大深度XCTD探頭海水中下落深度計算及試驗研究

趙建銳，王海濤，董 濤，武玉華

(國家海洋技術(shù)中心，天津300112)

0 引言

投棄式溫鹽深儀(XCTD)是一種先進的海洋動力環(huán)境要素測量儀器，可在船舶走航條件下快速、隱蔽獲取水下溫度和電導率數(shù)據(jù)，并衍生鹽度、密度和聲速剖面數(shù)據(jù)，其主要特點是快捷經(jīng)濟、操作簡便、測量隱蔽，可滿足快速獲取大面積海域水文數(shù)據(jù)的需求，為海洋調(diào)查、科學研究、軍事應(yīng)用提供了先進的測量手段[1]。目前，美國和日本在投棄式溫鹽深儀(XCTD)產(chǎn)品方面一直處于世界領(lǐng)先水平[2]。2000年以來，國家海洋技術(shù)中心致力于XCTD的研究，經(jīng)過多年的技術(shù)攻關(guān)，掌握了XCTD全部核心技術(shù)，具備了XCTD批量生產(chǎn)能力，可提供多種型號的XCTD系列化產(chǎn)品，并且正致力于新型號的研發(fā)以滿足不同客戶的需求。

投棄式溫鹽深探頭因為一次性使用的特點，要求其設(shè)計簡單，價格低廉，投棄式儀器上均沒有獲取探頭入水深度的傳感器，無法直接得到探頭海洋環(huán)境測量值與深度的對應(yīng)關(guān)系，深度數(shù)據(jù)是理論計算得出的。目前大深度XCTD下落深度的計算方法一般應(yīng)用傳統(tǒng)力學公式，但由于探頭在水中運動的復(fù)雜性，這種計算方法并不理想，與實際存在較大誤差。國外通過理論計算并結(jié)合不同機構(gòu)在多海域進行的與溫鹽深剖面儀的比對試驗，對理論深度公式進行修正，試驗的資金、時間成本均太高[3]。文章通過理論計算與水下運動測量海上實測相結(jié)合的方法，對大深度XCTD探頭的深度公式進行修正，成本低廉、可操作性強。

1 大深度XCTD的結(jié)構(gòu)和工作原理

大深度XCTD主要由XCTD探頭、發(fā)射裝置和數(shù)據(jù)接收處理單元組成。XCTD探頭為一次性使用儀器，工作流程如下：探頭由位于船尾部(或兩弦)的發(fā)射裝置發(fā)射入水，入水后探頭即開始測量海水溫度和電導率數(shù)據(jù)，隨著探頭在水中的下沉，數(shù)據(jù)接收處理單元實時接收測量數(shù)據(jù)并進行處理。在船舶停航或走航條件下，通過投放XCTD測量探頭，實時獲取海水溫度、電導率剖面數(shù)據(jù)，并可衍生鹽度、密度和聲速剖面數(shù)據(jù)。對于大深度XCTD，為了適應(yīng)測量深度由1000 m提高到1850 m，水下導線長度由原來的1050 m加長至1900 m，為了容納1900 m的傳輸導線，水下線軸的長度由107 mm加長至約173 mm，為了提高電路板艙體耐壓性能、降低探頭重心以穩(wěn)定下降姿態(tài)，擬增加線路板艙體下端的厚度，目前已有的XCTD和大深度XCTD結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，技術(shù)指標見表1所示。

圖1 探頭結(jié)構(gòu)圖

表1 大深度XCTD的技術(shù)指標

2 XCTD探頭下落深度計算與分析

2.1 探頭下落深度計算

XCTD的深度數(shù)據(jù)不是通過壓力傳感器獲取，而是通過已知的探頭水中下降速度公式計算獲得，下降速度公式僅與入水后經(jīng)過的時間相關(guān)。XCTD實際使用時，探頭投放高度會存在明顯的不同，需考慮探頭自海面以上一定高度自由下落入水前后運動的全過程。將運動分為3個階段：空中運動、水面沖擊、水中運動，并考慮探頭在水中下降過程中釋放導線造成的探頭質(zhì)量和排水體積的變化。在空中入水前的運動階段，忽略空氣阻力及浮力對探頭的影響，近似地看成自由落體運動。導線釋放所引起的探頭質(zhì)量變化非常微小(在1.5‰左右)，不考慮質(zhì)量變化。通過求解自由落體運動方程，可以得到探頭入水時刻和入水速度。在水面沖擊階段，物體以一定的初速度入水時，因為水的密度比空氣大得多，入水時，探頭將主要受沖擊力的作用，其他相對來說是小量。通過求解動量方程，最后得到入水沖擊速度損失后的入水初始速度。在水中運動階段，由于探頭水中下降運動時間長、距離大，在建立水中運動方程時必須考慮探頭釋放導線造成的探頭質(zhì)量和排水體積的變化，其運動是一種變質(zhì)量、變加速度運動。由于已知探頭入水后的初始速度，建立探頭的水下受力方程和運動方程，求解上述兩個方程就可以得到對應(yīng)各時刻的探頭速度和入水距離。

通過對擬合公式計算結(jié)果的分析，在探頭達到極限速度以后的深度-時間曲線與理論計算曲線基本平行，采取合理的修正方法可以滿足技術(shù)指標中深度精度的要求。擬合公式相對簡化，試驗量也相對較少，但表層測量精度相對較低。探頭從投放，然后入水，達到極限運動速度整個過程中經(jīng)歷一個勻加速運動、沖擊過程和變減(或加)速運動，這些都是在水表層約10 m深度內(nèi)完成的。而XCTD探頭作為特殊用途的快速測量儀器，表層測量不是主要任務(wù)，因此通過擬合公式進行探頭深度參數(shù)計算是完全可行的。這一點也可以通過國外探頭深度計算擬合公式得到證實。

由于大深度XCTD探頭結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計改進，探頭的外形、重量、重心、浮心、排水體積等參數(shù)也隨之變化，大深度XCTD探頭的這些參數(shù)需要重新測定。

探頭的外形、重量、重心、排水體積等物理參數(shù)確定后，探頭在水中的極限速度就已經(jīng)確定，探頭入水后所處的深度僅與入水后經(jīng)過的時間(以入水時刻為零點開始計時)和探頭水中重量(由于傳輸導線的釋放，探頭水中重量在不斷變化)有關(guān)，應(yīng)用探頭深度計算公式，根據(jù)入水后經(jīng)過的時間，即可計算得到探頭任意時刻的所在深度。

深度計算一般采用的擬合公式：

Z(t)=A·t+B·t2

(1)

式中，系數(shù)A代表探頭的極限速度(包含所有導線質(zhì)量)；系數(shù)B與導線的屬性及探頭總質(zhì)量有關(guān)，其物理含義是單位長度導線的浮力和重力之差導致探頭運動的加速度；系數(shù)A可以通過試驗校正；系數(shù)B可以通過理論計算得到。

深度擬合公式中極限運動速度通過公式(2)計算[4，5]：

(2)

式中，v為探頭的極限速度；m為探頭質(zhì)量；g為重力加速度；F為探頭受到的浮力；Cx為總阻力系數(shù)；ρ為海水密度；S為物體浸濕投影面積。

2.2 大深度XCTD水下運動測量方法研究

XCTD屬于投棄式儀器，不可回收，探頭投放入水后，無法知道探頭在水中的運動狀態(tài)，因此，有必要研制探頭水下運動測量裝置。該測量裝置包括裝配壓力傳感器的XCTD壓力探頭、壓力測量電路和數(shù)據(jù)接收軟件。

壓力傳感器擬選擇量程在0～20 MPa，準確度優(yōu)于±0.25%，高精度的絕壓傳感器。壓力測量電路原理如圖2所示，把測量電路安裝在探頭的密封電子艙內(nèi)，通過漆包線把測量數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)接收處理單元，數(shù)據(jù)接收處理單元對接收到的數(shù)據(jù)進行處理，顯示實時的深度-時間曲線。

圖2 壓力測量電路原理框圖

在對全狀態(tài)探頭的物理特性(包括探頭質(zhì)量、浮力、漆包線質(zhì)量和體積的線密度)測量后，參照已有XCTD探頭的水動力性能參數(shù)。在此基礎(chǔ)上建立大深度XCTD的水下運動理論計算模型，編制數(shù)值計算程序，求取理論深度公式。

壓力探頭的裝配及物理特性參數(shù)(包括探頭質(zhì)量、浮力、漆包線質(zhì)量和體積的線密度)的調(diào)整是壓力探頭試驗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，只有把壓力探頭的物理特性參數(shù)與測量探頭調(diào)整一致，才能保證兩者的深度曲線一致。大深度XCTD水下導線長度由常規(guī)XCTD的1050 m加長至1900 m，水下導線長度的增加將導致探頭下落速度比常規(guī)探頭下降速度快，大深度XCTD線長的變化以及耐壓要求的變化導致結(jié)構(gòu)件與常規(guī)XCTD變化比較大。在制作壓力探頭的結(jié)構(gòu)件時，需要與大深度XCTD探頭保持一致，探頭導線也選用同一批次產(chǎn)品，因此探頭的總浮力可以保證一致，探頭質(zhì)量與質(zhì)心可以通過在探頭密封艙內(nèi)配重調(diào)成一致。因此，只要對壓力探頭裝配過程進行嚴格的質(zhì)量控制，可以保證兩者的物理特性一致。

通過海上試驗獲得的整批次壓力探頭深度曲線后，對單個曲線的原始數(shù)據(jù)進行兩次濾波：一次采用非線性中值濾波以消除毛刺，一次采用低通余弦濾波以消除小的噪聲。濾波后，對有效數(shù)據(jù)進行平均，得出最終的深度曲線數(shù)據(jù)。以此作為探頭深度的真值，與深度公式給出的深度值進行比對，完成深度公式中系數(shù)的修正。

3 試驗

3.1 深度公式海上實測試驗

2019年10月在南海進行了加裝壓力傳感器的XCTD探頭測試，共投放4枚探頭，其中1#、2#、4#探頭的一致性較好，因此選擇這3枚探頭的數(shù)據(jù)修正理論計算公式模型。根據(jù)3枚深度數(shù)據(jù)算術(shù)平均值修正理論計算模型，給出深度計算公式如下：

Z(t)=4.4854·t+ -0.0002411t2

(3)

深度計算值與3枚探頭深度數(shù)據(jù)平均值的數(shù)據(jù)相關(guān)度達到99.9999%。由圖3可知，擬合值與3枚探頭深度數(shù)據(jù)平均值的相對誤差，在0～1850 m不超過0.2%。

圖3 深度計算值與3枚探頭深度平均值的相對誤差曲線

3.2 XCTD/CTD海上可控對比試驗

為了檢驗系數(shù)修正的效果，需要進行XCTD/CTD海上可控比對試驗?？煽氐脑囼炓螅核蠿CTD數(shù)據(jù)都由標準場的CTD剖面數(shù)據(jù)評價，要求XCTD/CTD近同步比對，XCTD盡可能在CTD下放的過程中投放，這樣兩個儀器至少能在某一個深度同步。這樣盡可能地減少由于時間/空間變化導致溫度場變化(如內(nèi)波影響)所引起的深度誤差。通常要求在CTD開始下放的10～15 min后，投放XCTD，使得兩者同時出現(xiàn)在溫躍層內(nèi)。

對XCTD/CTD的原始數(shù)據(jù)，采用線性插值的方法給出每米間隔的數(shù)據(jù)。XCTD深度由修正后的深度公式計算。把修正后的深度公式代入XCTD探頭的深度數(shù)據(jù)中，對3枚探頭與SEB19 plus CTD 的剖面測量數(shù)據(jù)進行比對，計算相關(guān)系數(shù)和平均絕對誤差，XCTD測量的溫度電導率深度曲線與CTD測出的曲線相似度在0.9995以上，溫度平均絕對誤差在0.1 ℃以內(nèi)，電導率平均絕對誤差在0.1 mS/cm以內(nèi)，能夠滿足測量的誤差要求。

4 結(jié)束語

大深度XCTD的深度測量準確度與探頭水中下降公式密切相關(guān)，由于探頭在空氣和水中運動姿態(tài)的復(fù)雜性及其本身的重量偏差，利用傳統(tǒng)力學公式很難精確推導出探頭的深度公式，文章通過設(shè)計專用探頭(加裝壓力傳感器，外形和重量與實際探頭完全一致)，通過海試對深度計算公式進行歸納和修正，得出深度公式系數(shù)A=4.4854；B=-0.0002411。通過海試中大深度XCTD與同站位CTD的比測，驗證了深度公式的準確性，解決了大深度XCTD探頭下落深度計算的難點。與標準CTD的海上對比試驗證明，利用文章的方法計算出的深度平均誤差在2%以內(nèi)，達到了理想目標。該研究為大深度XCTD的產(chǎn)品化提供了技術(shù)支持。