XCTD與CTD的對比測試研究

徐 澤，于宗澤，傅曉洲，俞欣沁

（廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣東 廣州 510700）

20世紀70年代出現(xiàn)的多波束測深系統(tǒng)深刻改變了海洋水深調(diào)查的方式，極大地提高了水深測量的作業(yè)效率[1]。由于多波束測深系統(tǒng)在工作過程中呈扇面狀發(fā)射和接收聲波信號，然后根據(jù)聲傳播旅行時和海水聲速確定水深。因此，在多波束水深測量過程中，海水聲速剖面的準確獲取以及聲速的改正對于最終的水深成果質(zhì)量至關(guān)重要，不合理的聲速將導致觀測到的海底地形呈凹凸狀[2-3]。

目前，海水聲速測量方式有兩種：一種是間接聲速測量，另一種是直接聲速測量[4]。間接聲速測量是根據(jù)溫度、鹽度和壓力數(shù)據(jù)，用特定的計算公式確定海水聲速，直接聲速測量則是通過測量聲速在某一固定距離上傳播的時間或相位，從而直接計算海水聲速。間接聲速剖面測量代表性儀器有美國海鳥公司（SeaBird）生產(chǎn)的CTD，直接聲速剖面測量代表性儀器有AML公司生產(chǎn)的不同系列的聲速剖面儀。目前，進行聲速剖面測量時多采用聲速剖面儀直接測量聲速剖面，在測量船停船時，通過鋼纜絞車投放聲速剖面儀。當水深較深時，導致投放回收時間較長，同時，受聲速剖面的時空限制，當聲速剖面不滿足要求時，需要停船并重新做聲速剖面的測量，導致海上調(diào)查作業(yè)效率較為低下。

為了提高海上多波束水深調(diào)查作業(yè)的效率，在非停船作業(yè)模式下快速獲取海水聲速剖面，利用XCTD以及拋棄式溫度剖面測量儀（XBT）間接測量聲速剖面已得到廣泛應用[4-5]。然而，XCTD與XBT作業(yè)效率雖高，但是其探測深度有限。并且，XBT無法觀測海水的鹽度信息，其對深水海域的海水聲速測量影響較重，并進一步影響到水深測量精度。為了解決XBT無鹽度信息的問題，有學者提出了聯(lián)合XBT與WOA13模型鹽度信息確定聲速剖面的解決辦法[6]，但是WOA13模型鹽度數(shù)據(jù)是對多年每月的鹽度數(shù)據(jù)取平均值，分辨率較低[7]。

為了解決海上調(diào)查作業(yè)效率較低的問題，同時保證多波束測深的精度，本文介紹了CTD與XCTD作業(yè)原理，對比了同一時間、同一站位的CTD、XCTD及聲速剖面儀觀測得到的聲速剖面數(shù)據(jù)，探討了利用CTD與XCTD提高多波束水深調(diào)查的作業(yè)效率。

1 CTD與XCTD原理

1. 1 CTD原理

CTD廣泛應用于海洋調(diào)查中，是目前應用最多的海水溫度、鹽度與深度參數(shù)測量設備。利用CTD觀測得到的溫度、鹽度和深度數(shù)據(jù)，結(jié)合聲速經(jīng)驗模型，可以間接確定海水聲速。其中，最具代表性的是海鳥公司的SBE 917Plus CTD剖面儀。SBE 917Plus CTD剖面儀搭載的傳感器采用模塊化設計，能夠快速準確地獲取海水的溫度、電導率和深度參數(shù)。系統(tǒng)主要包括SBE 9Plus CTD單元、SBE 17Plus SEARAM存儲單元和SBE32采水器。

SBE 9Plus 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，采用TC導管將溫度和電導率傳感器連接在一起，通過水泵迫使海水以恒定速率通過感溫原件和電導池，從而可以獲取同一水團的溫度和電導率數(shù)據(jù)[8]。

SBE 17Plus SEARAM是整個系統(tǒng)的控制單元，同時為SBE 9PLUS 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)采樣間隔預先輸入到SEARAM中，因此可實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、存儲的自動化。

圖1為SBE 917Plus CTD剖面儀在海上調(diào)查中的布放過程示意圖，其布放過程可概括為以下7個步驟：安裝調(diào)試、參數(shù)設置、設備布放、下降過程中測量、上升過程中采水、設備回收、數(shù)據(jù)下載及處理[9]。

圖1 SBE 917Plus CTD剖面儀布放方式

1. 2 XCTD原理

XCTD是一種海水溫鹽剖面快速測量設備，可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2 000 m。

XCTD測量系統(tǒng)一般由發(fā)射裝置、拋棄式探頭、數(shù)據(jù)接收裝置和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成。其中，發(fā)射裝置和拋棄式探頭結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 XCTD發(fā)射裝置與拋棄式探頭

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度、鹽度數(shù)據(jù)。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。

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)處理系統(tǒng)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、聲速等相應參數(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；實時記錄并顯示溫度、電導率和聲速剖面數(shù)據(jù)隨深度變化的特性曲線。

XCTD測量系統(tǒng)工作方式如圖3所示：拋棄式探頭由發(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)[9-11]。其中，日本TSK公司生產(chǎn)的XCTD在世界處于領(lǐng)先水平，其不同型號的XCTD性能指標見表1。

圖3 XCTD工作示意圖

表1 日本TSK公司不同型號XCTD指標

2 數(shù)據(jù)來源與處理

2. 1 數(shù)據(jù)來源

本文采用 “海洋地質(zhì)六號”調(diào)查船2019年3月在西太平洋某海域?qū)崪y的數(shù)據(jù)。直接聲速剖面測量采用的儀器為AML公司的PLUS SV聲速剖面儀，最大工作深度6 000 m。間接聲速剖面測量采用的儀器為海鳥公司生產(chǎn)的SBE 917 plus CTD和日本TSK公司生產(chǎn)的XCTD-4。在到達站位時，首先停船，使用鋼纜絞車同時搭載了一套AML聲速剖面儀和Seabird SBE 917 Plus CTD，同時投放回收，共耗時約5 h，分別獲得兩個聲速剖面數(shù)據(jù)文件SVP-AML和SVP-CTD。然后，調(diào)查船以5 kn船速勻速向前航行，在航行的過程中投放XCTD，探頭下降深度達1 850 m時，連接拋棄式探頭與發(fā)射裝置之間的數(shù)據(jù)傳輸導線斷裂，測量結(jié)束，得到一個聲速剖面數(shù)據(jù)文件SVP-XCTD，此過程共耗時約10 min。圖4為MK-150采集軟件查看原始采集數(shù)據(jù)。如圖4所示。

圖4 MK-150采集軟件查看XCTD原始數(shù)據(jù)

2. 2 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)觀測得到的原始聲速剖面數(shù)據(jù)，繪制AML PLUS SV聲速剖面儀、溫鹽深剖面儀和拋棄式溫鹽深剖面儀的聲速剖面圖，如圖5所示。

為了進一步對比SVP-XCTD、SVP-CTD與SVP-AML之間的差異性大小，分別對3個聲速剖面按深度間隔1 m取一個樣。然后在對應同一深度處，分別計算SVP-XCTD與SVP-CTD、SVPXCTD與SVP-AML、SVP-CTD與SVP-AML之間的互差大小。由于誤差的影響，采集的聲速剖面數(shù)據(jù)可能存在尖峰效應，即某一時刻的測量值偏離實際值較大，為了剔除誤差導致的測量異常值，采用中值平均濾波法對聲速剖面互差數(shù)據(jù)進行濾波處理，可有效的剔除異常值及平滑聲速剖面互差曲線，結(jié)果見圖6。最后，分別統(tǒng)計每組互差值的最大值、最小值、均值以及標準差（表2）。

圖5 AML聲速剖面儀、溫鹽深儀與拋棄式溫鹽深儀獲得的聲速剖面

圖6 SVP-XCTD與SVP-AML、SVP-XCTD與SVP-CTD、SVP-CTD與SVP-AML互差

表2 XCTD與AML、XCTD與CTD、CTD與AML之間的聲速互差統(tǒng)計

3 結(jié)果與討論

3. 1 不同聲速剖面間互差對水深測量的影響

從圖6中可以看出，SVP-XCTD與SVP-CTD的互差值總體較小，在200 m深度附近處，互差波動較大，200 m深度以下，互差趨于穩(wěn)定。統(tǒng)計分析結(jié)果表明：最大值0.56，最小值-0.66，平均值-0.10，標準差0.15（表2）。SVP-XCTD與SVP-AML的互差最大值0.91，最小值-0.66，均值-0.18，標準差0.27（表2）。SVP-CTD與SVP-AML的互差最大值0.88，最小值-0.52，均值-0.36，標準差0.19（表2）。雖然對聲速互差值進行了中值平均濾波，但是從圖6中仍可以看出，在深度180～300 m之間，XCTD、CTD與AML的聲速互差值仍存在一些的異常值，導致聲速互差曲線跳動較為明顯。結(jié)合圖5中三者的聲速剖面，深度約200 m附近正好位于聲速躍層界面。單獨提取XCTD與CTD的溫度與鹽度數(shù)據(jù)，繪制溫度、鹽度隨深度變化的響應曲線（圖7），在深度約200 m附近，同樣也是溫度與鹽度變化較大的躍層界面。因此，推測這些互差值異常可能是在溫度、鹽度的躍層內(nèi)，不同設備傳感器的響應時間不同、深度計算公式的誤差或傳感器本身的測量誤差引起的。在深度約300 m以下，三者的互差值趨于穩(wěn)定。其中，SVP-CTD與SVP-AML的互差值無明顯波動。而SVP-XCTD與SVP-AML、SVP-XCTD與SVP-CTD在深度約200 m以下，互差值在-0.7～1 m/s之間呈不規(guī)則的曲線波動。

為了確定CTD和XCTD觀測得到的聲速剖面與聲速剖面儀獲得的聲速剖面之間的差值對水深測量的影響，首先對水深進行分層，淺水區(qū)由于聲速變化較大，分層間隔50 m、100 m，深水區(qū)聲速呈線性變化，分層間隔200 m、400 m，然后利用每層的水深值除以聲速剖面儀在該層底界面獲得的聲速，得到聲波在該水深層傳播時間，利用該傳播時間乘以聲速互差值，最終得到該水深層聲速互差值引起水深誤差（表3）。從表中可以看出，在2 400 m水深層，差值引起的水深變化最大為0.130 9 m。在多波束水深測量過程中，聲速剖面的分層遠小于400 m，該差值對水深測量結(jié)果的影響可忽略不計，使用XCTD與CTD獲得的聲速剖面數(shù)據(jù)完全滿足水深調(diào)查的要求。

圖7 XCTD與CTD溫度、鹽度隨深度變化的響應的曲線

表3 不同聲速剖面間互差對水深測量的影響

續(xù)表3

3. 2 CTD與XCTD在多波束水深測量中的應用

目前，在多波束水深測量過程中，多使用聲速剖面儀直接觀測聲速剖面。測量時需要停船，然后通過絞車投放聲速剖面儀。在遠海，水深多達6 000 m左右，投放回收一次約5 h，耗費船時較多。同時，海洋調(diào)查規(guī)范要求，在1°×1°范圍內(nèi)至少應有3個全海深的聲速剖面，而當聲速剖面變化較大時，還需要進行補測，這往往需要耗費大量寶貴的船時。同時，海上調(diào)查作業(yè)大多是一個綜合性的作業(yè)過程，不僅僅包括多波束水深調(diào)查，往往還包括海洋地球物理調(diào)查（海洋重力、磁力調(diào)查）以及海洋水文調(diào)查（CTD、ADCP調(diào)查）等。

根據(jù)CTD與XCTD的特點，CTD的測量深度最大可達10 000 m，滿足全海深測量要求，進行全海深的聲速剖面測量時，可考慮使用CTD進行測量。但是CTD的缺點是需要停船進行測量，耗費時間較長，水深2 000 m時測量一次聲速剖面數(shù)據(jù)大約需要100 min。XCTD的測量深度最大只有2 000 m，比CTD的測量深度要小許多。但是XCTD的優(yōu)點是不需要停船即可進行聲速剖面的測量，水深2 000 m時只需10 min的時間即可完成一次聲速剖面的測量。

在海上調(diào)查作業(yè)過程中，為了節(jié)約船時，可以考慮在含有CTD調(diào)查的航次中，在滿足設計要求的基礎上，通過合理布設CTD站位，使用CTD代替聲速剖面儀間接測量聲速剖面，以減少聲速剖面儀投放次數(shù)。由于XCTD具有不用停船、作業(yè)時間短、效率高的優(yōu)點，但是其測量深度最大為2 000 m，所以，在多波束水深調(diào)查過程中，當聲速剖面變化較大，需要補充聲速剖面測量時，可在非停船作業(yè)狀態(tài)下通過投放XCTD間接測量獲得聲速剖面數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 論

通過對XCTD、CTD和聲速計獲取的聲速數(shù)據(jù)進行對比分析，得出以下結(jié)論：

（1）不同聲速剖面間互差引起的水深變化最大為0.130 9 m。該差值對水深測量結(jié)果的影響可忽略不計，使用XCTD與CTD獲得的聲速剖面數(shù)據(jù)完全滿足水深調(diào)查的要求；（2）在海上多波束水深調(diào)查作業(yè)過程中，當有CTD調(diào)查作業(yè)時，可通過合理布設CTD站位，使用CTD間接測量得到的聲速剖面代替聲速剖面儀直接測量得到的聲速剖面；當需要補充聲速剖面測量時，在非停船作業(yè)狀態(tài)下投放XCTD間接測量聲速剖面，可提高海上多波束水深調(diào)查作業(yè)的效率。