新型深海地温梯度测量设备（FY2）研发

李佳伟，陈洁，徐行，潘飞儒，罗贤虎，俞欣沁，罗新恒

1.中国地质调查局广州海洋地质调查局，广州 510760 2.珠海市泰德企业有限公司，珠海 519082

海底热流是海盆及其陆缘热状态最直接的体现，是研究不同尺度地质构造热演化，评价海域天然气水合物和油气资源的重要约束[1]。海洋地热学中涉及的参数主要为两类：一是海底温度、地温梯度和地热流等海底原位测量信息；二是沉积物热导率和生热率等岩石热物性测定信息[1-3]。

海底热流探测亟需高精度的温度测量技术。为解决海洋天然气水合物勘探海底热流探测中的关键技术问题，中国地质调查局广州海洋地质调查局（简称广海局）自2005年以来一直从事海底热流探测技术的研发，并率先在国内独立开展海底热流探测工作[3-5]。在过去的15年间，广海局采用自制的Ewing型海底热流探针，完成了包括南极高寒环境在内的全球海域1200多个测站的海底热流探测，其中温度传感器为自制的飞鱼1型自容式微型温度测量记录仪（简称FY1探针）。随着计算机技术飞速发展，FY1探针与新型计算机之间的通讯接口存在着技术匹配问题，导致数据读取和参数设置过程中的故障率较高，影响了野外资料采集的进度。为了解决以上问题，对FY1探针的技术缺陷进行了技术升级、改造，升级后的探针定名为飞鱼2型自容式微型温度测量记录仪（简称FY2探针）。

本文先系统对比FY1和FY2的技术设计和适用性等，然后在国家海洋计量站广州分站实验室恒温水槽和南海北部陆坡深水海域做的两个实验比测的基础上，重点分析FY2的技术特点，为进一步推广使用提供科学依据。

1 热流探测技术

海底热流探测始于20世纪50年代初。在北大西洋海域科考时，英国科学家用一根无缝钢管和温度传感器制作了温度探针，率先实现海底沉积物原位的地温梯度探测[6]。根据Herzen和Maxwell提出的热导率测量方法[7]，Sclater等发展了海底沉积物原位热导率测量技术[8]，并采用热脉冲技术对其进行改良，实现了真正意义上的海底热流原位测量[9-10]，该类型探针被称为Lister型探针。另一类型海底热流探测设备是Ewing型探针，在重力柱状取样器的取样管（或钢矛）外壁的不同位置，外挂多个自容式微型温度测量记录仪，从而构建成地温梯度探针系统。

Lister型和Ewing型两类海底热流探针是现今海底热流探测的主流技术。用Lister型探针，每个测站定点测量时间需22～25 min，除采集海底温度、海底沉积物地温梯度，还可获得原位沉积物热导率测量信息。这对调查船舶具有较高的要求，适合于具有动力定位功能的调查船。而用Ewing型探针，每个测站定点测量时间仅需5～8 min，但只能采集海底温度和地温梯度，其相应站位的沉积物热导率信息需通过在室内测量沉积物实物样品后获取。相比而言，Ewing型探针技术具有测量时间短、操作便捷和运维成本低等优点[4,11-12]，因而更容易被推广使用。

中国海底热流探测工作始于20世纪80年代。在南海地学研究中，广海局（原地质部南海地质调查指挥部）和美国哥伦比亚大学拉蒙特地质研究所曾二度合作，利用美国热流探测设备开展测量工作，在南海陆缘及深海盆中获取了一批宝贵的海底地热流资料[13-18]。在国家863计划海洋技术领域的项目资助下，中国地质调查局、国家海洋局和中国科学院以及高校涉海研究团队的联合攻关，在海底热流探测技术研发中相继获得了一批国家专利授权和包括FY1探针在内的技术成果（图1a、b），国内有十多家科研团队使用该技术[19]。与全球同类产品相比，FY1探针的技术指标可媲美德国的MTL[11]和中国台湾的“小型自容式温度计”[12]，而且在运维方面更为便捷和低成本。

图1 FY2型探针安装说明图a.飞鱼探针照片，b.固定翼照片，c.飞鱼探针安装在重力柱状取样上器的示意图。Fig.1 Installation instruction diagram for FY2 probea.photo of flying fish probe,b.photo of fixed wing,c.schematic diagram of flying fish probe installed on gravity cylinder sampler.

广海局自主研发的Ewing型海底热流探针（图1c），由6支FY1探针和1支倾斜仪安装在一个800 kg的重力柱状取样器的取样管上构建而成。总体上，采用Ewing型探针的作业方法与海底沉积物柱状取样近似，但前者在取样器贯入到海底沉积物之后，还需要在海底沉积物中停留一段时间进行温度测量。海底热流测量具体的步骤为：①利用调查船的地质绞车将海底热流探针吊放到距离海底近100m高度，停顿片刻来稳定设备在水体中的姿态；②快速启动绞车，将探针贯入到海底沉积物之中；③探针在沉积物中停留5～8 min或更久一些，同时记录FY1在沉积物中达到一个与外界温度近似平衡的过程信息；④将探针整体拔出海底沉积物，离开海底；⑤启动地质绞车将设备回收到调查船甲板上。最后，从FY1和倾斜仪中下载温度测量和姿态测量数据，整理保存。在作业前的自容式微型温度测量仪参数设置中，重要时段的温度测量采样率通常为1 s或2 s。

在海底热流测量工作前后，需要在甲板上测量各个FY1探针之间的相对距离。当探针贯入到海底沉积物之后，安装在不同位置上的FY1探针记录相应位置的温度随时间变化信息，而倾斜仪主要是用于检测贯入装置的姿态，为原位测量提供倾斜改正信息。海底温度是指最底部的温度探针插入海底之前的温度测量值；地温梯度由不同位置的温度测量值的斜率求算出来，直接计算出来的为“视地温梯度”，经过倾斜改正后获得真实地温梯度。

2 FY2的新特点

温度测量技术是海底热流探测中的核心技术。FY1型探针采用了16位低功耗单片机、16位A/D转换器、非易失存储器和实时时钟[20]。在FY2探针的技术升级过程中，重点改造了数据采集部分；在总体设计方面，FY2探针的设计继承了原电路中传感器和信号调理电路等的技术方案（图2）。FY1探针和FY2探针的技术性能和指标对比见表1。

图2 FY2型探针电子电路框图和PCB板图a.FY2型探针电子电路框图，b.FY2型探针的PCB板图片。Fig.2 Electronic circuit block diagram & PCB board picture for FY2 probea.FY2 probe electronic circuit block diagram,b.FY2 probe PCB board picture.

在技术改造中，FY2探针用24位低功耗Σ-Δ型A/D转换器替代了原来的16位低功耗A/D转换器，使信号分辨率得以提高，将原来的以5 ℃为基准估算，信号分辨率40 μV，等效理论温度分辨率1.33 mK等技术指标提高到以5 ℃为基准估算，信号分辨率0.3 μV，等效理论温度分辨率0.01 mK，大幅度提高了信号处理水平。用32位低功耗ARM单片机取代了原来的16位低功耗DSP器件，增强了信号处理能力，降低了功耗。

除此之外，FY2探针优化了原数据存储和通讯接口的设计，使改进后的自容式微型温度测量记录仪的存储容量增大、传输速率提高、功耗降低。在整体设计方面，FY2探针还做了其他方面改进。例如：①内置稳压电路，提高系统测量准确度及稳定度；②内置硬件看门狗，提高了可靠性；③采用最新信号处理技术，提高测量信号的信噪比和抗干扰能力；④采用了人性化操作软件（可升级），操作更为便捷。这些设计方案均使得FY2探针的各项技术性能和指标得到大幅优化。

表1 升级前后探针技术性能对照表Table 1 Comparison table of Probe technical performance before and after upgrade

3 实验测试

为了分析对比自容式微型温度测量记录仪在技术升级前后的性能差异，研究团队对FY1探针和FY2探针分别做了实验室恒温水槽环境中的测温对比和野外海底沉积物测温对比的两个实验。

3.1 恒温水槽内的测温对比

为统一FY1探针和FY2探针的温度测量参考点，同时对比测试同一标准温度下两套设备的技术性能差异。研究团队在国家海洋计量站广州分站对2支FY1探针和7支FY2探针进行了实验室恒温水槽内的测温对比实验。该恒温水槽的主要技术指标：控温波动性不大于0.002 ℃，均匀性不大于0.002 ℃；测温电桥相对不确定度为0.3×10−6；一等标准铂电阻温度计的不确定度为0.001 ℃。

实验过程：①同步FY1探针和FY2探针的时钟，将所有探针采样间隔设置为10 s。②将FY1探针和FY2探针捆绑在一起后置入实验室恒温水槽中，调整水槽温度，使被测水体温度分别保持在24.9953、20.0028、15.0038、10.0040、5.0028、0.0020 ℃标准温度点至少5～8 min（图3）。③取出探针，读取FY1和FY2探针的测温数据。④对FY1和FY2探针进行温度校验，具体过程为：读取每只探针在各采样时刻的热敏电阻阻值，结合恒温水槽标准温度建立新的、更为准确的探针温度—阻值关系。由于已记录的热敏电阻的数值是始终不变的，可依据新的温度—电阻关系对测试探针的数据作数据处理，进而得到校验后的测温数据。⑤分析讨论经过校验的FY1探针和FY2探针在同一标准温度下的测温性能差异。

图3 实验室各标准温度点下FY1探针和FY2探针示值变化情况Fig.3 Changes of the indications for FY1 and FY2 probes at each standard temperature point in laboratories

其中，温度校验利用了STEINHART和HART方程（或R（所测量的热敏电阻阻值）−T（计算出的温度值）方程）[20]，即：

式中，T为从国家海洋计量站广州分站恒温槽内的标准铂电阻中获取的温度值，单位为摄氏度（℃）；R是每支FY1或FY2探针求取出来的平均实测电阻值，单位为欧姆（Ω）；A、B、C为计算系数，该系数由给定的若干组R-T值代入公式解得。温度校验的实质是利用实验室标准温度T和探针在该温度热敏电阻阻值R求解系数，拟合出更贴近实际情况的STEINHART和HART方程，确保校验后探针在一段时间内测温的准确性。

通过对比校验后的FY1探针和FY2探针对实验室恒温水槽标准温度的实测数据（表2），可以进一步分析新、旧两型探针在各方面技术性能上的差异。

表2 校准后FY1探针和FY2探针在各标准温度点的测温误差Table 2 Temperature measurement errors for FY1 and FY2 probes at each standard temperature point after calibration

3.2 沉积物测温对比

2020年5 月，搭载广海局“海洋地质四号”调查船，在中国南海北部陆坡深水海域开展了FY1探针和FY2探针间的技术性能比测，实验区概位见图4。参试设备有：FY1探针4支、FY2探针4支、倾斜仪1支、作为贯入装置的重力柱状取样器1套，水下定位系统信标1套。

图4 试验区的位置示意图S为设备比测点。Fig.4 Schematic location map of the testing areaS shows the location of equipment comparison point.

实验过程：调查船抵达位于南海北部陆坡区水深为1445 m的试验点S（19.928°N、115.914°E），先将探针采样间隔设为1 s，再将FY1探针和FY2探针各4支相间紧固在重力柱状取样器的取样管上，再测量探针之间的相对距离，最后加挂水下定位信标。安装有两套不同版本的自容式微型温度测量记录仪的海底地热流探测工作方式参见其他文献[3-4]。设备回收后，下载数据，绘制测量数据（温度和姿态）-时间变化曲线，见图5所示。图5中的绿色曲线代表倾斜仪测量记录曲线，3次海底地热流测量过程中的倾斜角均不足11°，说明本次实验热流探针3次贯入到海底沉积物中的设备姿态均近似于垂直。红色曲线为4支FY1探针的记录曲线，蓝色曲线为4支FY2探针的记录曲线。这些温度曲线很好地记录了探针在水体中停留、贯入海底、海底测量和从海底起拔等过程的温度变化特征。

图5 FY1探针与FY2探针3次插入海底沉积物过程中的温度—时间变化曲线图图中红色曲线为FY1探针采集的数据，蓝色曲线为FY2探针采集的数据，绿色代表倾斜仪的采集数据。Fig.5 The temperature-time curve of the FY1 probe and FY2 probe inserted into the seabed sediment for three timesThe red curve in the figure is the data collected by the FY1 probe,the blue curve is that by the FY2 probe,and the green represents Inclinometer acquisition data.

在“恒温水槽内的测温对比”和“沉积物测温对比”的两个实验中，FY1探针和FY2探针均处在良好的工作状态下，设备完好率达100%，数据有效率为100%，数据质量可靠。

4 实验数据和技术性能的对比

本文以在“恒温水槽内的测温对比”和“沉积物测温对比”两个实验结果为依据，重点对温度测量的分辨率、精度和稳定度等方面进行分析对比，系统讨论了微型温度测量记录仪在技术升级改正前后的技术性能和特征。

4.1 测量分辨率的对比分析

测量分辨率通常指的是仪器能够检测和显示的被测值的最小变化量。对于本文中的微型温度记录仪而言，测量分辨率即指记录仪量值能够检测到温度的最小变化量，等同于测量分辨率 (σ)是测量温度（T）对记录仪量值 (δ)的微分，即：

式中，温度T（单位：℃）是测温电阻R（单位：Ω）的函数，并遵循公式（1）。在公式（1）中，由于C远远小于B，在公式（2）中的第一项可简化计算得到：

测温电阻R与测量电压U（单位：V）的关系决定于电路，其函数关系见以下公式：

因此，从公式2中的第二项可计算得到：

测量电压U与记录仪量值δ（单位：Ct）的关系是由记录仪电路和内置高精度ADC器件性能决定的，呈线性关系，本文中的微型记录仪采用高精度24位ADC，存在：

所以，从公式2中的第3项可计算得到：

最后，从公式3、5和7的联立方程计算得到测量分辨率：

根据自推导的公式8，B≈ 1.8693×10−4。再设深海海底温度0、2.5和5 ℃来进行估算，相应的等效测温电阻分别为9.4453×104、8.3512×104和7.3966×104Ω，对应的等效测量电压分别为0.3903、0.4664和0.5401 V，最终计算得到等效分辨率分别为9.0682×10−6、1.1969×10−5和1.5854×10−5℃/Ct。当FY2微型记录仪的量值噪声在1 Ct左右，可认为理论上其温度测量分辨率可达到1.0×10−5℃。

在恒温水槽内的测温和深海海底沉积物测温两个对比实验中，在10 s采样间隔，或仪器允许的最小1 s采样间隔下，不同位置处FY1探针和FY2探针的温度示值表明（表3），FY1探针温度示值在百分位上保持稳定，在千分位上以±0.001 ℃发生变化，表明其分辨率为0.001 ℃；而FY2探针温度示值则在千分位上保持稳定，在万分位上以±0.0001 ℃发生变化，表明其分辨率优于0.0001 ℃。在图5中，相同1 s采样间隔下，放大后FY2探针曲线比FY1探针对比显得连续和光滑，而FY1探针出现了一些不规则台阶，再次表明FY2探针具有更高的测量分辨率。

4.2 测量准确度的对比分析

测量准确度反映了测量结果与真值接近程度的量。它与误差的大小相对应，因此，可用误差大小来表示精度的高低，误差小则精度高，误差大则精度低。本文中的微型温度记录仪精度的高低可用温度示值与温度真值之间的误差大小来描述。从表2可知，FY1探针在各标准温度点下的测量误差均小于等于±0.003 ℃，与早期的结果一致[19]；而FY2探针的测量误差在±0.0015 ℃范围之内，说明F Y2探针具有更高的测量准确度。

表3 实验中FY1与FY2探针温度示值变化对比Table 3 Comparison of temperature indication changes of FY1 and FY2 probes in the experiment

4.3 测量稳定性的对比分析

测量稳定性是指测量仪器保持其计量特性随时间恒定的能力。在实验中，自容式微型温度测量记录仪的测量稳定性，实质为在一定时间内经校准后的探针在相同温度环境下其测量温度示值的稳定性。在恒温水槽内测温对比实验中，在各标准温度点恒温水槽环境下的5～8 min稳定时段里，FY1探针的温度示值在百分位保持稳定，在千分位以±0.001 ℃变化，而FY2探针则在千分位保持稳定，在万分位上以±0.0001 ℃变化（表3），说明了FY2探针具有更好的稳定性。在沉积物测温对比实验中（图6），FY2探针组的温度—深度间距关系的拟合公式R2值为0.9995，而FY1探针组的为0.9983；表4所列的3次插入结果也佐证了两者对比中的FY2探针组具有更好的稳定性。本文中的3次地温梯度测量结果存在稍微差异，地温梯度值分别为88.8、92.7和89.5 ℃/km，其测量值离散的原因是这些测试站位受海底流体活跃影响所致。这种在一个很小范围内海底地热流数据比较离散的现象，在南海北部陆坡的水合物勘探区比较普遍。该站位的平均地温梯度为90.3±2.1 ℃/km，相邻海域的沉积物热导率为0.86 W/（m·k）[4]，海底地热流值为78 mW/ m2。

表4 3次插入过程中，海底地温梯度的线性拟合对比Table 4 The formula and data table for calculating the temperature gradient by linear fitting temperature-distance when inserting for three times

图6 第1次插入海底并计算地温梯度过程中，FY1探针和FY2探针各自测得温度点，温度—探针间距线性拟合关系图Fig.6 In the process of inserting into the seabed for the first time and calculating the geothermal gradient,the temperature points measured by the FY1 probe and the FY2 probe respectively,and the linear fitting relationship between temperature and probe distance

4.4 接口技术

接口技术主要是指计算机和温度测量设备之间的数据传输技术。这涉及参数设置命令和数据读取的准确性和速度。数据读取试验结果显示，当两组探针均以1 s采样间隔采集5000个温度数据时，FY1探针组读取数据平均用时104.59 s，而FY2探针组读取相同数量的平均用时仅为7.92 s，后者的读取速度比前者有显著的提升。

基于深海仪器可靠性设计考虑，FY1、FY2的通讯均采用无接头单线异步半双工通讯技术。这种设计的优势在FY1多年来海上工作和FY2试验中均得到了充分证明。然而，在FY1探针研发和使用初期，探针主要是通过计算机的串口与设备单端接地的非标RS485接口实现单线通讯，在野外数据读取时，非标接口降低了读写速度，还可能增加误码率。而技术升级后的FY2探针采用了标准单线串口传输技术，随着计算机的更新换代，主流计算机基本采用较高速的USB虚拟串口，FY1探针的非标设计造成通讯不稳定性越来越明显，而FY2明显通讯稳定可靠，与计算机之间的通讯更为顺畅。

“恒温水槽测温对比”和“沉积物测温对比”两个实验结果表明，改进后的FY2探针较FY1探针在温度测量分辨率、测量准确度和稳定性等技术性能上都有了显著的提升接口技术的改进，使得FY2探针数据读取速度更快，误码率降低。

5 结论

基于前期自主研发的FY1探针的技术开发积累，对相关技术进行了升级改造，研发出了新型的FY2探针。在实验室恒温水槽和南海北部陆坡深水海域，分别对FY1和FY2两组探针做了“恒温水槽测温对比”和“沉积物测温对比”两个实验。实验结果显示，①与FY1探针相比，FY2探针在温度测量分辨率、精度、工作效率等技术指标更具优势，采集系统运行更加稳定；②FY2探针的通讯接口方面与现今主流计算机技术融合度更佳，数据传输的速度更快，准确度更高；③FY2探针技术性能全面超越技术升级改造前的FY1探针；④FY2的测量分辨率优于0.0001 ℃，测量准 确度优于±0.0015 ℃，比测点S（19.928°N、115.914°E）的海底热流值为78 mW/ m2。实验结果表明新设备具有高分辨率、高精度以及高效的测量能力的特点，将为未来的海底热流探测与研究领域提供新的助力。

致谢：感谢中国地质调查局广州海洋地质调查局、珠海市泰德企业有限公司、国家海洋计量站广州分站和“海洋地质四号”船的全体调查人员，是他们的关心支持和辛勤劳动使得FY2探针的海上试验得以顺利完成！王先庆和李雨帮助清绘插图，在此表示衷心致谢。