海水溫鹽深剖面測量技術(shù)綜述

張龍，葉松，周樹道，劉鳳，韓月琪

（國防科技大學 氣象海洋學院，江蘇南京211101）

海水溫鹽深剖面測量技術(shù)綜述

張龍，葉松，周樹道，劉鳳，韓月琪

（國防科技大學 氣象海洋學院，江蘇南京211101）

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

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

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，簡稱CTD剖面儀）是測量海洋物理特性的重要工具，它為海洋學家提供了不同深度下精確的海水溫度和鹽度等參數(shù)，從而能夠更加準確地揭示海洋的基本物理特性（Fan et al，2010），對于海洋經(jīng)濟開發(fā)、軍事力量建設(shè)、海洋環(huán)境保護等具有非常重要的意義。

在數(shù)十年的發(fā)展過程中，美國的CTD測量技術(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)展鏈式系留傳感器測量技術(shù)（張兆英，2003）。同時，將海洋生物學、光學、化學等要素納入到測量范疇，向著多傳感器綜合測量方向發(fā)展。英國、意大利等歐洲國家也始終走在CTD測量技術(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，在同類產(chǎn)品中具有較高的競爭力。近年來，我國的CTD測量技術(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測量儀器。雖然研制成功的高精度CTD的技術(shù)指標已接近世界先進水平（張兆英等，2002），但是仍存在自主創(chuàng)新能力不強，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，同時注重提高傳感器的測量精度和長期穩(wěn)定性，以獲得更高精度和分辨率的觀測數(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。隨著深遠海發(fā)展戰(zhàn)略的逐步推進，深海溫鹽深測量技術(shù)已成為該領(lǐng)域的研究熱點。

1 溫鹽深傳感器發(fā)展概況

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

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

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

（3）智能化的CTD傳感器：微處理器的應(yīng)用使溫鹽深測量實現(xiàn)了智能化。其智能化特征主要體現(xiàn)在以下兩個方面：將傳感器的定標數(shù)據(jù)存儲到微處理器中，在測量過程中可對傳感器進行零點和滿量程校正，有效提高了測量的準確性；水下微處理器和通用異步收發(fā)器的運用，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)時間為60 ms，穩(wěn)定性可達0.001益/年。

由于受加工工藝和材料的限制，電導率傳感器一直是CTD測量技術(shù)的研究重點?，F(xiàn)有的電導率傳感器主要分為感應(yīng)式和電極式兩類，其標稱精度已達到0.001 mS/cm（潘樂樂，2015）。感應(yīng)式電導率傳感器結(jié)構(gòu)堅固，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，具有較強的抗干擾能力和較高的測量精度，但是時間常數(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采用七電極電導率傳感器，可在現(xiàn)場清洗而不用重新校準，方便集成到浮標系統(tǒng)、ROV和AUV等移動觀測平臺中。

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

2 典型的溫鹽深剖面測量設(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平臺上的溫鹽深剖面測量設(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

SBE 911plus CTD剖面儀搭載的傳感器采用模塊化設(shè)計，能夠快速準確的獲取海水的溫度、電導率和深度參數(shù)。同時，還可以根據(jù)測量需要搭載溶解氧、pH值等其他類型的傳感器，進行多要素海洋觀測。SBE 911plus觀測系統(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量的主要執(zhí)行者，其內(nèi)部安裝有電導率、溫度和帶溫度補償?shù)母呔仁毫鞲衅?。為減小船體升降引起的鹽度尖峰效應(yīng)，采用TC導管將溫度和電導率傳感器聯(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池，從而可以準確獲取同一水團的溫度和電導率數(shù)據(jù)（郭斌斌等，2015）。

SBE 11 plus甲板單元包含RS-232及IEEE-488計算機通信接口、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警設(shè)備。系統(tǒng)的標定系數(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是整個系統(tǒng)的控制單元，同時為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，因此可實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、存儲及采水器觸發(fā)的自動化。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步驟：安裝調(diào)試、參數(shù)設(shè)置、設(shè)備布放、下降過程中測量、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，簡稱UCTD）可在船舶航行過程中實現(xiàn)大面積、連續(xù)、快速的溫鹽剖面測量，測量結(jié)果具有更強的實時性和代表性，且具有更高的測量效率（張兆英等，2004）。拖曳式CTD剖面儀是研究海洋動力學和海洋水文要素的重要監(jiān)測儀器，是觀測內(nèi)波和海洋上邊界層物理特性的有效手段。拖曳式CTD剖面儀的觀測數(shù)據(jù)不僅可以為海洋觀測系統(tǒng)中各種傳感器的定標提供基本參數(shù)，而且可與衛(wèi)星遙感資料相結(jié)合，形成對海洋水文特征的立體描述（Rudnick et al，2007）。

國外對拖曳式CTD觀測系統(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觀測系統(tǒng)是較早引入我國的型號之一。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3400m。另外，美國YSI公司生產(chǎn)的V-FIN和英國公司生產(chǎn)的U-TOW和Sea Soar也是較為流行的UCTD品牌。表2列舉了幾種國外流行的拖曳式CTD剖面測量設(shè)備。

表2 國外流行的拖曳式CTD型號

拖曳式CTD測量系統(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動，絞車在無動力狀態(tài)下迅速釋放纜繩，拖曳體在水中以近似垂直的軌跡下沉，并進行剖面溫鹽深數(shù)據(jù)的測量。當纜繩即將放盡時，絞車緊急制動，并開啟絞車電機回收纜繩和水下拖曳體（任煒等，2008）。拖曳體出水后可進行數(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)動結(jié)構(gòu)安裝在一個封閉的拖曳體中。因拖曳體具有固定的結(jié)構(gòu)，故其運行姿態(tài)和升降速度可精確控制，從而降低了設(shè)計制造的難度。缺點是采取拖曳體開孔的方式實現(xiàn)CTD傳感器周邊海水的交換，在拖曳行進過程中，交換過程不夠充分，從而影響了CTD的測量精度。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拖曳體的運動軌跡為與艦船航線平行的直線。在測量過程中，拖曳體由艦船牽引，通過程序控制拖曳體的電機運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)拖曳體在預(yù)定測量剖面中的上浮和下潛。在電纜長度固定和船速穩(wěn)定的情況下，可使拖曳體的運行軌跡保持平行直線狀態(tài)。平行直線型CTD的特點是能夠?qū)崿F(xiàn)定深測量，但是測量結(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)定的測量剖面中沉浮。通過程序控制拖曳體的電機運轉(zhuǎn)，以改變拖曳體的升降姿態(tài)，理想情況下拖曳體的運行軌跡為正弦曲線，但在實際測量中的運行軌跡多為連續(xù)的多段直線。該類型拖曳CTD的特點是可實現(xiàn)連續(xù)測量，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量剖面中的上浮和下潛。下潛時，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動，其下沉速度可達6 m/s。上升時，在絞車牽引下將拖曳體快速拉出水面。該類型拖曳CTD的特點是可進行近似垂直的深海溫鹽剖面測量，但測量結(jié)果不對稱，且對拖曳體結(jié)構(gòu)和絞車控制性能要求較高。

拖曳式CTD測量系統(tǒng)的快速運動特性對傳感器的響應(yīng)時間提出了更高的要求，傳統(tǒng)CTD剖面儀的傳感器響應(yīng)時間較長，難以達到拖曳式測量系統(tǒng)的要求，故將傳統(tǒng)的CTD傳感器簡單地移植到拖曳體中是不合理的。其次，拖曳體的快速運動對傳感器的測量特性也產(chǎn)生了較大影響。在快速運動過程中，海水的粘滯特性增強，導致了較大的溫度測量誤差；快速運動中的沖擊動量使得電導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量影響了壓力傳感器的測量結(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動而產(chǎn)生的溫鹽深測量誤差。

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，簡稱XCTD）是國外于20世紀80年代開始研制并快速發(fā)展的一種海水溫鹽剖面測量設(shè)備。它可以在下沉過程中測量海水的電導率和溫度，并根據(jù)下沉時間和速度計算出深度，其最大測量深度可達2000m（Kizuetal，2008）。XCTD使用方便，性能可靠，可以艦船、潛艇和飛機為載體進行大批量投放，快速獲取大面積海域內(nèi)的溫度和電導率數(shù)據(jù)，并據(jù)此計算出海水密度、鹽度、聲速等相關(guān)物理學參數(shù)。這些參數(shù)對于科學研究和國防建設(shè)等都具有極其重要的應(yīng)用價值。特別是在軍事應(yīng)用中，溫鹽剖面資料對于潛艇的航行、通信、隱蔽、攻擊以及水面艦艇的反潛行動都起著至關(guān)重要的作用（Crescentini et al，2011）。

XCTD測量系統(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

拋棄式探頭是測量系統(tǒng)的核心，其中搭載的溫度和電導率傳感器可在探頭的下沉過程中測量海水的溫鹽度數(shù)據(jù)。微處理器用于完成傳感器輸出信號的采集、校正、轉(zhuǎn)換，并將數(shù)據(jù)經(jīng)通信接口電路實時傳輸至數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。需要說明的是，因為XCTD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算獲得，下沉速度僅與探頭的入水時間有關(guān)，根據(jù)入水時間可以得到探頭任意時刻的下沉速度，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，探頭和發(fā)射裝置中的傳輸導線線軸同時釋放高強度細導線，用于實現(xiàn)傳感器測量結(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率數(shù)據(jù)，并計算鹽度、密度、聲速等相應(yīng)參數(shù)；檢測探頭入水信號，并根據(jù)入水時間和下沉速度計算剖面深度；對溫度和電導率測量結(jié)果進行數(shù)據(jù)平滑和修正，實時記錄并顯示溫度和電導率剖面數(shù)據(jù)隨深度變化的特性曲線（賈志成等，2010）。

XCTD測量系統(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，入水后即開始測量海水的溫度和電導率。在下沉過程中，測量數(shù)據(jù)經(jīng)探頭內(nèi)的高強度細導線傳輸至水上數(shù)據(jù)接收裝置，進行數(shù)據(jù)預(yù)處理。數(shù)據(jù)處理軟件檢測探頭入水時間，計算其入水深度，并對對應(yīng)深度上的溫度和電導率數(shù)據(jù)進行平滑和修正處理，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

空投式溫鹽剖面測量儀（Aerial Expendable Con-ductivity-Temperature-Depth profiler，簡稱AXCTD）的工作過程與XCTD相似。探頭由飛機投擲，可一次性投擲多枚。探頭從水面浮動單元開始下沉，在下沉過程中測量溫度和電導率數(shù)據(jù)，測量結(jié)果通過探頭內(nèi)的高強度細導線傳輸至水面浮動單元，再由水面浮動單元以無線通信方式傳輸至飛機（Trampp，2012）。當探頭下沉至最大深度時，細導線斷裂，測量過程結(jié)束。

潛艇投棄式溫鹽深測量儀（Submarine Launched Expendable Conductivity-Temperature-Depth probes，簡稱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。當浮筒感應(yīng)到空氣時，釋放其內(nèi)部的溫鹽測量探頭。探頭在下沉過程中測量海水溫鹽數(shù)據(jù)，并將所測數(shù)據(jù)通過傳輸線實時傳送至數(shù)據(jù)采集器。探頭沉至海底時，數(shù)據(jù)傳輸線自動斷開，測量過程結(jié)束。近年來，潛艇投棄式溫鹽深測量技術(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 海洋觀測平臺上的CTD傳感器

海洋觀測平臺種類繁多，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)有的海洋觀測平臺可分為定點觀測平臺和移動觀測平臺兩大類。

海洋定點觀測平臺主要包括定點的浮標觀測平臺、潛標觀測平臺和海床基平臺（李民等，2015）。海上定點觀測平臺融合了傳感器技術(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現(xiàn)定點的海水溫鹽度變化規(guī)律的觀測。

搭載于移動觀測平臺上的CTD傳感器具有更強的機動性和持續(xù)性，可以進行長時間、大范圍的溫鹽深剖面測量。Argo浮標、水下機器人和水下滑翔機等移動觀測平臺為海水溫鹽剖面資料的獲取提供了更靈活高效的手段。

Argo浮標是國際Argo計劃的任務(wù)承擔者，它的設(shè)計壽命為3～5 a，最大測量深度為2 000 m，每隔10～14 d發(fā)送一組溫鹽剖面觀測數(shù)據(jù)，每年可提供多達10萬條溫鹽剖面資料。國際Argo計劃科學組推薦使用的浮標主要有兩種類型：美國Webb公司研制的APEX型浮標和法國Martec公司研制的PROVOR型浮標（Gould et al，2015）。

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

自主式水下機器人（Autonomous Underwater Vehicle，簡稱AUV)具有活動范圍大、機動性能好、智能化程度高等優(yōu)點，是進行海洋水文要素觀測的重要工具（徐玉如等，2006）。

AUV搭載的CTD測量單元可以直接從AUV的電池中獲取能量。相比于水下滑翔機，AUV具有更強的負載能力，因此可以攜帶更高等級的CTD傳感器（Schmitt et al，2006）。例如，圖5所示的Bluefin Robotics型AUV通常可搭載海鳥公司的SBE 49 Fast-CAT型CTD，其數(shù)據(jù)記錄頻率為16 Hz，深度可達到10 500 m（Paradis et al，2013）。

表3 兩種Argo浮標CTD傳感器技術(shù)指標

圖5 Bluefin Robotics型AUV

水下滑翔機（Underwater Glider）是一種將浮標、潛標技術(shù)與水下機器人技術(shù)相結(jié)合的新型水下觀測系統(tǒng)，最具代表性的產(chǎn)品為如圖6所示的美國Slocum型水下滑翔機。與傳統(tǒng)的海洋觀測系統(tǒng)相比，水下滑翔機具有優(yōu)越的機動性、可控性和實時性，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。將水下滑翔機用于海洋環(huán)境監(jiān)測，有助于提高觀測資料的時間和空間密度，滿足了長時間、大范圍海洋探索的需要（楊燕等，2015）。

圖6 美國Slocum型水下滑翔機

當前，水下滑翔機客戶化訂制的傳感器涵蓋了海洋動力學、海洋生態(tài)學、海水聲光學特性等各個領(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型水下滑翔機可搭載海水聲學、光學、溫鹽深等多要素傳感器。

圖7 Slocum水下滑翔機的多要素傳感器

對于水下滑翔機而言，因其負載能力較低，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1 500 m。因為水下滑翔機不能為CTD提供電源，故搭載在水下滑翔機上的CTD需要有獨立的電源，并且能持續(xù)45 d以上的工作時間。

系纜式觀測平臺可搭載CTD觀測設(shè)備，在驅(qū)動系統(tǒng)的牽引下，平臺會沿著纜繩實現(xiàn)升降運動。在平臺運動過程中，CTD可完成對海水溫鹽剖面的測量（李墨等，2008）。這種類型的CTD剖面觀測設(shè)備會將測量結(jié)果記錄在數(shù)據(jù)存儲器中，待儀器回收后讀取其存儲的數(shù)據(jù)。圖8所示為搭載有SEB 52-MP CTD傳感器的McLane型系泊式剖面測量儀。

圖8 搭載SEB 52-MP CTD的McLane型系泊式剖面測量儀

3 CTD標定與檢測技術(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，其測量結(jié)果的有效性和準確性會降低。為了保證儀器測量數(shù)據(jù)的準確可靠，必須定期對CTD進行校準。

世界各國的海洋研究機構(gòu)都非常重視CTD的校準工作。美國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標定校準實驗室。1996年海鳥公司的CTD校準實驗室建造完成，其溫度標準的測量準確度達到依0.000 5益，鹽度標準的測量準確度為依0.002PSU，壓力標準的測量準確度為依0.005豫FS，恒溫海水槽控溫精度為依0.0002益，溫場均勻性為依0.000 1益。在CTD動態(tài)校準方面，美國華盛頓大學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釋放速度對海鳥CTD進行了動態(tài)校準；加拿大海洋研究機構(gòu)研制了溫度和電導率可變的海水槽，并對海鳥CTD、Mark III溫度和電導率傳感器的動態(tài)特性進行測試與分析（周欣，2012）。

我國溫鹽深傳感器檢測設(shè)備的研制開始于20世紀70年代。1986年研制成功了具有世界先進水平的CTD定標檢測設(shè)備，并建立了CTD校準實驗室?！熬盼濉逼陂g國家海洋技術(shù)中心研制的CTD校準設(shè)備，其溫度標準的測量準確度為依0.000 5益，鹽度標準的測量準確度為依0.002 PSU，壓力標準的測量準確度達到依0.005豫FS。這些標準的建立使我國CTD剖面儀的量值能夠溯源到國家或國際標準。

在校準設(shè)備研制的同時，CTD傳感器的檢定方法也在逐步完善?！禞JG 763-2002溫鹽深測量儀檢定規(guī)程》對檢定設(shè)備的計量性能及檢定方法做了細致描述（賈肇基等，2003）。表4列舉了國內(nèi)外CTD校準設(shè)備的基本技術(shù)指標。

4 CTD剖面測量技術(shù)發(fā)展趨勢

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

表4 國內(nèi)外CTD校準設(shè)備基本技術(shù)指標

（1）低功耗、模塊化設(shè)計。低功耗的CTD傳感器能夠更好的與Argo浮標、水下滑翔機、深海觀測平臺等觀測設(shè)備相融合，獲得更長的觀測壽命。同時，模塊化設(shè)計有助于傳感器的更換、維修和檢定，便于傳感器與觀測平臺的組裝，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，能夠快速準確的進行設(shè)備更換和組裝。同時，海鳥公司的CTD測量單元中留有多種傳感器接口，可根據(jù)測量需要搭載溶解氧、pH值等其他類型的傳感器，進行多要素海洋觀測。

（2）多參數(shù)立體化海洋觀測網(wǎng)絡(luò)。海洋立體觀測網(wǎng)絡(luò)是獲取海洋環(huán)境信息的最有效手段，由海基、陸基、空基觀測平臺構(gòu)成的立體觀測網(wǎng)成為海洋溫鹽深剖面測量的多樣化載體。除傳統(tǒng)的船載CTD剖面測量設(shè)備外，定點和移動海洋觀測平臺都是進行溫鹽剖面觀測的優(yōu)良載體。基于水下接駁技術(shù)的海底觀測網(wǎng)絡(luò)可有效解決海床基等海底觀測設(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無纜潛標等定點觀測平臺的工作時間和AUV等移動觀測平臺的續(xù)航能力；基于北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的通信技術(shù)也會為剖面浮標等觀測設(shè)備提供新的通信手段。

（3）優(yōu)化傳感器測量性能。對于某些特殊的應(yīng)用需求，如研究短時間內(nèi)海洋剖面的變化規(guī)律和快速運動狀態(tài)下的溫鹽深測量，現(xiàn)有的CTD剖面測量設(shè)備難以滿足其時間和空間的分辨率要求。故CTD高速采集測量技術(shù)和高頻響應(yīng)測量技術(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。目前，國內(nèi)的CTD測量設(shè)備在測量精度方面并不遜于國外產(chǎn)品，只是在長期穩(wěn)定性方面尚與國外產(chǎn)品存在差距，故提高設(shè)備的長期穩(wěn)定性將是CTD測量設(shè)備的重要發(fā)展方向。

（4）加快發(fā)展防生物附著技術(shù)。部分海洋生物會附著在水下觀測設(shè)備及艦船等海洋結(jié)構(gòu)物表面并對其產(chǎn)生不良影響。對于CTD而言，海洋生物的附著會降低其測量精度及長期穩(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)測和開發(fā)的需要。因此現(xiàn)有的防污技術(shù)正朝著經(jīng)濟、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（胥震等，2012）。

（5）研發(fā)深海型溫鹽深測量設(shè)備。深遠海發(fā)展戰(zhàn)略已成為各海洋強國關(guān)注的焦點，研發(fā)深海型溫鹽深測量設(shè)備已成為海洋監(jiān)測領(lǐng)域的必然發(fā)展趨勢。國際Argo計劃組已經(jīng)將深海型Argo浮標作為其計劃發(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發(fā)展方向。隨之而來的深海觀測平臺布放與回收技術(shù)、深海觀測設(shè)備能源供應(yīng)技術(shù)以及深海觀測數(shù)據(jù)實時傳輸技術(shù)都將成為亟待突破的技術(shù)難點。

5 結(jié)語

目前，我國的CTD剖面測量技術(shù)雖已接近世界先進水平，但在部分領(lǐng)域仍處于技術(shù)跟蹤階段。隨著我國經(jīng)濟和軍事的發(fā)展腳步逐漸邁向深藍，對更廣闊海域進行環(huán)境監(jiān)測的需求將更為迫切，故需要不斷增強自主創(chuàng)新能力，大力研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的CTD剖面測量設(shè)備。同時，應(yīng)注重衛(wèi)星遙感、觀測平臺、水聲探測、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、自動化、實時性、多平臺、多要素、高精度的海洋立體觀測網(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

國家自然科學基金（40976062）；江蘇省自然科學基金（BK2009062）；國家自然科學基金青年基金（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）