陳文景, 張 林, 2, 孫雪海, 2, 段嘉希, 2

海洋投棄式溫深剖面儀應(yīng)用發(fā)展概述

陳文景1, 張 林1, 2, 孫雪海1, 2, 段嘉希1, 2

(1. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國家實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266237; 2. 海軍潛艇學(xué)院, 山東 青島 266199)

海洋溫度的變化會(huì)顯著影響水下聲傳播、生物活動(dòng)、氣象和洋流等現(xiàn)象, 溫深是反映海洋變化運(yùn)動(dòng)規(guī)律的基本參數(shù)。投棄式溫深剖面儀(Expendable Bathythermograph, XBT)、溫鹽深測量儀(Conductivity Temperature Depth, CTD)、全球海洋實(shí)時(shí)觀測網(wǎng)(Array for Real-time Geostrophic Oceanography, Argo)等是目前進(jìn)行海水溫深測量的主要儀器。其中XBT因其現(xiàn)場測量簡便、效率高、硬件成本低等特點(diǎn), 正在被大規(guī)模使用。本文主要介紹有關(guān)海洋溫度測量的背景及演化歷史, 分析對比了國內(nèi)外相關(guān)儀器設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀, 總結(jié)了國產(chǎn)化產(chǎn)品還存在的差距和不足, 另外對傳感器、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)通訊傳輸、數(shù)據(jù)后處理、可靠性研究等關(guān)鍵技術(shù)和研究熱點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)介紹, 最后對未來無人平臺的技術(shù)發(fā)展路線給出了思路和見解, 開展投棄式溫深剖面儀的相關(guān)技術(shù)研究和產(chǎn)品研制對實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化有積極的推動(dòng)意義。

投棄式; 溫深剖面儀; 投棄式溫深剖面儀(Expendable Bathythermograph, XBT); 溫度測量; 深度測量

海洋聲速剖面作為重要的海洋水文參數(shù)在海洋環(huán)境監(jiān)測、開發(fā)利用和科學(xué)研究中有著特別重要的意義, 在軍事上[1], 對于潛艇的航行安全、隱蔽、通訊、攻擊及艦艇和飛機(jī)的探潛和反潛行動(dòng)有非常重要的意義, 為此人們已開發(fā)設(shè)計(jì)了各種形式的海水溫度剖面測量儀器。其中投棄式溫深剖面儀(Expendable Bathyther-mograph, XBT)是一種通過投棄一個(gè)溫度感應(yīng)探頭, 在溫度探頭的快速下降過程中感應(yīng)海水溫度剖面的一次性測量設(shè)備。和溫鹽深測量設(shè)備(Conductivity Temperature Depth, CTD)相比, XBT 在使用過程中無需絞車, 成本低廉, 即使測量艦船在航行狀態(tài)下也可快速測得海水的溫度剖面, 具有良好的實(shí)時(shí)性和便捷性, 因此在海洋水文調(diào)查中得到了廣泛的應(yīng)用。

XBT因其具有快速、實(shí)時(shí)、價(jià)格低廉等優(yōu)勢[2], 而迅速得到海洋科學(xué)家、相關(guān)研究院所和企業(yè)的重視, 20世紀(jì)70年代開始, 國外已經(jīng)進(jìn)行了大規(guī)模的實(shí)際應(yīng)用, 國內(nèi)從80年代開始關(guān)注和研究投棄式設(shè)備, 至今與國外先進(jìn)設(shè)備仍存在一定差距。下文將就海洋溫度測量歷史、投棄式設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀與差距、關(guān)鍵技術(shù)方向進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1 海洋溫度測量歷史

1935年Carl-Gustaf Rossby在美國研制出第一臺海洋溫度測量樣機(jī), 并在二次世界大戰(zhàn)期間提供給美國海軍, 在潛艇發(fā)射魚雷、規(guī)避目標(biāo)上起到了很大的作用。對于海水溫度的觀測, 從最早的顛倒溫度計(jì)(Nansen Bottle)、機(jī)械式溫深儀(Mechanical Bathy Thermograph, MBT)、XBT、CTD, 到今天的自持式剖面觀測浮標(biāo)、水下滑翔機(jī)(Glider)等。

隨著直升飛機(jī)以及固定翼飛機(jī)在海洋調(diào)查中的應(yīng)用日益廣泛, 人們在XBT的基礎(chǔ)上開發(fā)設(shè)計(jì)了機(jī)載投棄式海水溫度剖面測量系統(tǒng)(Aerial XBT, AXBT)。和XBT 相比, AXBT 在XBT 的基礎(chǔ)上增加了無線電發(fā)射裝置, 通過無線電將XBT 測得的海水溫度剖面數(shù)據(jù)發(fā)送到安裝在飛機(jī)上的接收裝置, 從而可利飛機(jī)高速運(yùn)動(dòng)的特性在短時(shí)間內(nèi)完成大范圍的海水溫度剖面調(diào)查, 效率大為提高。如果采用無人機(jī)/艇運(yùn)載方式, 靈活性、隱蔽性、經(jīng)濟(jì)成本會(huì)更有優(yōu)勢。另外還有一些水下機(jī)器人(AUV)之類的會(huì)攜帶溫度、壓力傳感器, 其在作業(yè)過程中會(huì)實(shí)時(shí)顯示并保存測量結(jié)果。

2 投棄式海洋設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

針對海洋領(lǐng)域的迫切需求, 國外從20世紀(jì)30年代開始, 著手對船載投棄式海洋儀器設(shè)備進(jìn)行研制, 加裝單一溫度傳感器的XBT最先被研發(fā)成功, 并在此基礎(chǔ)上, 增加傳感器數(shù)量, 相繼研發(fā)成功投棄式溫鹽深儀(XCTD)、聲速剖面儀(XSV)和流速剖面儀(XCP)。企業(yè)化運(yùn)作模式下, 發(fā)展形成了譜系化的船載、機(jī)載和潛艇載系列設(shè)備, 既服務(wù)于軍方, 也供海洋科學(xué)工作者用作科學(xué)研究。目前占主流、且技術(shù)實(shí)力過硬的投棄式海洋儀器設(shè)備研制生產(chǎn)公司主要有兩家, 分別是美國斯皮坎公司(Sippican, Inc.)和日本鶴見精機(jī)有限公司(Tsurumi Seiki, Co. Ltd, 簡稱TSK)。兩家公司在投棄式海洋儀器設(shè)備的研制領(lǐng)域一直處于世界先進(jìn)水平, 相關(guān)產(chǎn)品壟斷了全球市場, 成為比照產(chǎn)品, 其傳感器設(shè)計(jì)、制作工藝等核心技術(shù)依然對外保密[3]。

關(guān)于船載投棄式海洋儀器, 如船用投棄式溫深儀(SXBT)等, 在國內(nèi)已有應(yīng)用, 勞雷工業(yè)公司在華獨(dú)家代理了日本鶴見精機(jī)公司的投棄式測量設(shè)備(XBT、XCTD、XCP、XSV)。

對于機(jī)載投棄式海洋儀器(如AXBT)的相關(guān)資料公開較少, 僅有簡略的產(chǎn)品介紹, 并且這些機(jī)載投擲系統(tǒng)均為手動(dòng)方式。芬蘭維薩拉公司在機(jī)載下投式探空系統(tǒng)中用到了自動(dòng)投放裝置, 可以支持載人飛機(jī)、無人機(jī)投擲(圖1)。

圖1 機(jī)載投棄式溫深測量儀工作原理

2.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)投棄式海洋儀器設(shè)備研究始于20世紀(jì)80年代, 國家海洋技術(shù)中心(劉寧等[4-5])、國防科技大學(xué)(原解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院, 葉松[6]、焦冰[7]等)、中國科學(xué)院聲學(xué)研究所東海研究站(徐海東[8]、張平[9]等)、山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所(杜立彬、陳維山[10]等)等單位, 開展了投棄式海洋參數(shù)剖面測量設(shè)備中有關(guān)探頭運(yùn)動(dòng)仿真、數(shù)據(jù)通訊傳輸、系統(tǒng)集成測試等方面的研究工作, 經(jīng)過多年的努力, 取得了一批實(shí)用性專利、試驗(yàn)樣機(jī)等成果。其中國家海洋技術(shù)中心、中科院聲學(xué)所東海站, 以及西安天和防務(wù)公司和北京星天海洋公司等單位已經(jīng)基本掌握了XBT的設(shè)計(jì)技術(shù)和制造工藝, 并實(shí)現(xiàn)XBT產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。

國防科技大學(xué)葉松等[6]提出了新型遠(yuǎn)海機(jī)動(dòng)水文環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)(New Mobile Offshore Hydrologic Environment Monitoring System, NMOHEMS), 這是一種以無人機(jī)技術(shù)、流星余跡通信技術(shù)和海洋水文現(xiàn)場探測技術(shù)相結(jié)合為核心技術(shù)特征, 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、安全、機(jī)動(dòng)、保密和頑強(qiáng)性強(qiáng)的海洋水文環(huán)境多要素同步監(jiān)測的系統(tǒng)。目前處于概念設(shè)計(jì)及相關(guān)理論論證階段, 產(chǎn)品化樣機(jī)缺失。

售價(jià)上, 根據(jù)網(wǎng)絡(luò)公開招標(biāo)文件顯示, TSK的“XBT拋棄式溫鹽深采集系統(tǒng)”為19.9萬元, 國產(chǎn)系統(tǒng)一般在8萬~10萬元間, 適用不同海深和不同航速, 探頭價(jià)格不同, TSK一般約為6 000元/枚, 國產(chǎn)約為2 000元/枚。

2.3 國內(nèi)外差距

國產(chǎn)的XBT產(chǎn)品已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn), 但與國外的產(chǎn)品仍存在一定差距, 主要表現(xiàn)在: 不成體系, 型號不全, 針對不同的海域海況, 考慮的還不周全; 設(shè)備穩(wěn)定性較差, 投放成功率低, 制作工藝不成熟, 易受到外界或內(nèi)部的影響而導(dǎo)致失效; 比測試驗(yàn)不足, 主要是將XBT與高精度的CTD進(jìn)行比較校正, 國外在太平洋、大西洋、印度洋等不同海域都開展了比測試驗(yàn), 據(jù)統(tǒng)計(jì), 20世紀(jì)70年代, 美國實(shí)施的比測數(shù)量就達(dá)到2 000枚, 而國內(nèi)截止到2011年還不足500枚, 比測試驗(yàn)的開展有助于提高設(shè)備的測量精度, 意義重大, 國內(nèi)在這方面投入不夠。張平等[9]在海上將TSK與東海站的幾個(gè)型號進(jìn)行了對比(見表1), 部分參數(shù)與同等規(guī)格的TSK產(chǎn)品相當(dāng), 但仍發(fā)現(xiàn)了存在的很多問題, 需優(yōu)化結(jié)構(gòu)與電路設(shè)計(jì), 實(shí)際操作過程中提前把探頭放置在與海溫差異不大的地方。

3 關(guān)鍵技術(shù)與研究熱點(diǎn)

3.1 溫度傳感器

探頭在下降過程中, 溫度傳感器響應(yīng)水溫變化的速度直接影響到測量的效果。國際上, 一般采用時(shí)間常數(shù)來表征傳感器響應(yīng)動(dòng)態(tài)環(huán)境變化快慢的能力。溫度傳感器的類型主要有[11]熱電偶、金屬熱電阻(RTD, Resistance Temperature Detector)、熱敏電阻、光纖光柵等幾種。熱電偶測溫范圍廣, 靈敏度低; RTD穩(wěn)定性強(qiáng), 信號線性度良好, 但尺寸大、成本高、靈敏度低; 熱敏電阻響應(yīng)快, 但存在嚴(yán)重的熱電非線性; 光纖光柵體積小、精度高, 應(yīng)用廣泛。

表1 TSK與國產(chǎn)產(chǎn)品參數(shù)指標(biāo)對比[9]

目前, 美國、加拿大、日本等少數(shù)先進(jìn)國家可以制造時(shí)間常數(shù)達(dá)到60~70 ms的海洋剖面測溫傳感器, 如美國的海鳥(SBE, Sea-Bird Electronics)系列傳感器的響應(yīng)時(shí)間位65 ms[12]。國內(nèi)采用熱敏電阻研制的傳感器普遍的響應(yīng)時(shí)間在100 ms左右, 而傳統(tǒng)的鉑電阻為十幾秒。余有龍[13]在對金屬封裝光纖光柵溫度傳感器特性的實(shí)驗(yàn)研究中得出, 采用紫銅管、黃銅管、不銹鋼管封裝的布拉格光纖光柵(FBG, Fiber Bragg Grating)溫度傳感器的響應(yīng)時(shí)間為3.8 s、4.0 s、4.5 s。張登攀等[12]提出了一種新的封裝工藝制作FBG, 經(jīng)過模擬仿真和實(shí)驗(yàn)得出其響應(yīng)時(shí)間可以達(dá)到50 ms左右, 比普通光纖溫度傳感器的響應(yīng)時(shí)間提高了一個(gè)數(shù)量級。

另外, 針對國內(nèi)對傳感器時(shí)間常數(shù)測試和檢驗(yàn)方法和平臺的缺失, 國家海洋技術(shù)中心[14]研發(fā)設(shè)計(jì)了時(shí)間常數(shù)測量裝置, 對SBE3的測量結(jié)果顯示, 在運(yùn)動(dòng)速度為1m/s時(shí), 測定的時(shí)間常數(shù)為64.8 ms, 與廠家標(biāo)稱的65 ms, 絕對誤差0.2 ms, 相對誤差0.3 %,對比結(jié)果較為準(zhǔn)確。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

不同的XBT探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì), 會(huì)對應(yīng)不同的水下運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和極限速度, 選擇合適的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對保證數(shù)據(jù)獲取的準(zhǔn)確性和溫深數(shù)據(jù)計(jì)算對應(yīng)關(guān)系都至關(guān)重要。國內(nèi)很多學(xué)者開展了探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)的數(shù)值模擬和試驗(yàn), 劉孟德等[15]利用Fluent軟件建立探頭外形的流體力學(xué)模型, 經(jīng)分析得出: 探頭主體采用流線型設(shè)計(jì)有助于保持姿態(tài)的穩(wěn)定, 頭部采用弧線型設(shè)計(jì), 有利于獲得穩(wěn)定的下降速度。徐金隨等[16]采用N–S方程和–湍流模型, 對圓柱形、有尾翼形、無尾翼形等三種不同結(jié)構(gòu)的探頭進(jìn)行壓力場、速度場的數(shù)值模擬, 得到了2.1 m/s、4.6 m/s, 4.9 m/s的極限速度, 表明外殼為流線型的可以獲得更大的極限速度, 有尾翼的在下落過程中表現(xiàn)的更穩(wěn)定, 同時(shí)與實(shí)際試驗(yàn)比較后也基本符合相關(guān)規(guī)律, 驗(yàn)證了數(shù)值模型的有效性。陳振濤等[17-18]同樣認(rèn)為研究探頭的下落過程和姿態(tài)必須考慮外形的影響, 使用的探頭是無人機(jī)載的小型探頭, 采用了混合網(wǎng)格技術(shù)結(jié)合湍流模型[19]來開展數(shù)值驗(yàn)證工作, 分別對導(dǎo)流腔、收縮段、尾翼等6種不同組合方案進(jìn)行對比, 分析不同雷諾數(shù)下的阻力系數(shù)和相同質(zhì)量下的極限速度, 得出結(jié)論: 導(dǎo)流腔、收縮段減阻, 尾翼增阻; 雷諾數(shù)增加, loge在2.3至3.8時(shí), 阻力系數(shù)迅速減小, 在3.8至5.1時(shí), 減小趨勢放緩。孫濤等[20]也通過數(shù)值計(jì)算和少量物理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證探頭運(yùn)動(dòng)規(guī)律, 考慮了探頭在0~20 m 高度自由落體, 及水下的全運(yùn)動(dòng)過程, 在得到探頭在海水中的阻力和浮力后, 運(yùn)用四階龍格-庫塔方法求解運(yùn)動(dòng)控制方程, 并考慮了海水密度和探頭重量變化情況下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。眾所周知, 在不同的海域、不同的深度, 海水具有不同的密度, 導(dǎo)致探頭的浮力會(huì)發(fā)生變化, 探頭在下降過程中, 隨著纏繞導(dǎo)線減少, 自身重量也會(huì)減輕。通過模型計(jì)算得到結(jié)果表明: 不同的高度將賦予探頭不同的入水初速度, 對應(yīng)著不同的阻力, 速度越大, 阻力越大; 入水時(shí)間短時(shí), 海水密度對入水距離的影響不大, 入水時(shí)間越長, 密度差異導(dǎo)致的入水距離越大; 探頭質(zhì)量變化相較于質(zhì)量不變, 也會(huì)對極限速度有影響; 海水密度的變化和探頭重量變化相比, 后者對極限速度的改變更大。同樣, 黃銀水等[21]在探頭線圈不釋放的條件下擬合出了阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系式。根據(jù)在實(shí)際測量過程中, 探頭附近的流動(dòng)處于湍流狀態(tài), 上述的數(shù)值模擬較為理想, 肖鴻等[22]采用時(shí)變雷諾方程結(jié)合湍流模型來計(jì)算探頭的下沉運(yùn)動(dòng)狀態(tài), 模擬了水流與探頭的相互作用, 根據(jù)得到的速度和壓力分布, 來分析阻力系數(shù)與雷諾系數(shù)之間的相互關(guān)系。

3.3 數(shù)據(jù)通訊傳輸

傳感器采集的數(shù)據(jù)需要傳回到船基信號處理單元, 這兩者之間的數(shù)據(jù)通訊傳輸按是否有數(shù)據(jù)線連接, 主要可以分為兩大類: 有線、無線。

(1) 首先介紹目前應(yīng)用較為廣泛的有線傳輸, 數(shù)據(jù)流程一般如下圖2所示。

圖2 有線傳輸數(shù)據(jù)采集傳輸鏈路

探頭包括了傳感器、數(shù)據(jù)采集電路、數(shù)據(jù)傳輸發(fā)送電路, 采集完畢的數(shù)據(jù)通過與水面上的甲板單元連接的傳輸導(dǎo)線(漆包線), 直徑約為0.1 mm, 將數(shù)據(jù)傳遞到甲板上的采集板, 再經(jīng)過處理軟件顯示數(shù)據(jù)結(jié)果。傳輸導(dǎo)線電阻很大, 線間電容和等效電感都隨著線軸展開, 其數(shù)值變化大。傳輸距離越長, 信號的衰減和畸變也越嚴(yán)重, 所以要采取相關(guān)措施保證接收到數(shù)據(jù)的正確性和可靠性[23]。

(2) 另外一種就是無線傳輸, 目前這種傳輸模式多用于浮標(biāo)、航行器與船基的通訊, 在XBT上正在逐步推廣。無線傳輸解除了探頭必須與船連接的限制, 有助于提高采集效率。通常的數(shù)據(jù)傳輸鏈路如下圖3所示。

操作人員在船上將投棄式單元整體投入水中, 或者掛載到無人機(jī)上, 到達(dá)指定測量區(qū)域, 啟動(dòng)投放操作后, 溫深浮標(biāo)滑出彈倉并打開降落傘, 緩慢落入水中, 當(dāng)觸及海面時(shí)自動(dòng)脫落保護(hù)罩, 剝離降落傘并延展通訊天線, 探頭和浮體在水中穩(wěn)定一定時(shí)間后自動(dòng)分離或者在收到測量指令后分開, 探頭開始下沉, 下沉過程中釋放傳輸線, 由傳感器采集不同深度的溫度信息, 通過傳輸線傳給溫深浮標(biāo)在海面的浮體單元, 浮體內(nèi)部經(jīng)過簡單的數(shù)據(jù)處理后經(jīng)由天線將數(shù)據(jù)信息傳遞給船基平臺上的數(shù)據(jù)接收單元, 信號接收機(jī)將信號傳送到數(shù)據(jù)處理終端(軟件), 完成數(shù)據(jù)的最終處理與顯示。在完成溫深測量任務(wù)后啟動(dòng)自毀程序, 沉入海底。

圖3 無線傳輸數(shù)據(jù)采集傳輸鏈路

關(guān)于投棄式單元與數(shù)據(jù)接收單元之間的無線通訊, 有通過衛(wèi)星、流星余跡等方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。翟小羽等[24]、張少永[25]在海上數(shù)據(jù)測量中運(yùn)用了衛(wèi)星通訊手段進(jìn)行了數(shù)據(jù)的傳輸, 在浮標(biāo)等稍大型設(shè)備上, 功率、天線等影響數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量的因素都可以得到較好的滿足, 對于XBT這種小型化的設(shè)備, 相關(guān)的技術(shù)工作還需進(jìn)一步深入開展。焦冰[26]設(shè)計(jì)了通過流星余跡將數(shù)據(jù)傳回地面主站的傳輸方式, 流星進(jìn)入大氣層后會(huì)在高度100 km的位置產(chǎn)生電離余跡, 流星產(chǎn)生的余跡具有隨機(jī)突發(fā)性, 一般在幾毫秒至幾秒之間, 在短暫的時(shí)間里將其作為通訊媒介, 利用其反射或散射電波, 以此來達(dá)到通訊的目的[27]。徐海東等[8]設(shè)計(jì)了基于時(shí)分多址原理的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng), 最多允許8個(gè)AXBT同時(shí)工作, 大幅提高了測量效率, 并對數(shù)據(jù)采用了冗余編碼, 總計(jì)104 Byte, 其中100 Byte為10 s的溫度數(shù)據(jù), 2 Byte采樣序號, 2 Byte為校驗(yàn)和。2011年在千島湖進(jìn)行了實(shí)際測試, 試驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠, 符合預(yù)期。

3.4 數(shù)據(jù)后處理

因?yàn)閄BT探頭本身沒有攜帶壓力傳感器, 要想獲取探頭測量溫度所對應(yīng)的深度, 通常是根據(jù)探頭在水中的下沉速度, 從入水時(shí)刻開始計(jì)算“時(shí)間-深度”的關(guān)系式, 即下降速率公式(Fall-Rate equation), 一般形式為:

() =–2,

其中,()為(單位秒)時(shí)刻對應(yīng)的探頭深度,、為待求參數(shù)。典型的如TSK公司T-5型XBT產(chǎn)品的下降速率公式為[28]:

() = 6.540 71– 0.001 869 12,

溫度傳感器的測量是按照一定的頻率進(jìn)行采樣的, 這樣就能與深度一一對應(yīng)起來, 因此深度數(shù)據(jù)只要傳送采樣序號即可。在實(shí)際使用中, 不同廠商、不同型號的探頭有不同下降速率, 探頭的外形、重量、投放的高度、入水速度等都會(huì)對其會(huì)產(chǎn)生影響。系統(tǒng)會(huì)默認(rèn)設(shè)置好深度計(jì)算公式, 如果想進(jìn)一步優(yōu)化測量數(shù)據(jù)對應(yīng)關(guān)系, 對于參數(shù)、的選取可以在比照CTD數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上再進(jìn)行一定的修正。2008年美國大西洋海洋大氣研究所AOML專門就XBT的下降速率問題舉辦過國際研討會(huì), 力求建立一個(gè)新的公式以用于過去和未來XBT采集的數(shù)據(jù), 同CTD、Argo浮標(biāo)數(shù)據(jù)一起, 為研究全球氣候溫度變化提供有效的參考。國內(nèi)紀(jì)風(fēng)穎[29]也對不同數(shù)據(jù)集處理方法、精度誤差、注意事項(xiàng)進(jìn)行了研究。曾海燕[30]提出了一種基于最優(yōu)差值法的溫度剖面補(bǔ)全算法, 并結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證。

求解參數(shù)、的方法大都基于實(shí)際數(shù)據(jù)的擬合計(jì)算, 但不同研究人員采用的試驗(yàn)裝置和方法存在差異。井彥明[31]利用高速攝像機(jī)將探頭的下降過程全部拍攝下來, 通過對攝像資料的處理, 得到探頭下降的深度、速度、時(shí)間數(shù)據(jù), 分析下降速度得知探頭在靜水中的極限下降速度為5.27 m/s, 即探頭在水下經(jīng)過一段時(shí)間加速后趨于穩(wěn)定的速度, 加速時(shí)間大約2 s, 距離約為7.5 m。陳維山[10]通過在20 m的透明水槽中試驗(yàn), 將多組下落距離(), 和對應(yīng)時(shí)間, 擬合求解取期望, 并與CTD測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比, 求得深度誤差曲線在2%以內(nèi)。趙江濤[32]通過基于積分投影和Radon變換的方法測量下降速度, 依舊是通過高速攝像機(jī)進(jìn)行拍攝探頭下降的一系列圖像, 首先求取N幀圖像的水平積分投影, 以合成基于此的時(shí)間堆棧圖像, 經(jīng)過Canny邊緣檢測和Radon變換檢測直線, 最終得到XBT的下落速度, 該方法在圖像質(zhì)量不是很清晰的試驗(yàn)環(huán)境下依舊能得到較為準(zhǔn)確的探頭下降速度。翁興國[33]以單片機(jī)為基礎(chǔ), 探頭連接著釋放線, 下降過程中帶動(dòng)反光片產(chǎn)生高光平外部中斷, 單片機(jī)響應(yīng)并控制計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí), 預(yù)留的釋放線長度就是探頭下降的距離, 此種裝置結(jié)構(gòu)簡單, 系統(tǒng)誤差在0.000 36 s, 能夠滿足系統(tǒng)的精度要求。

在現(xiàn)場作業(yè)中, 甲板處理軟件也是很關(guān)鍵的一環(huán), 有助于實(shí)時(shí)查看溫深剖面, 并對測量數(shù)據(jù)的有效性進(jìn)行直觀的評估。P. Thadathil[34]、翟小羽[35]、賈志成[36]等都進(jìn)行過這方面的軟件開發(fā)工作。通常的數(shù)據(jù)處理軟件主要包括了數(shù)據(jù)管理、文件管理、信息管理模塊等功能(見圖4)。在軟件中可以查看下降速率公式, 打印溫深剖面, 進(jìn)行區(qū)域溫度等值線的繪制等。

圖4 XBT數(shù)據(jù)處理軟件功能模塊圖

3.5 可靠性研究

20世紀(jì)90年代, 澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織(CSIRO)在有關(guān)XBT質(zhì)量控制手冊匯總了系統(tǒng)測量失效的常見故障模式[37], V Philbrick[38]通過實(shí)際海測, 也開展了類似的工作。國內(nèi)近些年也陸續(xù)開展了相關(guān)的工作。方芳等[39]利用統(tǒng)計(jì)過程控制(Statistical Process Control, SPC)對海上試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了故障原因分析, SPC是一種運(yùn)用統(tǒng)計(jì)技術(shù)對過程中的各個(gè)階段進(jìn)行監(jiān)控, 從而達(dá)到改進(jìn)和保證質(zhì)量的目的, 目前已廣泛應(yīng)用于設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、服務(wù)和管理等一般過程。試驗(yàn)數(shù)據(jù)來源于2009至2010年間的4次海試, 共投放126枚, 失效50枚(見表2)。經(jīng)初步分析, 除了一些偶然因素(如人員操作不當(dāng))是造成故障率較高的原因外, XBT失效最大的故障原因在于機(jī)械部件失效, 切實(shí)提高系統(tǒng)本身的穩(wěn)定性是降低故障率的最有效辦法。

翁興國等[40]運(yùn)用Petri網(wǎng)模型對NMOHEMS系統(tǒng)的布放系統(tǒng)進(jìn)行了可靠性分析。由于故障樹模型較難表現(xiàn)故障發(fā)生的時(shí)間序列關(guān)系, 因此采用Petri網(wǎng)模型對其進(jìn)行簡化, 經(jīng)過分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證, 該方法可以有效提高運(yùn)算效率, 減少計(jì)算量, 并簡化了軟件程序的實(shí)現(xiàn), 在系統(tǒng)可靠性分析做出了有益的嘗試。任強(qiáng)等[41]將TSK公司生產(chǎn)的XCTD與國家海洋技術(shù)中心生產(chǎn)的XBT進(jìn)行對比分析, 在每個(gè)站點(diǎn)同時(shí)釋放XCTD和XBT, 總計(jì)得到13組數(shù)據(jù), 分析后得出XBT的數(shù)據(jù)整體表現(xiàn)良好, 能夠滿足復(fù)雜海域的快速走航觀測, 準(zhǔn)確性和可靠性良好(表3)。

表2 故障現(xiàn)象統(tǒng)計(jì)表[39]

表3 XBT與XCTD技術(shù)指標(biāo)[41]

4 總結(jié)與展望

針對投棄式溫深剖面儀國產(chǎn)化進(jìn)程, 本文主要從XBT的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀、差距, 以及結(jié)構(gòu)外觀設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)通訊傳輸?shù)妊芯繜狳c(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了介紹, 總結(jié)了國產(chǎn)化產(chǎn)品存在的突出問題: 產(chǎn)品不成體系、測量穩(wěn)定性差、質(zhì)量和可靠性低。面對以上問題及現(xiàn)今發(fā)展趨勢, 未來應(yīng)著力從以下幾個(gè)方面進(jìn)行突破:

(1) 開發(fā)適應(yīng)不同海域、不同航速、不同搭載平臺的產(chǎn)品, 形成譜系化的產(chǎn)品序列。國外的先進(jìn)產(chǎn)品在采集頻率、深度、航速等參數(shù)細(xì)分領(lǐng)域都有對應(yīng)的產(chǎn)品, 目前國產(chǎn)化產(chǎn)品還存在巨大差距, 相關(guān)研究院所應(yīng)加強(qiáng)溝通協(xié)作和合理分工, 優(yōu)勢互補(bǔ), 減少重復(fù)和低質(zhì)量勞動(dòng);

(2) 提高產(chǎn)品加工工藝。加工工藝的提高有賴于產(chǎn)業(yè)鏈上游企業(yè)切實(shí)提高設(shè)備加工精度和操作人員技術(shù)等, 在實(shí)際使用中, 漆包線的斷裂、絕緣性降低是導(dǎo)致故障產(chǎn)生的重要原因, 有必要從全產(chǎn)業(yè)鏈上提高協(xié)同配合, 精益求精;

(3) 增加比測試驗(yàn)。比測試驗(yàn)的開展是為了提高產(chǎn)品可靠性, 產(chǎn)品的實(shí)際測量效果和精度需要經(jīng)過大量的對比試驗(yàn)完成, 不同的精度會(huì)直接影響到數(shù)據(jù)測量的質(zhì)量, 以及后續(xù)以此為基礎(chǔ)的研究報(bào)告產(chǎn)出質(zhì)量, 所以務(wù)必加強(qiáng)對比測試驗(yàn)的重視;

(4) 繼續(xù)深入研究投棄式設(shè)備的相關(guān)基礎(chǔ)技術(shù)。XBT是投棄式設(shè)備的一種, 與其他投棄式設(shè)備(如XCP)有部分相同的技術(shù)屬性, 對探頭下沉的流場分析、數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)壤^續(xù)深入開展, 是形成獨(dú)有和更先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)。另外, 傳感器技術(shù)也是限制產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù), 理論基礎(chǔ)、加工技術(shù)都有待加強(qiáng);

(5) 積極開展無人平臺的投棄式設(shè)備研發(fā)。無人平臺具有高隱蔽性、高機(jī)動(dòng)性、高實(shí)時(shí)性等諸多優(yōu)點(diǎn), 目前國內(nèi)開展的并不多, 針對眾多民用和軍事需求, 積極開展原型機(jī)試驗(yàn)、測試、生產(chǎn)有著廣闊的應(yīng)用基礎(chǔ)。

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Review on the application and development of Expendable Bathythermograph

CHEN Wen-jing1, ZHANG Lin1, 2, SUN Xue-hai1, 2, DUAN Jia-xi1, 2

(1. Pilot National Laboratory for Marine Science and Technology (Qingdao), Qingdao 266237, China; 2. Navy Submarine Academy, Qingdao 266199, China)

The changes in ocean temperature will significantly affect underwater acoustic propagation, biological activities, meteorology, and ocean currents. Temperature and depth are the basic parameters reflecting the changes in ocean movement. Expendable bathythermographs (XBT), conductivity-temperature-depth profilers, and Argo floats are the main instruments for seawater temperature and depth measurements. Among them, XBT is used for large-scale measurements because of its simplicity, high efficiency, and low hardware cost. This paper mainly introduces the background and evolution history of ocean temperature measurement, analyzes and compares the development status of related instruments and equipment at home and abroad, identifies the gaps and shortcomings of domestic products, and introduces in detail the key technologies and research hotspots of sensors, structure design, data communication transmission, data post-processing, and reliability. Finally, the ideas and opinions on the future technology development route of unmanned platforms are presented. Technical research and product development of XBT need to be conducted to achieve localization.

expendable; temperature and depth profiler; XBT; temperature measurement; depth measurement

Oct. 11, 2019

P715.9

A

1000-3096(2020)11-0114-09

10.11759/hykx20191011003

2019-10-11;

2020-07-20

陳文景(1989－), 男, 湖北孝感人, 碩士, 工程師, 研究方向?yàn)樗暛h(huán)境效應(yīng)與探測技術(shù), 電話: 15671113721, E-mail: chenwenjingmail@qq.com

(本文編輯: 康亦兼)