiàn)0 ～8 000 mm 水位差。進水泵將水從室外貯水池壓入水塔內(nèi)，在水塔底部連接透明軟管，利用連通器原理，透明軟管內(nèi)水位與水塔內(nèi)水位始終保持一致，在透明軟管旁邊垂直放置一個帶有刻度的因瓦標(biāo)準尺。實驗人員通過CCD 攝像頭讀取與透明軟管內(nèi)水位對應(yīng)的因瓦標(biāo)準尺刻度作為標(biāo)準水位值，同時讀取被檢浮子式驗潮儀（水位計）測得值，經(jīng)數(shù)據(jù)處理，兩者進行比較，從而實現(xiàn)對浮子式驗潮儀（水位計）的整機檢定[6]。

1. 2 驗潮儀裝置優(yōu)缺點

當(dāng)前所使用驗潮儀檢定裝置的優(yōu)點是能夠通過CCD 攝像頭直觀地讀取/觀測標(biāo)準水位值，便于對被檢儀器進行檢定，但也存在一定的不足影響數(shù)據(jù)質(zhì)量。

（1）技術(shù)指標(biāo)方面的不足。驗潮儀檢定裝置的技術(shù)指標(biāo)（示值誤差評定的不確定度結(jié)果）為：高度測量范圍0 ～8 000 mm，擴展不確定度U=2 mm，k=2。根據(jù)標(biāo)準《浮子式驗潮儀》（JJG 587-2016），浮子式驗潮儀檢定結(jié)果準確度等級符合1 級時，最大允許誤差（Maximum Permissible Errors，MPE）為±3 mm。上述兩個結(jié)果不能嚴格遵守《測量儀器特性評定》（JJF 1094-2002）中“示值誤差評定的測量不確定度對符合性評定的影響可忽略不計的要求：U ≤1/3MPE”的要求。因此如果嚴格遵守《測量儀器特性評定》（JJF 1094-2002）的規(guī)定，就必須提高驗潮儀檢定裝置的技術(shù)指標(biāo)即示值誤差評定的不確定度結(jié)果。在被測儀器重復(fù)性不改變的情況下，需要通過提高標(biāo)準器的技術(shù)指標(biāo)即減小標(biāo)準器帶來的不確定度分量，達到提高驗潮儀檢定裝置技術(shù)指標(biāo)的目的。

（2）驗潮儀標(biāo)準水位值讀取受外界光線強度影響大。通過CCD 攝像頭讀取標(biāo)準水位值時，需要借助室外光線，但光線太強或太弱均會導(dǎo)致成像效果模糊不清，影響讀取效果，即中午光線最強或傍晚光線最弱時影響較大。

（3）透明軟管影響讀數(shù)效果。軟管內(nèi)水質(zhì)為與外界大氣相通的自來水，軟管內(nèi)壁易滋生微生物，導(dǎo)致透明度下降，影響攝像頭中的成像效果。為保證透明度，只能頻繁更換水質(zhì)和軟管，不能解決根本問題。

（4）主標(biāo)準器易生銹，更換成本高。主標(biāo)準器因瓦標(biāo)準尺是銦鋼材質(zhì)，長期暴露于潮濕環(huán)境易生銹，影響讀取數(shù)據(jù)的清晰度。3 個分站地處近海，主標(biāo)準器生銹情況更為嚴重。更換主標(biāo)準器定制工期長、費用高。

2 基于激光追蹤技術(shù)的驗潮計量檢測技術(shù)

2. 1 激光追蹤技術(shù)簡介

激光跟蹤測量技術(shù)是一種集合激光干涉測距技術(shù)、光電探測技術(shù)、精密機械技術(shù)、計算機及控制技術(shù)等各種先進技術(shù)的高精度、大尺寸、球坐標(biāo)測量技術(shù)，具有測量范圍廣、精度高、實時快速等優(yōu)點[7-8]。表1 為美國自動精密工程公司（Automated Precision Inc.，API）第四代激光追蹤儀技術(shù)指標(biāo)。

表1 美國API 公司第四代激光追蹤儀主要技術(shù)指標(biāo)

由表1 可見，激光追蹤儀各項技術(shù)指標(biāo)較高，其中長度分辨率達到0.5 μm，是因瓦標(biāo)準尺分辨率1 mm 的2×103倍，最大追蹤速度和采樣速率也能更好地實現(xiàn)遠程精準測量。

2. 2 激光追蹤技術(shù)原理

激光追蹤技術(shù)是通過靶鏡反射、跟蹤反射激光束，實現(xiàn)對空間運動目標(biāo)的跟蹤測量。激光追蹤技術(shù)測量原理見圖2。

圖2 激光追蹤技術(shù)測量原理

激光跟蹤儀1 投射激光束2 至靶鏡3，靶鏡3將其光束按原路反射回跟蹤儀。激光追蹤儀通過激光干涉儀及2 個角度編碼器測得被測目標(biāo)的空間距離、水平角和垂直角，然后按球坐標(biāo)測量原理得到空間點的三維坐標(biāo)x,y,z[9]。因此，只要靶鏡接觸或沿著被測目標(biāo)移動即可獲得被測目標(biāo)的空間坐標(biāo)。被測目標(biāo)的空間坐標(biāo)由公式（1）～（3）給出[10-11]：

式中：d為被測目標(biāo)的空間距離；α，β為被測目標(biāo)水平方位角和垂直方位角。

2. 3 基于激光追蹤技術(shù)的驗潮計量檢測裝置

激光追蹤技術(shù)具有高精度、斷光再續(xù)、自動追蹤等特點，基于上述特點將激光追蹤儀作為驗潮儀檢定裝置的主要計量標(biāo)準器，經(jīng)理論分析與實驗驗證能夠?qū)崿F(xiàn)對浮子式驗潮儀（水位計）的計量檢定?；诩す庾粉櫾淼某蔽粰z測新裝置構(gòu)成示意圖見圖3。

圖3 基于激光追蹤原理的潮位檢測新裝置構(gòu)成示意圖

在水塔底部連接一個不銹鋼管，與水塔組成連通器。不銹鋼管直徑不少于20 cm，用于放置固定靶鏡的浮體。通過控制系統(tǒng)對電動執(zhí)行器及水泵進行控制，使水塔內(nèi)復(fù)現(xiàn)0 ～8 000 mm 水位差。進水泵將水從貯水池壓入水塔內(nèi)，水面穩(wěn)定后，激光追蹤儀測算當(dāng)前水位值作為標(biāo)準水位值，讀取被檢浮子式驗潮儀（水位計）水位值，實現(xiàn)整機檢定。

每1 000 mm 作為一個檢定點，第一個檢定點為200 mm 附近。當(dāng)水面緩慢上升至檢定點，穩(wěn)定2 min，激光追蹤儀測量靶鏡空間坐標(biāo)并計算得到水位值，再移動靶鏡位置2 次。取3 次靶鏡不同位置測算的平均值作為當(dāng)前水位標(biāo)準值；同時讀取一次浮子式驗潮儀的測量值作為儀器示值（被測值）。打開水閥及進水泵，水位上升至1 200 mm 點附近，依照上述方法，直至完成0 ～8 000 mm 水位上升過程和下降過程的檢測。為減小測量誤差，每次移動靶鏡位置，至少穩(wěn)定2 min 再測量。

3 基于激光追蹤原理的驗潮儀計量檢定裝置不確定度評定

3. 1 測量模型

式中：Δh為 被檢驗潮儀（水位計）的水位示值誤差；hx為被檢驗潮儀（水位計）的水位示值；hs為 驗潮儀檢定裝置的標(biāo)準水位值。由于hx和hs互不相關(guān)，則：

3. 2 分量計算

基于激光追蹤技術(shù)的驗潮儀檢測新裝置誤差來源：一是被檢儀器測量重復(fù)性引入，二是計量標(biāo)準設(shè)備引入。計量標(biāo)準設(shè)備引入誤差主要是激光追蹤儀測量不確定度帶來的。

3. 2. 1 被檢驗潮儀（水位計） 測量重復(fù)性引入的標(biāo)準不確定度分量u(hx)以浮子式驗潮儀（水位計）SCA11-3A 為例。潮位升高至4 000 mm 校準點，標(biāo)準水位值達到穩(wěn)定后，讀取被校驗潮儀（水位計）示值10 次，利用貝塞爾公式獲得實驗標(biāo)準差，具體數(shù)據(jù)見表2。

表2 浮子式驗潮儀重復(fù)性測量數(shù)據(jù)

水位測量重復(fù)性：

根據(jù)貝塞爾公式，計算測量重復(fù)性引入的標(biāo)準不確定度為u(hx)=0.42 mm。

當(dāng)被校儀器重復(fù)性引入的不確度分量大于其分辨力引入的不確定分量時，應(yīng)該用重復(fù)性引入的不確定分量代替分辨力分量，即二者取其較大者。被檢的儀器帶數(shù)字顯示裝置，分辨力為1 mm，其分辨力引入的標(biāo)準不確定度分量為0.29 mm，小于0.42 mm，所以取重復(fù)性引入的不確度分量0.42 mm。

3. 2. 2 計量標(biāo)準設(shè)備引入的標(biāo)準不確定度分量u(hs)以測量半徑為80 m、單聚光動態(tài)測量的激光追蹤儀作為主標(biāo)準器，根據(jù)中國計量科學(xué)研究院提供的校準證書顯示最大允許誤差為15 μm +5 μm/m，當(dāng)取長度為10 m 時，標(biāo)準不確定度分量為

3. 3 合成不確定度

取包含因子k=2，則擴展不確定度為

綜上，以超高精度的激光追蹤儀作為主標(biāo)準器，驗潮儀檢測新裝置的擴展不確定度U=0.86 mm，k=2 滿足《測量儀器特性評定》（JJF 1094-2002）對計量標(biāo)準裝置U≤1/3 MPE 的要求，能夠?qū)Ω呔雀∽邮津灣眱x（水位計）量值溯源提供更加可靠的保障。

3. 4 兩種測量原理的試驗數(shù)據(jù)分析

2018 年4 月和2019 年8 月實驗室分別利用當(dāng)前檢定裝置（因瓦標(biāo)準尺作為主標(biāo)準器）和新檢測裝置（激光追蹤儀作為主標(biāo)準器）對0 ～8 000 mm水位范圍進行現(xiàn)場試驗，得到水位上升過程的對比結(jié)果。2018 年對比結(jié)果見表3，2019 年對比結(jié)果見表4。表中HY為實驗人員讀取當(dāng)前檢定裝置水位的平均值，HJ為新檢測裝置測算水位的平均值。圖4為兩次對比數(shù)據(jù)差值絕對值隨水位值的變化情況。

表3 2018 年試驗兩套裝置測得值對比結(jié)果

表4 2019 年試驗兩套裝置測得值對比結(jié)果

表3 和表4 試驗數(shù)據(jù)顯示，隨著水位的升高，除8 000 mm 檢測點外，其他檢測點兩者差值均小于1 mm，說明兩種原理的測量結(jié)果均能較好地顯示當(dāng)前的水位值。從顯示分辨力方面看，新檢測裝置顯示分辨力更高。當(dāng)前檢定裝置的最小分辨力為1 mm，水位數(shù)據(jù)只能精確至整毫米；新檢測裝置最小分辨力為0.5 μm，經(jīng)測算后，水位數(shù)據(jù)可精確至整微米，后者分辨力是前者103倍。結(jié)合技術(shù)指標(biāo)方面看，前者擴展不確定度U=2 mm，k=2，后者擴展不確定度U=0.86 mm，k=2，后者測量精度是前者測量精度的2 倍多。綜上，新檢測裝置測算的數(shù)據(jù)能更加精確地反映當(dāng)前的水位值。

圖4 是兩種計量標(biāo)準器數(shù)據(jù)差值絕對值隨水位的變化情況。在0 ～8 000 mm 水位范圍，差值絕對值分別為0.087 ～1.292 mm 和0.153 ～1.834 mm，對比曲線基本一致。在0 ～6 000 mm 水位范圍內(nèi)，差值絕對值均小于1 mm，8 000 mm 水位點差值絕對值相對較大，分別為1.292 mm 和1.883 mm，經(jīng)分析主要原因是兩次試驗進行至8 000 mm 水位點時，接近正午時分，陽光較強，實驗人員讀取因瓦標(biāo)準尺刻度值時，刻度圖像模糊，影響讀數(shù)效果，也再次驗證當(dāng)前裝置讀數(shù)質(zhì)量受外界影響較大；新檢測裝置測量時，受水面穩(wěn)定度的影響也要考慮，但基于實驗過程中，水位上升過程緩慢，每次讀數(shù)之前水面穩(wěn)定時間至少達到2 min，所以可認為水面穩(wěn)定度對該點誤差的影響非常小，可忽略。

圖4 差值絕對值隨水位值變化圖

4 結(jié) 論

驗潮儀檢定裝置的指標(biāo)直接影響著潮位儀（水位計）的量值溯源結(jié)果。本文指出了當(dāng)前檢定裝置在技術(shù)指標(biāo)和硬件方面的不足。針對需求，創(chuàng)造性地提出了一種以激光追蹤技術(shù)為主，結(jié)合當(dāng)前檢測裝置配置的潮位計量檢測新裝置。相比當(dāng)前裝置的技術(shù)指標(biāo)U=2 mm，k=2，新檢測裝置指標(biāo)可提高至U=0.86 mm，k=2，是前者的2 倍多，能夠更好地滿足《測量儀器特性評定》（JJF 1094-2002）對計量標(biāo)準裝置的要求。

通過對比2018 年和2019 年兩次現(xiàn)場試驗對比結(jié)果顯示，相比當(dāng)前的檢定裝置，新檢測裝置能夠更加精確地測算水塔內(nèi)的水位值，且測算結(jié)果不受外界環(huán)境和人為因素的影響；水面穩(wěn)定度的影響非常小，可忽略。所以，基于超高精度激光追蹤原理的海水潮位計量檢測技術(shù)能夠提高技術(shù)指標(biāo)，彌補硬件不足，更好地滿足未來高精度驗潮儀（水位計）量值溯源需求，對提升計量檢測標(biāo)準技術(shù)水平，提升我國海洋潮位監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確可靠性，具有重要意義。