UCTD 數據處理方法研究

張 挺，田 雨，蘭 卉，高 坤，程 敏，許麗萍

（國家海洋技術中心，天津 300112）

走航式溫鹽深剖面測量儀（Underway Conductivity Temperature Depth Profiler，UCTD） 是一種低成本、結構緊湊的溫鹽深剖面測量儀器，使用配套絞車進行投放和回收，在船舶航行時進行溫度、電導率和壓力測量，UCTD 適應船速0 ～12 kn，航速12 kn 時下放深度達到400 m[1]。國內外UCTD 均采用無泵設計的三電極電導率傳感器測量方案，借助UCTD 的快速下降實現電導率傳感器內的海水導流。相對于傳統剖面測量

CTD（Conductivity Temperature Depth Profiler，CTD），UCTD 下降速度不僅快而且隨深度變化，導致其數據處理參數依賴于當前速度，在UCTD數據處理過程中，需要進一步排除粘性耗散導致的升溫效應，還要考慮熱質訂正參數、傳感器響應和匹配時間受流速影響而發生變化的情況。因此，有必要研究UCTD 下降過程，并在傳統剖面測量CTD 數據處理方法基礎上進行改進，得到適用于UCTD 的數據處理方法和參數。CTD 數據處理方法在國內外已有充分的研究，UCTD 相關文獻卻較少，國內文獻以產品介紹和應用研究為主[2-3]，美國羅得島大學學者深入研究了UCTD數據處理的模型，強調UCTD 數據處理需考慮速度效應[4]。

1 UCTD 下降速度模型

UCTD主要由探頭部分、密封殼體和尾桿構成，如圖1 所示，探頭部分包含溫度、電導率傳感器，密封殼體表面有壓力傳感器，內部安放電池和測量電路。自由投放模式下，按照預設的投放深度，繞線機在尾桿上往返纏繞若干層纜繩，入水后尾桿和絞車卷筒雙端放線，UCTD 下降速度基本不受船舶航速的影響。

圖1 UCTD 結構示意圖

自由下落時，UCTD 受到重力、浮力、運動阻力和放線阻力的共同作用，參考XBT 運動方程[5]，可以建立UCTD 運動方程：

式中：M 為UCTD 在z 深度處的質量；L 為放線阻力；M0, V0為UCTD 入水時刻的質量和體積；m, v 為單位長度纜繩質量和體積；Ff為UCTD在z 深度處所受浮力；ρ0為表層海水密度；D 為UCTD 運動阻力；Cd為阻力系數；S 為UCTD 截面積；U 為下降速度。

代入UCTD 和纜繩的基本參數，假設入水時速度為5 m/s，求解運動方程，得到UCTD 下降速度與深度關系：

受投放高度、入水姿態、繞線質量及海區差異的影響，UCTD 實際下降速度與理論值差別較大，B2-1 站位UCTD 實際下降速度如圖2 所示，0 ～430 dbar 區間UCTD 處于雙端放線狀態，下降速度的量級和趨勢與理論計算大體相符，波動與尾桿上纜繩的放線方向的周期性變化有關。至430 dbar 時UCTD 放線完畢，受纜繩拖拽作用，下降速度驟降至1.4 m/s，隨后緩慢均勻下降至930 dbar 時絞車開始回收。

圖2 UCTD 下降速度曲線

2 粘性耗散修正

UCTD 下降速度較快，需要考慮粘性耗散作用，粘性耗散是流體在流動過程中由粘性摩擦力引起的機械能轉換成熱能的現象，在粘性耗散加熱下，溫度傳感器會產生與流速平方成正比的測量誤差[6]：

式中：v 為海水運動粘性系數；U 為UCTD 下降速度；ΔU 為電導池內外速度差。根據Ullman[4]提出的模型，流經溫度傳感器的流速與UCTD 下降速度在1 ～5 m/s 區間內基本成線性關系，平均偏低約0.4 m/s。當UCTD 下降速度為4 m/s 時，會產生超過+0.003℃的溫度測量誤差，該誤差應根據當前下降速度予以修正。

3 濾 波

UCTD 沿用Mudge 和Lueck 提出的低通濾波算法[7]，通過同步溫度和電導率傳感器響應時間的方式削弱鹽度等衍生量的尖峰，為避免相移，對數據先后做正向和反向濾波。

式中：Y 為傳感器濾波后的值；Y0為原始數據；τ 為時間常數；f 為采樣頻率。

UCTD 傳感器時間常數與下降速度相關，根據經驗，下降速度較低時，分別給予溫度、電導率、壓力時間常數為0.15 s, 0.1 s, 0.15 s 的低通濾波，可以在削弱噪聲和保留測量細節之間達到較好的平衡；下降速度超過3 m/s 時，三個傳感器時間常數均取0.1 s。如圖3 所示，UCTD 經過濾波處理，鹽度尖峰得到一定程度的抑制。

圖3 濾波效果對比圖

4 位置訂正

受傳感器響應時間、采樣時序、安裝位置的影響，溫度、電導率傳感器無法同步測量同一水團，導致鹽度等衍生量產生虛假尖峰現象。一般用位置訂正算法同步溫度、電導率傳感器數據，消除尖峰，保證測量結果的準確性。如圖4 所示，假定UCTD 在0 時刻穿越一個溫鹽階躍，Tpos為水團經由溫度傳感器流向電導率傳感器的時間，Tt, Tc分別為溫度、電導率響應時間。從圖中可以看出，做位置訂正時保持溫度不動，電導率數據挪動時間：

式中：Talign為位置訂正參數，正值表示電導率相對于溫度數據向前移動，負值表示向后移動；Tsample代表電導率相對于溫度采集的時序差。

圖4 位置訂正參數影響因素示意圖

位置訂正參數影響因素中除了Tsample固定不變，其他都隨流速而變化。從傳感器測量原理看，Tpos, Tc與流速成反比，Raymond W 等[8]實驗表明，Tt與流速的開方成反比。分別估算不同流速下Tpos,Tc, Tt的值存在困難，因此將位置訂正參數作為一個整體來研究，挑選2016 年至2019 年3 次海試16 組不同下降速度的UCTD 數據，保持溫度、壓力數據不動，對電導率數據以0.01 s 為間隔向前、向后移動和線性插值，并重新計算鹽度。以鹽度曲線長度最小為目標，求解不同下降速度對應的最優位置訂正參數。

式中：P 為壓力；S 為鹽度；n 為采樣序號。

圖5 位置訂正參數與下降速度關系圖

如圖5 所示，低速時Tpos, Tc很大，位置訂正參數為正；隨著速度的增加，Tpos, Tc相對于Tt快速減少，導致位置訂正參數變成了負值。對圖中數據點做擬合，得到公式：

圖6 給出了位置訂正的對比效果，UCTD 捆綁在SBE911 Plus CTD 儀器架上，下降速度為1.1 m/s，計算Talign為0.2 s，經過位置訂正，UCTD 鹽度尖峰顯著削弱。

圖6 位置訂正效果對比圖

5 熱質訂正

電導率傳感器由鉑環電極、玻璃管、封裝膠和支撐托架構成，傳感器上存儲的熱量會延緩流經海水溫度的變化，導致電導率測量值產生測量誤差，一般用Lueck 和Picklo 提出的熱質訂正算法[9]予以修正：

式中：CT為電導率修正值；T 為溫度；r 描述電導率與溫度的關系；n 為采樣序號；f 為采樣頻率；α 和τ 為熱質訂正參數，分別代表由熱質效應引起的誤差幅值和時間常數。根據Morison 熱質訂正模型[10]，α 和τ 參數與流速相關。通過海上試驗確定α 和τ 的值，估算其與下降速度的關系。

2018 年9 月的南海海試中，將UCTD 捆綁在SBE911 Plus CTD 的架子上，按1.1 m/s 的下降速度開展了8 組同步比測。使用SBE Data Processing軟件處理SBE9 數據，對UCTD 數據做粘性耗散、濾波、位置訂正，然后遍歷α, τ 參數做熱質訂正。以兩者10 ～500 dbar 區間的鹽度測量差值的均方根值最小作為目標，求解最優α 和τ 參數。從圖7中可以看出，α=0.07,τ=15 是一組比較合適的參數。其他7 個同步比測剖面的計算結果與之類似。

圖7 鹽度測量誤差的均方根值與α, τ 的關系圖

將UCTD 單獨投放的剖面數據照此處理，得到下降速度為4 m/s 下的最優參數α=0.01,τ=1。參考Morison 模型[10]，得到熱質訂正參數與速度的對應關系：

圖8 給出了UCTD 熱質訂正的對比效果，經過熱質訂正，UCTD 與SBE911 Plus CTD 鹽度測量差異顯著減少。

圖8 熱質訂正效果對比圖

6 典型剖面數據處理

圖9 中紅色曲線為B2-1 站位UCTD 原始鹽度，未經處理的UCTD 鹽度曲線噪聲很大，圖中SBE911 Plus CTD 為相鄰站位已處理的鹽度測量曲線。圖中還可以看出，在尾桿放線完畢（430 dbar）和開始回收（930 dbar）處，兩次速度驟降均伴隨鹽度突然增加的現象，幅度約在0.03 PSU左右，數據處理時必須予以剔除。

圖9 UCTD 原始鹽度曲線

數據處理時，要計算當前UCTD 下降速度對應的處理參數，然后進行粘性耗散訂正、濾波、位置訂正、熱質訂正和平均處理，處理效果如圖10 所示。處理后，UCTD 與SBE911 Plus CTD的溫度、電導率和鹽度的平均絕對誤差分別為0.008℃、0.029 mS/cm 和0.026 PSU，滿足表1 中測量準確度的技術指標。

圖10 UCTD 處理后鹽度曲線

表1 UCTD 主要技術指標

數據處理后，UCTD 鹽度噪聲顯著減少，與SBE911 Plus CTD 鹽度曲線更加接近，尤其在雙端放線部分（0 ～430 dbar），處理效果比較明顯。在尾桿放線完畢UCTD 繼續下降時（＞430 dbar），因纜繩拖拽作用，UCTD 速度較慢且姿態發生傾斜，傳感器過水不暢，數據處理效果有限，仍存在明顯的鹽度抖動現象，建議用戶做中值濾波、滑動平均處理，同時忽略測量細節。

7 結 論

UCTD 是一種可以在船舶航行過程中使用的溫鹽深剖面測量儀器，在獲取高水平分辨率數據的同時，不可避免地會犧牲其數據質量，在這種情況下，必須采用一套與其運動特性相適應的數據處理方法，確保準確地獲取溫鹽剖面數據。在開展UCTD 數據處理時，首先計算當前下降速度對應的數據處理參數，然后依次進行粘性耗散溫度修正、溫鹽傳感器響應時間匹配、溫鹽傳感器測量數據同步、電導率傳感器熱質效應修正，最后還要剔除速度驟降導致的鹽度異常。

多次海上試驗表明，確保UCTD 平穩下降，是獲取高質量UCTD 數據的前提和關鍵，在條件允許的情況下，建議用戶盡量按照操作規程在尾桿上緊密繞線，采用自由投放的模式投放UCTD，結合規范的數據處理，可以有效減少鹽度測量噪聲和誤差，獲得較好的溫鹽剖面數據。