基于小型漂流平台的微型温湿测量系统

党超群，孙东波，王 斌，胡锦国

（国家海洋技术中心，天津 300112）

温湿测量系统主要测量大气温度和相对湿度参数[1]，能够为卫星遥感定标、海洋分析与预报系统、海洋环境安全保障等提供背景或实时气象资料[2]。目前，国内的海洋台站[3]、海上平台[4-5]、调查船[6]等多采用国家海洋技术中心或山东省科学院海洋仪器仪表研究所生产的温湿度传感器，大中型锚系浮标等多采用维萨拉HMP155 等温湿度探头外加防辐射罩的方式获取大气温度和相对湿度数据[7-8]，二者无论是测量精度还是可靠性均得到了业内认可。

随着海洋观测技术的发展，海洋观测平台逐渐向低成本、小型化、轻质化、抛弃式方向发展，小型漂流浮标[9-10]、波浪能滑翔器[11-12]、无人艇[13]、无人帆船[14]等海气界面移动观测平台应运而生。相对于锚系浮标（观测要素齐全、准确，但造价及维护成本高）、卫星遥感（全球覆盖，但时空分辨率和部分要素观测精度不足）和船基观测（志愿船计划扩充了现场观测的数据库，但航线固定、区域性观测无法全球覆盖），移动观测平台的成本相对较低且容易实施，其大规模的应用将使全球范围高时空分辨率现场观测成为可能，为全球海洋立体观测系统提供“主战型武器”，助力海洋强国建设。然而，由于系统体积及重量的限制，现有的温湿测量系统均无法满足小型漂流平台的安装需求，如若安装将会对平台的稳定性和可靠性造成较大影响，特别是遭遇恶劣海况时，损坏率较高，造成台风、风暴潮等灾害天气下现场观测数据缺失，严重阻碍卫星遥感定标、海洋分析与预报、海洋环境安全保障等后续工作的顺利进行。

因此，为了保证小型漂流平台温湿度长期在线观测的稳定、可靠，科研人员需要对温湿测量系统进行有针对性的小型化、轻量化[15-17]和防太阳辐射、防盐雾设计[18]，力求能够在基本不影响小型漂流平台运动姿态和可靠性的情况下，实现海气界面处温湿度的长期在线观测。本文将从微型温湿测量系统的测控系统设计、结构设计和比测应用几个方面进行详细论述。

1 测控系统设计

1.1 硬件电路设计

微型温湿测量系统的硬件电路设计需要满足系统的数据采集与处理、数据通信，以及各单元电源供给控制的要求，主要由主控芯片、电源管理单元、温湿测量单元和通信单元组成，系统设计框图如图1 所示。

图1 微型温湿测量系统硬件电路设计框图

主控芯片是整个测控系统的核心，控制着整个系统各单元的正常运行，它负责数据采集、数据质量控制及温湿测量单元、通信单元的电源控制；电源管理单元用于系统对温湿测量单元、通信单元的电源供给控制，降低系统功耗；温湿测量单元负责温湿度原始信号采集及数值转换，内含温度校准功能，并针对结露的状况增加了自动加热功能[19-20]，保证观测数据的真实性；通信单元用于微型温湿测量系统与小型漂流平台主控系统的数据交互。

1.2 嵌入式程序设计

微型温湿测量系统通过嵌入式程序控制各单元工作，细化系统工作流程和休眠模式[21-22]，降低系统功耗，最大程度地规避各单元工作时自发热对温湿测量单元的影响，保证数据观测的真实、可靠。嵌入式程序采用模块化设计，迁移能力强，主要由数据采集与状态监控子模块、数据解析与处理子模块和通讯传输子模块组成，可实现数据自动采集、数据自动解析与处理、数据打包发送、电源低功耗管理等功能。

系统进行环境温湿度测量时，嵌入式程序运行过程如图2 所示。系统首先进行端口初始化和自检，自检通过后（如未通过，则输出故障提示信息向小型漂流平台测控系统示警，测控系统终止数据采集，并向用户报告），开始进行环境温湿度信号采集，主控芯片对采集数据进行存储并进行算法分析，包括温湿度的误差修正[23-26]和数据预处理等，最后在收到数据发送请求时将处理好的数据通过通信单元上传至小型漂流平台测控系统。

图2 嵌入式程序设计框图

1.3 数据质量控制设计

微型温湿测量系统数据质量控制设计主要是通过误差修正、数据预处理后得到更为准确的温湿度值。误差修正主要是在系统量程范围内选取几个关键测量点在标准温湿度试验箱内开展测试，研究其线性程度和离散性分布，然后使用最小二乘法计算得到一条修正曲线，并在温湿测量单元的测量过程中利用这条曲线将获得的数据做相应的修正；数据预处理主要是针对温湿测量单元经误差修正后的数据进行奇异值、梯度检验及平滑处理，最终获得稳定的测量值，保证数据准确性、可靠性，为卫星遥感定标、海洋分析与预报系统、海洋环境安全保障等提供有力的现场观测数据支撑。

2 结构设计

微型温湿测量系统结构设计需满足小型化、轻量化、防太阳辐射、防盐雾的要求，其主体结构由测控仪器仓、防辐射罩、透气罩、安装支架4 个部分组成，如图3 所示。

图3 微型温湿测量系统结构示意图

测控仪器仓的仓体呈非规则圆柱形结构，置于防辐射罩内，内部用支架固定测控电路；测控仪器仓底端固定温湿测量单元，温湿测量单元置于透气罩内，通过导线与仪器仓内的测控电路连接，这种设计可以最大限度地减少引线长度，缩短温湿测量单元与测控电路的距离，减弱干扰信号强度，提高温湿测量单元的测量精度，缩小微型温湿测量系统的结构体积。该设计弥补了现有大气温度和相对湿度测量产品体积大、重量大的不足，且整体具有抗老化和耐腐蚀的性能，能够在基本不影响小型漂流平台运动姿态和可靠性的前提下，实现海气界面处大气温度和相对湿度的长期在线观测。

3 比测应用

3.1 实验室比测

2017 年8 月，科研人员随机选取2 套微型温湿测量系统，依据GB/T 32065.1—2015《海洋仪器环境试验方法》，在国家海洋技术中心海洋观测仪器质量检测与可靠性试验室的温湿度试验箱内开展实验室比测，标准仪器选择Pt100 高精度铂热电阻测温仪（测量范围：-80～300 ℃，精度：±0.1 ℃）和维萨拉HMP110 湿度传感器（测量范围：0%RH～100%RH，精度：±1.5%RH）。

（1）环境温度恒定，相对湿度变化

如图4 所示，通过对比测数据分析可知，环境温度保持相对恒定，相对湿度在40%RH～95%RH的范围内变化时，微型温湿测量系统与标准仪器的相对湿度最大绝对误差为2.5%RH，标准差为1.2%RH，相关系数为0.997。

图4 环境温度恒定时的数据比测曲线

（2）环境温度变化，相对湿度不做控制

如图5 所示，通过对比测数据分析可知，当环境温度在-20～60 ℃的范围内变化时，微型温湿测量系统与标准仪器的气温最大绝对误差为0.17 ℃，标准差为0.12 ℃，相关系数为1。

图5 环境温度变化时的数据比测曲线

实验室比测过程中，无论温湿度试验箱内的试验条件如何变化，微型温湿测量系统数据输出稳定，且2 套微型温湿测量系统观测的环境数据差距很小，具有很好的一致性，有力保证了比测试验的正常开展，且检定结果优于系统设计指标（温度精度：±0.2 ℃，相对湿度精度：±3%RH），达到国外同类产品的测量精度。

3.2 船载自动气象仪比测

2018 年5 月4 日至2018 年6 月14 日，中国海洋大学牵头组织“黑潮延伸体科学调查”的西太春季航次，国家海洋技术中心承担漂流式海气界面浮标（Drifting Air-sea Interface Buoy，DrIB）的海试任务。DrIB 是国家海洋技术中心“漂流蓝海星”研究团队基于“低成本、网格化、全球化”的海气界面观测新理念（2015 年），在自然资源部业务运行、自然资源部重点实验室基金、青岛海洋科学与技术试点国家实验室“鳌山科技创新计划”等多个项目支持下，先后突破平台结构可靠性、姿态稳定性，多模块高度集成与多能互补供电，以及数据在线质控等多项关键技术，创新研制的“小型化、轻质化、易布放”的小型漂流观测系统，DrIB 用漂流的观测方式实现了锚系浮标海气界面关键气象水文动力参数的获取，大规模组网可弥补现有海气界面要素观测单一、准确性低、时空分辨率等方面的不足，实现全球重点海域高时空分辨率的海气界面综合要素（3 m 高度的风速、风向、气温、气压、相对湿度等气象参数，海表面水温、波浪、拉格朗日流等水文参数）实时获取。

在“东方红2”号科考船航行过程中，科研人员将DrIB 开机测试，其温湿度数据与船载自动气象仪（温度精度：±0.2 ℃，相对湿度精度：±3%RH）数据比测结果如图6 所示。

图6 “东方红2”号船载自动气象仪与DrIB 温湿数据比测曲线

其中，微型温湿测量系统与“东方红2”号船载自动气象站的相对湿度最大绝对误差为4.8%RH，标准差为1.5%RH，相关系数为0.999；空气温度最大绝对偏差为0.5 ℃，标准差为0.19 ℃，相关系数为0.967。

本文通过对船载自动气象仪数据比测结果进行分析，可以看出温湿度观测的一致性较好；最大绝对偏差和标准差均比实验室比测结果偏大的原因是由于它们在船上所处位置不同（船载自动气象仪位于“东方红2”号驾驶台顶部，DrIB 位于后甲板）；比测过程中DrIB 温湿数据观测稳定、准确，为后续开展的黑潮延伸体海气观测（Kuroshio Extension Observatory，KEO）浮标的现场比测奠定了基础。

3.3 KEO 浮标现场比测

KEO 浮标是由美国国家海洋和大气管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）于2004 年布放，运行至今，曾经一直是黑潮延伸体南侧海域唯一的大型海气观测锚系浮标（32.3°N，144.6°E），主要观测浮标附近海域的风速、风向、气温、气压、相对湿度、降雨量、太阳辐射、海面温度和盐度、大气和海水中的二氧化碳、溶解氧和pH 值等，并且实现了观测数据的近实时共享，不仅可用于短期和季节性风暴预报，还可以验证卫星产品和数据反演相关的经验模型。

2018 年5 月10 日，科研人员在KEO 浮标附近成功布放了2 套DrIB（编号7380、0250），开展现场比测，二者的数据观测方式相同，均是从整点前1 min 开始数据采集，采集2 min 的数据进行数据质量控制，经由卫星通信网络传至陆基/船基数据综合处理系统。

由于DrIB 随波逐流的特性，本文选取了KEO浮标和DrIB 相距10 km 之内的24 h 温湿度观测数据进行比测分析（期间天气状态平稳，10 km 范围内数据具备代表性），如图7 所示。

图7 DrIB 与KEO 浮标数据比测曲线

其中，24 h 内微型温湿测量系统与KEO 浮标的相对湿度最大绝对误差为2.8%RH，标准差为1.4%RH；大气温度最大绝对误差为0.3 ℃，标准差为0.15 ℃。可以看出温湿度观测的一致性较好，最大绝对误差和标准差相较于实验室比测数值较大的主要原因是KEO 浮标和DrIB 海上相对位置变化和观测高度（KEO 4 m，DrIB 3 m）不同造成的。

本文通过对KEO 数据比测结果进行分析，可以看出DrIB 搭载的微型温湿测量系统的现场观测数据质量已达到国外同类产品现场观测精度，为后续DrIB 在大洋和极地的观测应用奠定了坚实基础。

3.4 观测应用

2018 年至2020 年，微型温湿测量系统搭载DrIB 完成南海台风、中尺度涡组网和南极西风带观测应用，在大洋和极地成功获取了典型海洋动力过程高时空分辨率的海气界面关键气象水文数据，为上述环境下的海气相互作用研究提供一种新型、可靠、准确的现场观测手段。其中，DrIB 温湿度观测数据曲线如图8 至图10 所示。

图8 南海台风观测数据曲线

图10 南极西风带观测数据曲线

2018 年8 月18 日，科研人员成功在南海北部、吕宋海峡（“嘉庚”号科考船）附近布放1 枚DrIB（编号9040），浮标在位运行期间准确捕获到“山竹”和“百里嘉”两个台风，DrIB 为两个台风先后经过同一海域的海气相互作用研究提供了非常好的现场观测数据。对于超强台风“山竹”，DrIB 准确获取了其进入南海前、中、后对南海北部造成的影响，DrIB 在台风过境过程中工作状态良好，观测结果客观反映了台风与海洋相互作用的变化过程，验证了DrIB 及其搭载的微型温湿测量系统在极端恶劣海况下的准确观测能力。

2019 年9 月8 日至10 日，科研人员成功在黑潮延伸体北侧（“东方红3”号科考船）布放7 枚DrIB（编 号 0080、 0400、 2460、 4980、 5080、9080、9380），开展对中尺度涡（暖涡）涡心、内圈、外圈进行同步、高频、高时空分辨率的漂流组网观测，实时采集中尺度涡环境下的海气界面气象水文数据，从现场观测的温湿度数据曲线可以看出，在中尺度涡寿命周期内，涡心、内圈、外圈数据虽略有差异，但一致性很强，很好地呈现了中尺度涡的内外特征，将有助于提高对海洋中尺度过程的认知水平。

2020 年4 月2 日，中国第37 次南极科学考察的科研人员成功在南极西风带海域（“雪龙2”号科考船）布放2 枚DrIB（编号1400、4240），DrIB 在位运行期间遭遇多次气旋过程（风速20 m/s 左右），从现场观测的温湿度数据曲线可以看出，观测数据的波动准确呈现了每一个气旋过程，提升了南极西风带海气界面观测的能力。

图9 中尺度涡组网观测数据曲线

4 结 论

通过实验室和现场比测试验可知，微型温湿测量系统与比测仪器的温湿度数据一致性非常好，相关系数≥96%；此外，系统还应用于DrIB 进行了大洋和极地典型海洋动力过程的海上现场观测，在位工作期间稳定可靠，成功获取了大洋和极地的温湿度数据，为进一步分析典型海洋动力过程提供了宝贵的现场观测资料。上述试验及观测应用，充分验证了微型温湿测量系统观测的准确性、稳定性及可靠性，非常适用于DrIB 等小型漂流平台，可用于获取高时空分辨率的海气界面处大气温度和相对湿度数据。未来该系统搭载小型漂流平台规模化组网应用将为卫星遥感定标、海洋分析与预报系统、海洋环境安全保障、海气界面重大科学问题研究等提供关键数据支撑。