基于小型漂流平臺的微型溫濕測量系統

黨超群，孫東波，王 斌，胡錦國

（國家海洋技術中心，天津 300112）

溫濕測量系統主要測量大氣溫度和相對濕度參數[1]，能夠為衛星遙感定標、海洋分析與預報系統、海洋環境安全保障等提供背景或實時氣象資料[2]。目前，國內的海洋臺站[3]、海上平臺[4-5]、調查船[6]等多采用國家海洋技術中心或山東省科學院海洋儀器儀表研究所生產的溫濕度傳感器，大中型錨系浮標等多采用維薩拉HMP155 等溫濕度探頭外加防輻射罩的方式獲取大氣溫度和相對濕度數據[7-8]，二者無論是測量精度還是可靠性均得到了業內認可。

隨著海洋觀測技術的發展，海洋觀測平臺逐漸向低成本、小型化、輕質化、拋棄式方向發展，小型漂流浮標[9-10]、波浪能滑翔器[11-12]、無人艇[13]、無人帆船[14]等海氣界面移動觀測平臺應運而生。相對于錨系浮標（觀測要素齊全、準確，但造價及維護成本高）、衛星遙感（全球覆蓋，但時空分辨率和部分要素觀測精度不足）和船基觀測（志愿船計劃擴充了現場觀測的數據庫，但航線固定、區域性觀測無法全球覆蓋），移動觀測平臺的成本相對較低且容易實施，其大規模的應用將使全球范圍高時空分辨率現場觀測成為可能，為全球海洋立體觀測系統提供“主戰型武器”，助力海洋強國建設。然而，由于系統體積及重量的限制，現有的溫濕測量系統均無法滿足小型漂流平臺的安裝需求，如若安裝將會對平臺的穩定性和可靠性造成較大影響，特別是遭遇惡劣海況時，損壞率較高，造成臺風、風暴潮等災害天氣下現場觀測數據缺失，嚴重阻礙衛星遙感定標、海洋分析與預報、海洋環境安全保障等后續工作的順利進行。

因此，為了保證小型漂流平臺溫濕度長期在線觀測的穩定、可靠，科研人員需要對溫濕測量系統進行有針對性的小型化、輕量化[15-17]和防太陽輻射、防鹽霧設計[18]，力求能夠在基本不影響小型漂流平臺運動姿態和可靠性的情況下，實現海氣界面處溫濕度的長期在線觀測。本文將從微型溫濕測量系統的測控系統設計、結構設計和比測應用幾個方面進行詳細論述。

1 測控系統設計

1.1 硬件電路設計

微型溫濕測量系統的硬件電路設計需要滿足系統的數據采集與處理、數據通信，以及各單元電源供給控制的要求，主要由主控芯片、電源管理單元、溫濕測量單元和通信單元組成，系統設計框圖如圖1 所示。

圖1 微型溫濕測量系統硬件電路設計框圖

主控芯片是整個測控系統的核心，控制著整個系統各單元的正常運行，它負責數據采集、數據質量控制及溫濕測量單元、通信單元的電源控制；電源管理單元用于系統對溫濕測量單元、通信單元的電源供給控制，降低系統功耗；溫濕測量單元負責溫濕度原始信號采集及數值轉換，內含溫度校準功能，并針對結露的狀況增加了自動加熱功能[19-20]，保證觀測數據的真實性；通信單元用于微型溫濕測量系統與小型漂流平臺主控系統的數據交互。

1.2 嵌入式程序設計

微型溫濕測量系統通過嵌入式程序控制各單元工作，細化系統工作流程和休眠模式[21-22]，降低系統功耗，最大程度地規避各單元工作時自發熱對溫濕測量單元的影響，保證數據觀測的真實、可靠。嵌入式程序采用模塊化設計，遷移能力強，主要由數據采集與狀態監控子模塊、數據解析與處理子模塊和通訊傳輸子模塊組成，可實現數據自動采集、數據自動解析與處理、數據打包發送、電源低功耗管理等功能。

系統進行環境溫濕度測量時，嵌入式程序運行過程如圖2 所示。系統首先進行端口初始化和自檢，自檢通過后（如未通過，則輸出故障提示信息向小型漂流平臺測控系統示警，測控系統終止數據采集，并向用戶報告），開始進行環境溫濕度信號采集，主控芯片對采集數據進行存儲并進行算法分析，包括溫濕度的誤差修正[23-26]和數據預處理等，最后在收到數據發送請求時將處理好的數據通過通信單元上傳至小型漂流平臺測控系統。

圖2 嵌入式程序設計框圖

1.3 數據質量控制設計

微型溫濕測量系統數據質量控制設計主要是通過誤差修正、數據預處理后得到更為準確的溫濕度值。誤差修正主要是在系統量程范圍內選取幾個關鍵測量點在標準溫濕度試驗箱內開展測試，研究其線性程度和離散性分布，然后使用最小二乘法計算得到一條修正曲線，并在溫濕測量單元的測量過程中利用這條曲線將獲得的數據做相應的修正；數據預處理主要是針對溫濕測量單元經誤差修正后的數據進行奇異值、梯度檢驗及平滑處理，最終獲得穩定的測量值，保證數據準確性、可靠性，為衛星遙感定標、海洋分析與預報系統、海洋環境安全保障等提供有力的現場觀測數據支撐。

2 結構設計

微型溫濕測量系統結構設計需滿足小型化、輕量化、防太陽輻射、防鹽霧的要求，其主體結構由測控儀器倉、防輻射罩、透氣罩、安裝支架4 個部分組成，如圖3 所示。

圖3 微型溫濕測量系統結構示意圖

測控儀器倉的倉體呈非規則圓柱形結構，置于防輻射罩內，內部用支架固定測控電路；測控儀器倉底端固定溫濕測量單元，溫濕測量單元置于透氣罩內，通過導線與儀器倉內的測控電路連接，這種設計可以最大限度地減少引線長度，縮短溫濕測量單元與測控電路的距離，減弱干擾信號強度，提高溫濕測量單元的測量精度，縮小微型溫濕測量系統的結構體積。該設計彌補了現有大氣溫度和相對濕度測量產品體積大、重量大的不足，且整體具有抗老化和耐腐蝕的性能，能夠在基本不影響小型漂流平臺運動姿態和可靠性的前提下，實現海氣界面處大氣溫度和相對濕度的長期在線觀測。

3 比測應用

3.1 實驗室比測

2017 年8 月，科研人員隨機選取2 套微型溫濕測量系統，依據GB/T 32065.1—2015《海洋儀器環境試驗方法》，在國家海洋技術中心海洋觀測儀器質量檢測與可靠性試驗室的溫濕度試驗箱內開展實驗室比測，標準儀器選擇Pt100 高精度鉑熱電阻測溫儀（測量范圍：-80～300 ℃，精度：±0.1 ℃）和維薩拉HMP110 濕度傳感器（測量范圍：0%RH～100%RH，精度：±1.5%RH）。

（1）環境溫度恒定，相對濕度變化

如圖4 所示，通過對比測數據分析可知，環境溫度保持相對恒定，相對濕度在40%RH～95%RH的范圍內變化時，微型溫濕測量系統與標準儀器的相對濕度最大絕對誤差為2.5%RH，標準差為1.2%RH，相關系數為0.997。

圖4 環境溫度恒定時的數據比測曲線

（2）環境溫度變化，相對濕度不做控制

如圖5 所示，通過對比測數據分析可知，當環境溫度在-20～60 ℃的范圍內變化時，微型溫濕測量系統與標準儀器的氣溫最大絕對誤差為0.17 ℃，標準差為0.12 ℃，相關系數為1。

圖5 環境溫度變化時的數據比測曲線

實驗室比測過程中，無論溫濕度試驗箱內的試驗條件如何變化，微型溫濕測量系統數據輸出穩定，且2 套微型溫濕測量系統觀測的環境數據差距很小，具有很好的一致性，有力保證了比測試驗的正常開展，且檢定結果優于系統設計指標（溫度精度：±0.2 ℃，相對濕度精度：±3%RH），達到國外同類產品的測量精度。

3.2 船載自動氣象儀比測

2018 年5 月4 日至2018 年6 月14 日，中國海洋大學牽頭組織“黑潮延伸體科學調查”的西太春季航次，國家海洋技術中心承擔漂流式海氣界面浮標（Drifting Air-sea Interface Buoy，DrIB）的海試任務。DrIB 是國家海洋技術中心“漂流藍海星”研究團隊基于“低成本、網格化、全球化”的海氣界面觀測新理念（2015 年），在自然資源部業務運行、自然資源部重點實驗室基金、青島海洋科學與技術試點國家實驗室“鰲山科技創新計劃”等多個項目支持下，先后突破平臺結構可靠性、姿態穩定性，多模塊高度集成與多能互補供電，以及數據在線質控等多項關鍵技術，創新研制的“小型化、輕質化、易布放”的小型漂流觀測系統，DrIB 用漂流的觀測方式實現了錨系浮標海氣界面關鍵氣象水文動力參數的獲取，大規模組網可彌補現有海氣界面要素觀測單一、準確性低、時空分辨率等方面的不足，實現全球重點海域高時空分辨率的海氣界面綜合要素（3 m 高度的風速、風向、氣溫、氣壓、相對濕度等氣象參數，海表面水溫、波浪、拉格朗日流等水文參數）實時獲取。

在“東方紅2”號科考船航行過程中，科研人員將DrIB 開機測試，其溫濕度數據與船載自動氣象儀（溫度精度：±0.2 ℃，相對濕度精度：±3%RH）數據比測結果如圖6 所示。

圖6 “東方紅2”號船載自動氣象儀與DrIB 溫濕數據比測曲線

其中，微型溫濕測量系統與“東方紅2”號船載自動氣象站的相對濕度最大絕對誤差為4.8%RH，標準差為1.5%RH，相關系數為0.999；空氣溫度最大絕對偏差為0.5 ℃，標準差為0.19 ℃，相關系數為0.967。

本文通過對船載自動氣象儀數據比測結果進行分析，可以看出溫濕度觀測的一致性較好；最大絕對偏差和標準差均比實驗室比測結果偏大的原因是由于它們在船上所處位置不同（船載自動氣象儀位于“東方紅2”號駕駛臺頂部，DrIB 位于后甲板）；比測過程中DrIB 溫濕數據觀測穩定、準確，為后續開展的黑潮延伸體海氣觀測（Kuroshio Extension Observatory，KEO）浮標的現場比測奠定了基礎。

3.3 KEO 浮標現場比測

KEO 浮標是由美國國家海洋和大氣管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）于2004 年布放，運行至今，曾經一直是黑潮延伸體南側海域唯一的大型海氣觀測錨系浮標（32.3°N，144.6°E），主要觀測浮標附近海域的風速、風向、氣溫、氣壓、相對濕度、降雨量、太陽輻射、海面溫度和鹽度、大氣和海水中的二氧化碳、溶解氧和pH 值等，并且實現了觀測數據的近實時共享，不僅可用于短期和季節性風暴預報，還可以驗證衛星產品和數據反演相關的經驗模型。

2018 年5 月10 日，科研人員在KEO 浮標附近成功布放了2 套DrIB（編號7380、0250），開展現場比測，二者的數據觀測方式相同，均是從整點前1 min 開始數據采集，采集2 min 的數據進行數據質量控制，經由衛星通信網絡傳至陸基/船基數據綜合處理系統。

由于DrIB 隨波逐流的特性，本文選取了KEO浮標和DrIB 相距10 km 之內的24 h 溫濕度觀測數據進行比測分析（期間天氣狀態平穩，10 km 范圍內數據具備代表性），如圖7 所示。

圖7 DrIB 與KEO 浮標數據比測曲線

其中，24 h 內微型溫濕測量系統與KEO 浮標的相對濕度最大絕對誤差為2.8%RH，標準差為1.4%RH；大氣溫度最大絕對誤差為0.3 ℃，標準差為0.15 ℃。可以看出溫濕度觀測的一致性較好，最大絕對誤差和標準差相較于實驗室比測數值較大的主要原因是KEO 浮標和DrIB 海上相對位置變化和觀測高度（KEO 4 m，DrIB 3 m）不同造成的。

本文通過對KEO 數據比測結果進行分析，可以看出DrIB 搭載的微型溫濕測量系統的現場觀測數據質量已達到國外同類產品現場觀測精度，為后續DrIB 在大洋和極地的觀測應用奠定了堅實基礎。

3.4 觀測應用

2018 年至2020 年，微型溫濕測量系統搭載DrIB 完成南海臺風、中尺度渦組網和南極西風帶觀測應用，在大洋和極地成功獲取了典型海洋動力過程高時空分辨率的海氣界面關鍵氣象水文數據，為上述環境下的海氣相互作用研究提供一種新型、可靠、準確的現場觀測手段。其中，DrIB 溫濕度觀測數據曲線如圖8 至圖10 所示。

圖8 南海臺風觀測數據曲線

圖10 南極西風帶觀測數據曲線

2018 年8 月18 日，科研人員成功在南海北部、呂宋海峽（“嘉庚”號科考船）附近布放1 枚DrIB（編號9040），浮標在位運行期間準確捕獲到“山竹”和“百里嘉”兩個臺風，DrIB 為兩個臺風先后經過同一海域的海氣相互作用研究提供了非常好的現場觀測數據。對于超強臺風“山竹”，DrIB 準確獲取了其進入南海前、中、后對南海北部造成的影響，DrIB 在臺風過境過程中工作狀態良好，觀測結果客觀反映了臺風與海洋相互作用的變化過程，驗證了DrIB 及其搭載的微型溫濕測量系統在極端惡劣海況下的準確觀測能力。

2019 年9 月8 日至10 日，科研人員成功在黑潮延伸體北側（“東方紅3”號科考船）布放7 枚DrIB（編 號 0080、 0400、 2460、 4980、 5080、9080、9380），開展對中尺度渦（暖渦）渦心、內圈、外圈進行同步、高頻、高時空分辨率的漂流組網觀測，實時采集中尺度渦環境下的海氣界面氣象水文數據，從現場觀測的溫濕度數據曲線可以看出，在中尺度渦壽命周期內，渦心、內圈、外圈數據雖略有差異，但一致性很強，很好地呈現了中尺度渦的內外特征，將有助于提高對海洋中尺度過程的認知水平。

2020 年4 月2 日，中國第37 次南極科學考察的科研人員成功在南極西風帶海域（“雪龍2”號科考船）布放2 枚DrIB（編號1400、4240），DrIB 在位運行期間遭遇多次氣旋過程（風速20 m/s 左右），從現場觀測的溫濕度數據曲線可以看出，觀測數據的波動準確呈現了每一個氣旋過程，提升了南極西風帶海氣界面觀測的能力。

圖9 中尺度渦組網觀測數據曲線

4 結 論

通過實驗室和現場比測試驗可知，微型溫濕測量系統與比測儀器的溫濕度數據一致性非常好，相關系數≥96%；此外，系統還應用于DrIB 進行了大洋和極地典型海洋動力過程的海上現場觀測，在位工作期間穩定可靠，成功獲取了大洋和極地的溫濕度數據，為進一步分析典型海洋動力過程提供了寶貴的現場觀測資料。上述試驗及觀測應用，充分驗證了微型溫濕測量系統觀測的準確性、穩定性及可靠性，非常適用于DrIB 等小型漂流平臺，可用于獲取高時空分辨率的海氣界面處大氣溫度和相對濕度數據。未來該系統搭載小型漂流平臺規模化組網應用將為衛星遙感定標、海洋分析與預報系統、海洋環境安全保障、海氣界面重大科學問題研究等提供關鍵數據支撐。