大深度XCTD探头海水中下落深度计算及试验研究

赵建锐，王海涛，董 涛，武玉华

(国家海洋技术中心，天津300112)

0 引言

投弃式温盐深仪(XCTD)是一种先进的海洋动力环境要素测量仪器，可在船舶走航条件下快速、隐蔽获取水下温度和电导率数据，并衍生盐度、密度和声速剖面数据，其主要特点是快捷经济、操作简便、测量隐蔽，可满足快速获取大面积海域水文数据的需求，为海洋调查、科学研究、军事应用提供了先进的测量手段[1]。目前，美国和日本在投弃式温盐深仪(XCTD)产品方面一直处于世界领先水平[2]。2000年以来，国家海洋技术中心致力于XCTD的研究，经过多年的技术攻关，掌握了XCTD全部核心技术，具备了XCTD批量生产能力，可提供多种型号的XCTD系列化产品，并且正致力于新型号的研发以满足不同客户的需求。

投弃式温盐深探头因为一次性使用的特点，要求其设计简单，价格低廉，投弃式仪器上均没有获取探头入水深度的传感器，无法直接得到探头海洋环境测量值与深度的对应关系，深度数据是理论计算得出的。目前大深度XCTD下落深度的计算方法一般应用传统力学公式，但由于探头在水中运动的复杂性，这种计算方法并不理想，与实际存在较大误差。国外通过理论计算并结合不同机构在多海域进行的与温盐深剖面仪的比对试验，对理论深度公式进行修正，试验的资金、时间成本均太高[3]。文章通过理论计算与水下运动测量海上实测相结合的方法，对大深度XCTD探头的深度公式进行修正，成本低廉、可操作性强。

1 大深度XCTD的结构和工作原理

大深度XCTD主要由XCTD探头、发射装置和数据接收处理单元组成。XCTD探头为一次性使用仪器，工作流程如下：探头由位于船尾部(或两弦)的发射装置发射入水，入水后探头即开始测量海水温度和电导率数据，随着探头在水中的下沉，数据接收处理单元实时接收测量数据并进行处理。在船舶停航或走航条件下，通过投放XCTD测量探头，实时获取海水温度、电导率剖面数据，并可衍生盐度、密度和声速剖面数据。对于大深度XCTD，为了适应测量深度由1000 m提高到1850 m，水下导线长度由原来的1050 m加长至1900 m，为了容纳1900 m的传输导线，水下线轴的长度由107 mm加长至约173 mm，为了提高电路板舱体耐压性能、降低探头重心以稳定下降姿态，拟增加线路板舱体下端的厚度，目前已有的XCTD和大深度XCTD结构图如图1所示，技术指标见表1所示。

图1 探头结构图

表1 大深度XCTD的技术指标

2 XCTD探头下落深度计算与分析

2.1 探头下落深度计算

XCTD的深度数据不是通过压力传感器获取，而是通过已知的探头水中下降速度公式计算获得，下降速度公式仅与入水后经过的时间相关。XCTD实际使用时，探头投放高度会存在明显的不同，需考虑探头自海面以上一定高度自由下落入水前后运动的全过程。将运动分为3个阶段：空中运动、水面冲击、水中运动，并考虑探头在水中下降过程中释放导线造成的探头质量和排水体积的变化。在空中入水前的运动阶段，忽略空气阻力及浮力对探头的影响，近似地看成自由落体运动。导线释放所引起的探头质量变化非常微小(在1.5‰左右)，不考虑质量变化。通过求解自由落体运动方程，可以得到探头入水时刻和入水速度。在水面冲击阶段，物体以一定的初速度入水时，因为水的密度比空气大得多，入水时，探头将主要受冲击力的作用，其他相对来说是小量。通过求解动量方程，最后得到入水冲击速度损失后的入水初始速度。在水中运动阶段，由于探头水中下降运动时间长、距离大，在建立水中运动方程时必须考虑探头释放导线造成的探头质量和排水体积的变化，其运动是一种变质量、变加速度运动。由于已知探头入水后的初始速度，建立探头的水下受力方程和运动方程，求解上述两个方程就可以得到对应各时刻的探头速度和入水距离。

通过对拟合公式计算结果的分析，在探头达到极限速度以后的深度-时间曲线与理论计算曲线基本平行，采取合理的修正方法可以满足技术指标中深度精度的要求。拟合公式相对简化，试验量也相对较少，但表层测量精度相对较低。探头从投放，然后入水，达到极限运动速度整个过程中经历一个匀加速运动、冲击过程和变减(或加)速运动，这些都是在水表层约10 m深度内完成的。而XCTD探头作为特殊用途的快速测量仪器，表层测量不是主要任务，因此通过拟合公式进行探头深度参数计算是完全可行的。这一点也可以通过国外探头深度计算拟合公式得到证实。

由于大深度XCTD探头结构进行了设计改进，探头的外形、重量、重心、浮心、排水体积等参数也随之变化，大深度XCTD探头的这些参数需要重新测定。

探头的外形、重量、重心、排水体积等物理参数确定后，探头在水中的极限速度就已经确定，探头入水后所处的深度仅与入水后经过的时间(以入水时刻为零点开始计时)和探头水中重量(由于传输导线的释放，探头水中重量在不断变化)有关，应用探头深度计算公式，根据入水后经过的时间，即可计算得到探头任意时刻的所在深度。

深度计算一般采用的拟合公式：

Z(t)=A·t+B·t2

(1)

式中，系数A代表探头的极限速度(包含所有导线质量)；系数B与导线的属性及探头总质量有关，其物理含义是单位长度导线的浮力和重力之差导致探头运动的加速度；系数A可以通过试验校正；系数B可以通过理论计算得到。

深度拟合公式中极限运动速度通过公式(2)计算[4，5]：

(2)

式中，v为探头的极限速度；m为探头质量；g为重力加速度；F为探头受到的浮力；Cx为总阻力系数；ρ为海水密度；S为物体浸湿投影面积。

2.2 大深度XCTD水下运动测量方法研究

XCTD属于投弃式仪器，不可回收，探头投放入水后，无法知道探头在水中的运动状态，因此，有必要研制探头水下运动测量装置。该测量装置包括装配压力传感器的XCTD压力探头、压力测量电路和数据接收软件。

压力传感器拟选择量程在0～20 MPa，准确度优于±0.25%，高精度的绝压传感器。压力测量电路原理如图2所示，把测量电路安装在探头的密封电子舱内，通过漆包线把测量数据传输到数据接收处理单元，数据接收处理单元对接收到的数据进行处理，显示实时的深度-时间曲线。

图2 压力测量电路原理框图

在对全状态探头的物理特性(包括探头质量、浮力、漆包线质量和体积的线密度)测量后，参照已有XCTD探头的水动力性能参数。在此基础上建立大深度XCTD的水下运动理论计算模型，编制数值计算程序，求取理论深度公式。

压力探头的装配及物理特性参数(包括探头质量、浮力、漆包线质量和体积的线密度)的调整是压力探头试验的关键环节，只有把压力探头的物理特性参数与测量探头调整一致，才能保证两者的深度曲线一致。大深度XCTD水下导线长度由常规XCTD的1050 m加长至1900 m，水下导线长度的增加将导致探头下落速度比常规探头下降速度快，大深度XCTD线长的变化以及耐压要求的变化导致结构件与常规XCTD变化比较大。在制作压力探头的结构件时，需要与大深度XCTD探头保持一致，探头导线也选用同一批次产品，因此探头的总浮力可以保证一致，探头质量与质心可以通过在探头密封舱内配重调成一致。因此，只要对压力探头装配过程进行严格的质量控制，可以保证两者的物理特性一致。

通过海上试验获得的整批次压力探头深度曲线后，对单个曲线的原始数据进行两次滤波：一次采用非线性中值滤波以消除毛刺，一次采用低通余弦滤波以消除小的噪声。滤波后，对有效数据进行平均，得出最终的深度曲线数据。以此作为探头深度的真值，与深度公式给出的深度值进行比对，完成深度公式中系数的修正。

3 试验

3.1 深度公式海上实测试验

2019年10月在南海进行了加装压力传感器的XCTD探头测试，共投放4枚探头，其中1#、2#、4#探头的一致性较好，因此选择这3枚探头的数据修正理论计算公式模型。根据3枚深度数据算术平均值修正理论计算模型，给出深度计算公式如下：

Z(t)=4.4854·t+ -0.0002411t2

(3)

深度计算值与3枚探头深度数据平均值的数据相关度达到99.9999%。由图3可知，拟合值与3枚探头深度数据平均值的相对误差，在0～1850 m不超过0.2%。

图3 深度计算值与3枚探头深度平均值的相对误差曲线

3.2 XCTD/CTD海上可控对比试验

为了检验系数修正的效果，需要进行XCTD/CTD海上可控比对试验。可控的试验要求：所有XCTD数据都由标准场的CTD剖面数据评价，要求XCTD/CTD近同步比对，XCTD尽可能在CTD下放的过程中投放，这样两个仪器至少能在某一个深度同步。这样尽可能地减少由于时间/空间变化导致温度场变化(如内波影响)所引起的深度误差。通常要求在CTD开始下放的10～15 min后，投放XCTD，使得两者同时出现在温跃层内。

对XCTD/CTD的原始数据，采用线性插值的方法给出每米间隔的数据。XCTD深度由修正后的深度公式计算。把修正后的深度公式代入XCTD探头的深度数据中，对3枚探头与SEB19 plus CTD 的剖面测量数据进行比对，计算相关系数和平均绝对误差，XCTD测量的温度电导率深度曲线与CTD测出的曲线相似度在0.9995以上，温度平均绝对误差在0.1 ℃以内，电导率平均绝对误差在0.1 mS/cm以内，能够满足测量的误差要求。

4 结束语

大深度XCTD的深度测量准确度与探头水中下降公式密切相关，由于探头在空气和水中运动姿态的复杂性及其本身的重量偏差，利用传统力学公式很难精确推导出探头的深度公式，文章通过设计专用探头(加装压力传感器，外形和重量与实际探头完全一致)，通过海试对深度计算公式进行归纳和修正，得出深度公式系数A=4.4854；B=-0.0002411。通过海试中大深度XCTD与同站位CTD的比测，验证了深度公式的准确性，解决了大深度XCTD探头下落深度计算的难点。与标准CTD的海上对比试验证明，利用文章的方法计算出的深度平均误差在2%以内，达到了理想目标。该研究为大深度XCTD的产品化提供了技术支持。