UCTD 數(shù)據(jù)處理方法研究

張 挺，田 雨，蘭 卉，高 坤，程 敏，許麗萍

（國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津 300112）

走航式溫鹽深剖面測(cè)量?jī)x（Underway Conductivity Temperature Depth Profiler，UCTD） 是一種低成本、結(jié)構(gòu)緊湊的溫鹽深剖面測(cè)量?jī)x器，使用配套絞車(chē)進(jìn)行投放和回收，在船舶航行時(shí)進(jìn)行溫度、電導(dǎo)率和壓力測(cè)量，UCTD 適應(yīng)船速0 ～12 kn，航速12 kn 時(shí)下放深度達(dá)到400 m[1]。國(guó)內(nèi)外UCTD 均采用無(wú)泵設(shè)計(jì)的三電極電導(dǎo)率傳感器測(cè)量方案，借助UCTD 的快速下降實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)率傳感器內(nèi)的海水導(dǎo)流。相對(duì)于傳統(tǒng)剖面測(cè)量

CTD（Conductivity Temperature Depth Profiler，CTD），UCTD 下降速度不僅快而且隨深度變化，導(dǎo)致其數(shù)據(jù)處理參數(shù)依賴于當(dāng)前速度，在UCTD數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，需要進(jìn)一步排除粘性耗散導(dǎo)致的升溫效應(yīng)，還要考慮熱質(zhì)訂正參數(shù)、傳感器響應(yīng)和匹配時(shí)間受流速影響而發(fā)生變化的情況。因此，有必要研究UCTD 下降過(guò)程，并在傳統(tǒng)剖面測(cè)量CTD 數(shù)據(jù)處理方法基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，得到適用于UCTD 的數(shù)據(jù)處理方法和參數(shù)。CTD 數(shù)據(jù)處理方法在國(guó)內(nèi)外已有充分的研究，UCTD 相關(guān)文獻(xiàn)卻較少，國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)以產(chǎn)品介紹和應(yīng)用研究為主[2-3]，美國(guó)羅得島大學(xué)學(xué)者深入研究了UCTD數(shù)據(jù)處理的模型，強(qiáng)調(diào)UCTD 數(shù)據(jù)處理需考慮速度效應(yīng)[4]。

1 UCTD 下降速度模型

UCTD主要由探頭部分、密封殼體和尾桿構(gòu)成，如圖1 所示，探頭部分包含溫度、電導(dǎo)率傳感器，密封殼體表面有壓力傳感器，內(nèi)部安放電池和測(cè)量電路。自由投放模式下，按照預(yù)設(shè)的投放深度，繞線機(jī)在尾桿上往返纏繞若干層纜繩，入水后尾桿和絞車(chē)卷筒雙端放線，UCTD 下降速度基本不受船舶航速的影響。

圖1 UCTD 結(jié)構(gòu)示意圖

自由下落時(shí)，UCTD 受到重力、浮力、運(yùn)動(dòng)阻力和放線阻力的共同作用，參考XBT 運(yùn)動(dòng)方程[5]，可以建立UCTD 運(yùn)動(dòng)方程：

式中：M 為UCTD 在z 深度處的質(zhì)量；L 為放線阻力；M0, V0為UCTD 入水時(shí)刻的質(zhì)量和體積；m, v 為單位長(zhǎng)度纜繩質(zhì)量和體積；Ff為UCTD在z 深度處所受浮力；ρ0為表層海水密度；D 為UCTD 運(yùn)動(dòng)阻力；Cd為阻力系數(shù)；S 為UCTD 截面積；U 為下降速度。

代入U(xiǎn)CTD 和纜繩的基本參數(shù)，假設(shè)入水時(shí)速度為5 m/s，求解運(yùn)動(dòng)方程，得到UCTD 下降速度與深度關(guān)系：

受投放高度、入水姿態(tài)、繞線質(zhì)量及海區(qū)差異的影響，UCTD 實(shí)際下降速度與理論值差別較大，B2-1 站位UCTD 實(shí)際下降速度如圖2 所示，0 ～430 dbar 區(qū)間UCTD 處于雙端放線狀態(tài)，下降速度的量級(jí)和趨勢(shì)與理論計(jì)算大體相符，波動(dòng)與尾桿上纜繩的放線方向的周期性變化有關(guān)。至430 dbar 時(shí)UCTD 放線完畢，受纜繩拖拽作用，下降速度驟降至1.4 m/s，隨后緩慢均勻下降至930 dbar 時(shí)絞車(chē)開(kāi)始回收。

圖2 UCTD 下降速度曲線

2 粘性耗散修正

UCTD 下降速度較快，需要考慮粘性耗散作用，粘性耗散是流體在流動(dòng)過(guò)程中由粘性摩擦力引起的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成熱能的現(xiàn)象，在粘性耗散加熱下，溫度傳感器會(huì)產(chǎn)生與流速平方成正比的測(cè)量誤差[6]：

式中：v 為海水運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)；U 為UCTD 下降速度；ΔU 為電導(dǎo)池內(nèi)外速度差。根據(jù)Ullman[4]提出的模型，流經(jīng)溫度傳感器的流速與UCTD 下降速度在1 ～5 m/s 區(qū)間內(nèi)基本成線性關(guān)系，平均偏低約0.4 m/s。當(dāng)UCTD 下降速度為4 m/s 時(shí)，會(huì)產(chǎn)生超過(guò)+0.003℃的溫度測(cè)量誤差，該誤差應(yīng)根據(jù)當(dāng)前下降速度予以修正。

3 濾 波

UCTD 沿用Mudge 和Lueck 提出的低通濾波算法[7]，通過(guò)同步溫度和電導(dǎo)率傳感器響應(yīng)時(shí)間的方式削弱鹽度等衍生量的尖峰，為避免相移，對(duì)數(shù)據(jù)先后做正向和反向?yàn)V波。

式中：Y 為傳感器濾波后的值；Y0為原始數(shù)據(jù)；τ 為時(shí)間常數(shù)；f 為采樣頻率。

UCTD 傳感器時(shí)間常數(shù)與下降速度相關(guān)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，下降速度較低時(shí)，分別給予溫度、電導(dǎo)率、壓力時(shí)間常數(shù)為0.15 s, 0.1 s, 0.15 s 的低通濾波，可以在削弱噪聲和保留測(cè)量細(xì)節(jié)之間達(dá)到較好的平衡；下降速度超過(guò)3 m/s 時(shí)，三個(gè)傳感器時(shí)間常數(shù)均取0.1 s。如圖3 所示，UCTD 經(jīng)過(guò)濾波處理，鹽度尖峰得到一定程度的抑制。

圖3 濾波效果對(duì)比圖

4 位置訂正

受傳感器響應(yīng)時(shí)間、采樣時(shí)序、安裝位置的影響，溫度、電導(dǎo)率傳感器無(wú)法同步測(cè)量同一水團(tuán)，導(dǎo)致鹽度等衍生量產(chǎn)生虛假尖峰現(xiàn)象。一般用位置訂正算法同步溫度、電導(dǎo)率傳感器數(shù)據(jù)，消除尖峰，保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。如圖4 所示，假定UCTD 在0 時(shí)刻穿越一個(gè)溫鹽階躍，Tpos為水團(tuán)經(jīng)由溫度傳感器流向電導(dǎo)率傳感器的時(shí)間，Tt, Tc分別為溫度、電導(dǎo)率響應(yīng)時(shí)間。從圖中可以看出，做位置訂正時(shí)保持溫度不動(dòng)，電導(dǎo)率數(shù)據(jù)挪動(dòng)時(shí)間：

式中：Talign為位置訂正參數(shù)，正值表示電導(dǎo)率相對(duì)于溫度數(shù)據(jù)向前移動(dòng)，負(fù)值表示向后移動(dòng)；Tsample代表電導(dǎo)率相對(duì)于溫度采集的時(shí)序差。

圖4 位置訂正參數(shù)影響因素示意圖

位置訂正參數(shù)影響因素中除了Tsample固定不變，其他都隨流速而變化。從傳感器測(cè)量原理看，Tpos, Tc與流速成反比，Raymond W 等[8]實(shí)驗(yàn)表明，Tt與流速的開(kāi)方成反比。分別估算不同流速下Tpos,Tc, Tt的值存在困難，因此將位置訂正參數(shù)作為一個(gè)整體來(lái)研究，挑選2016 年至2019 年3 次海試16 組不同下降速度的UCTD 數(shù)據(jù)，保持溫度、壓力數(shù)據(jù)不動(dòng)，對(duì)電導(dǎo)率數(shù)據(jù)以0.01 s 為間隔向前、向后移動(dòng)和線性插值，并重新計(jì)算鹽度。以鹽度曲線長(zhǎng)度最小為目標(biāo)，求解不同下降速度對(duì)應(yīng)的最優(yōu)位置訂正參數(shù)。

式中：P 為壓力；S 為鹽度；n 為采樣序號(hào)。

圖5 位置訂正參數(shù)與下降速度關(guān)系圖

如圖5 所示，低速時(shí)Tpos, Tc很大，位置訂正參數(shù)為正；隨著速度的增加，Tpos, Tc相對(duì)于Tt快速減少，導(dǎo)致位置訂正參數(shù)變成了負(fù)值。對(duì)圖中數(shù)據(jù)點(diǎn)做擬合，得到公式：

圖6 給出了位置訂正的對(duì)比效果，UCTD 捆綁在SBE911 Plus CTD 儀器架上，下降速度為1.1 m/s，計(jì)算Talign為0.2 s，經(jīng)過(guò)位置訂正，UCTD 鹽度尖峰顯著削弱。

圖6 位置訂正效果對(duì)比圖

5 熱質(zhì)訂正

電導(dǎo)率傳感器由鉑環(huán)電極、玻璃管、封裝膠和支撐托架構(gòu)成，傳感器上存儲(chǔ)的熱量會(huì)延緩流經(jīng)海水溫度的變化，導(dǎo)致電導(dǎo)率測(cè)量值產(chǎn)生測(cè)量誤差，一般用Lueck 和Picklo 提出的熱質(zhì)訂正算法[9]予以修正：

式中：CT為電導(dǎo)率修正值；T 為溫度；r 描述電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系；n 為采樣序號(hào)；f 為采樣頻率；α 和τ 為熱質(zhì)訂正參數(shù)，分別代表由熱質(zhì)效應(yīng)引起的誤差幅值和時(shí)間常數(shù)。根據(jù)Morison 熱質(zhì)訂正模型[10]，α 和τ 參數(shù)與流速相關(guān)。通過(guò)海上試驗(yàn)確定α 和τ 的值，估算其與下降速度的關(guān)系。

2018 年9 月的南海海試中，將UCTD 捆綁在SBE911 Plus CTD 的架子上，按1.1 m/s 的下降速度開(kāi)展了8 組同步比測(cè)。使用SBE Data Processing軟件處理SBE9 數(shù)據(jù)，對(duì)UCTD 數(shù)據(jù)做粘性耗散、濾波、位置訂正，然后遍歷α, τ 參數(shù)做熱質(zhì)訂正。以兩者10 ～500 dbar 區(qū)間的鹽度測(cè)量差值的均方根值最小作為目標(biāo)，求解最優(yōu)α 和τ 參數(shù)。從圖7中可以看出，α=0.07,τ=15 是一組比較合適的參數(shù)。其他7 個(gè)同步比測(cè)剖面的計(jì)算結(jié)果與之類(lèi)似。

圖7 鹽度測(cè)量誤差的均方根值與α, τ 的關(guān)系圖

將UCTD 單獨(dú)投放的剖面數(shù)據(jù)照此處理，得到下降速度為4 m/s 下的最優(yōu)參數(shù)α=0.01,τ=1。參考Morison 模型[10]，得到熱質(zhì)訂正參數(shù)與速度的對(duì)應(yīng)關(guān)系：

圖8 給出了UCTD 熱質(zhì)訂正的對(duì)比效果，經(jīng)過(guò)熱質(zhì)訂正，UCTD 與SBE911 Plus CTD 鹽度測(cè)量差異顯著減少。

圖8 熱質(zhì)訂正效果對(duì)比圖

6 典型剖面數(shù)據(jù)處理

圖9 中紅色曲線為B2-1 站位UCTD 原始鹽度，未經(jīng)處理的UCTD 鹽度曲線噪聲很大，圖中SBE911 Plus CTD 為相鄰站位已處理的鹽度測(cè)量曲線。圖中還可以看出，在尾桿放線完畢（430 dbar）和開(kāi)始回收（930 dbar）處，兩次速度驟降均伴隨鹽度突然增加的現(xiàn)象，幅度約在0.03 PSU左右，數(shù)據(jù)處理時(shí)必須予以剔除。

圖9 UCTD 原始鹽度曲線

數(shù)據(jù)處理時(shí)，要計(jì)算當(dāng)前UCTD 下降速度對(duì)應(yīng)的處理參數(shù)，然后進(jìn)行粘性耗散訂正、濾波、位置訂正、熱質(zhì)訂正和平均處理，處理效果如圖10 所示。處理后，UCTD 與SBE911 Plus CTD的溫度、電導(dǎo)率和鹽度的平均絕對(duì)誤差分別為0.008℃、0.029 mS/cm 和0.026 PSU，滿足表1 中測(cè)量準(zhǔn)確度的技術(shù)指標(biāo)。

圖10 UCTD 處理后鹽度曲線

表1 UCTD 主要技術(shù)指標(biāo)

數(shù)據(jù)處理后，UCTD 鹽度噪聲顯著減少，與SBE911 Plus CTD 鹽度曲線更加接近，尤其在雙端放線部分（0 ～430 dbar），處理效果比較明顯。在尾桿放線完畢UCTD 繼續(xù)下降時(shí)（＞430 dbar），因纜繩拖拽作用，UCTD 速度較慢且姿態(tài)發(fā)生傾斜，傳感器過(guò)水不暢，數(shù)據(jù)處理效果有限，仍存在明顯的鹽度抖動(dòng)現(xiàn)象，建議用戶做中值濾波、滑動(dòng)平均處理，同時(shí)忽略測(cè)量細(xì)節(jié)。

7 結(jié) 論

UCTD 是一種可以在船舶航行過(guò)程中使用的溫鹽深剖面測(cè)量?jī)x器，在獲取高水平分辨率數(shù)據(jù)的同時(shí)，不可避免地會(huì)犧牲其數(shù)據(jù)質(zhì)量，在這種情況下，必須采用一套與其運(yùn)動(dòng)特性相適應(yīng)的數(shù)據(jù)處理方法，確保準(zhǔn)確地獲取溫鹽剖面數(shù)據(jù)。在開(kāi)展UCTD 數(shù)據(jù)處理時(shí)，首先計(jì)算當(dāng)前下降速度對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)處理參數(shù)，然后依次進(jìn)行粘性耗散溫度修正、溫鹽傳感器響應(yīng)時(shí)間匹配、溫鹽傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)同步、電導(dǎo)率傳感器熱質(zhì)效應(yīng)修正，最后還要剔除速度驟降導(dǎo)致的鹽度異常。

多次海上試驗(yàn)表明，確保UCTD 平穩(wěn)下降，是獲取高質(zhì)量UCTD 數(shù)據(jù)的前提和關(guān)鍵，在條件允許的情況下，建議用戶盡量按照操作規(guī)程在尾桿上緊密繞線，采用自由投放的模式投放UCTD，結(jié)合規(guī)范的數(shù)據(jù)處理，可以有效減少鹽度測(cè)量噪聲和誤差，獲得較好的溫鹽剖面數(shù)據(jù)。