徐 澤，于宗澤，傅曉洲，俞欣沁

（廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣東 廣州 510700）

20世紀(jì)70年代出現(xiàn)的多波束測(cè)深系統(tǒng)深刻改變了海洋水深調(diào)查的方式，極大地提高了水深測(cè)量的作業(yè)效率[1]。由于多波束測(cè)深系統(tǒng)在工作過(guò)程中呈扇面狀發(fā)射和接收聲波信號(hào)，然后根據(jù)聲傳播旅行時(shí)和海水聲速確定水深。因此，在多波束水深測(cè)量過(guò)程中，海水聲速剖面的準(zhǔn)確獲取以及聲速的改正對(duì)于最終的水深成果質(zhì)量至關(guān)重要，不合理的聲速將導(dǎo)致觀測(cè)到的海底地形呈凹凸?fàn)頪2-3]。

目前，海水聲速測(cè)量方式有兩種：一種是間接聲速測(cè)量，另一種是直接聲速測(cè)量[4]。間接聲速測(cè)量是根據(jù)溫度、鹽度和壓力數(shù)據(jù)，用特定的計(jì)算公式確定海水聲速，直接聲速測(cè)量則是通過(guò)測(cè)量聲速在某一固定距離上傳播的時(shí)間或相位，從而直接計(jì)算海水聲速。間接聲速剖面測(cè)量代表性儀器有美國(guó)海鳥公司（SeaBird）生產(chǎn)的CTD，直接聲速剖面測(cè)量代表性儀器有AML公司生產(chǎn)的不同系列的聲速剖面儀。目前，進(jìn)行聲速剖面測(cè)量時(shí)多采用聲速剖面儀直接測(cè)量聲速剖面，在測(cè)量船停船時(shí)，通過(guò)鋼纜絞車投放聲速剖面儀。當(dāng)水深較深時(shí)，導(dǎo)致投放回收時(shí)間較長(zhǎng)，同時(shí)，受聲速剖面的時(shí)空限制，當(dāng)聲速剖面不滿足要求時(shí)，需要停船并重新做聲速剖面的測(cè)量，導(dǎo)致海上調(diào)查作業(yè)效率較為低下。

為了提高海上多波束水深調(diào)查作業(yè)的效率，在非停船作業(yè)模式下快速獲取海水聲速剖面，利用XCTD以及拋棄式溫度剖面測(cè)量?jī)x（XBT）間接測(cè)量聲速剖面已得到廣泛應(yīng)用[4-5]。然而，XCTD與XBT作業(yè)效率雖高，但是其探測(cè)深度有限。并且，XBT無(wú)法觀測(cè)海水的鹽度信息，其對(duì)深水海域的海水聲速測(cè)量影響較重，并進(jìn)一步影響到水深測(cè)量精度。為了解決XBT無(wú)鹽度信息的問(wèn)題，有學(xué)者提出了聯(lián)合XBT與WOA13模型鹽度信息確定聲速剖面的解決辦法[6]，但是WOA13模型鹽度數(shù)據(jù)是對(duì)多年每月的鹽度數(shù)據(jù)取平均值，分辨率較低[7]。

為了解決海上調(diào)查作業(yè)效率較低的問(wèn)題，同時(shí)保證多波束測(cè)深的精度，本文介紹了CTD與XCTD作業(yè)原理，對(duì)比了同一時(shí)間、同一站位的CTD、XCTD及聲速剖面儀觀測(cè)得到的聲速剖面數(shù)據(jù)，探討了利用CTD與XCTD提高多波束水深調(diào)查的作業(yè)效率。

1 CTD與XCTD原理

1. 1 CTD原理

CTD廣泛應(yīng)用于海洋調(diào)查中，是目前應(yīng)用最多的海水溫度、鹽度與深度參數(shù)測(cè)量設(shè)備。利用CTD觀測(cè)得到的溫度、鹽度和深度數(shù)據(jù)，結(jié)合聲速經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，可以間接確定海水聲速。其中，最具代表性的是海鳥公司的SBE 917Plus CTD剖面儀。SBE 917Plus CTD剖面儀搭載的傳感器采用模塊化設(shè)計(jì)，能夠快速準(zhǔn)確地獲取海水的溫度、電導(dǎo)率和深度參數(shù)。系統(tǒng)主要包括SBE 9Plus CTD單元、SBE 17Plus SEARAM存儲(chǔ)單元和SBE32采水器。

SBE 9Plus CTD單元是溫鹽深要素測(cè)量的主要執(zhí)行者，其內(nèi)部安裝有電導(dǎo)率、溫度和帶溫度補(bǔ)償?shù)母呔仁毫鞲衅?，為減小船體升降引起的鹽度尖峰效應(yīng)，采用TC導(dǎo)管將溫度和電導(dǎo)率傳感器連接在一起，通過(guò)水泵迫使海水以恒定速率通過(guò)感溫原件和電導(dǎo)池，從而可以獲取同一水團(tuán)的溫度和電導(dǎo)率數(shù)據(jù)[8]。

SBE 17Plus SEARAM是整個(gè)系統(tǒng)的控制單元，同時(shí)為SBE 9PLUS CTD單元和SBE32采水器提供電源。通過(guò)系統(tǒng)程序，可以將數(shù)據(jù)采樣間隔預(yù)先輸入到SEARAM中，因此可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)的自動(dòng)化。

圖1為SBE 917Plus CTD剖面儀在海上調(diào)查中的布放過(guò)程示意圖，其布放過(guò)程可概括為以下7個(gè)步驟：安裝調(diào)試、參數(shù)設(shè)置、設(shè)備布放、下降過(guò)程中測(cè)量、上升過(guò)程中采水、設(shè)備回收、數(shù)據(jù)下載及處理[9]。

圖1 SBE 917Plus CTD剖面儀布放方式

1. 2 XCTD原理

XCTD是一種海水溫鹽剖面快速測(cè)量設(shè)備，可在下沉過(guò)程中測(cè)量海水的電導(dǎo)率和溫度，并根據(jù)下沉?xí)r間和速度計(jì)算出深度，其最大測(cè)量深度可達(dá)2 000 m。

XCTD測(cè)量系統(tǒng)一般由發(fā)射裝置、拋棄式探頭、數(shù)據(jù)接收裝置和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成。其中，發(fā)射裝置和拋棄式探頭結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 XCTD發(fā)射裝置與拋棄式探頭

拋棄式探頭是測(cè)量系統(tǒng)的核心，其中搭載的溫度和電導(dǎo)率傳感器可在探頭的下沉過(guò)程中測(cè)量海水的溫度、鹽度數(shù)據(jù)。因?yàn)閄CTD沒(méi)有搭載壓力傳感器，故深度參數(shù)需要通過(guò)探頭的下沉速度計(jì)算獲得。

發(fā)射裝置不僅用于發(fā)射探頭，還要作為水下探頭和水上數(shù)據(jù)接收裝置之間完成數(shù)據(jù)通信的輔助結(jié)構(gòu)。在探頭脫離發(fā)射裝置時(shí)，探頭和發(fā)射裝置中的傳輸導(dǎo)線線軸同時(shí)釋放高強(qiáng)度細(xì)導(dǎo)線，用于實(shí)現(xiàn)傳感器測(cè)量結(jié)果的數(shù)據(jù)傳輸。

數(shù)據(jù)接收裝置和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的主要功能是接收水下探頭傳回的溫度和電導(dǎo)率數(shù)據(jù)，并計(jì)算鹽度、聲速等相應(yīng)參數(shù)；檢測(cè)探頭入水信號(hào)，并根據(jù)入水時(shí)間和下沉速度計(jì)算剖面深度；實(shí)時(shí)記錄并顯示溫度、電導(dǎo)率和聲速剖面數(shù)據(jù)隨深度變化的特性曲線。

XCTD測(cè)量系統(tǒng)工作方式如圖3所示：拋棄式探頭由發(fā)射裝置發(fā)射入水，入水后即開始測(cè)量海水的溫度和電導(dǎo)率。在下沉過(guò)程中，測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)探頭內(nèi)的高強(qiáng)度細(xì)導(dǎo)線傳輸至水上數(shù)據(jù)接收裝置，進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。數(shù)據(jù)處理軟件檢測(cè)探頭入水時(shí)間，計(jì)算其入水深度，并對(duì)溫度和電導(dǎo)率數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑和修正處理。獲得最終的溫鹽深剖面數(shù)據(jù)[9-11]。其中，日本TSK公司生產(chǎn)的XCTD在世界處于領(lǐng)先水平，其不同型號(hào)的XCTD性能指標(biāo)見表1。

圖3 XCTD工作示意圖

表1 日本TSK公司不同型號(hào)XCTD指標(biāo)

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

2. 1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文采用 “海洋地質(zhì)六號(hào)”調(diào)查船2019年3月在西太平洋某海域?qū)崪y(cè)的數(shù)據(jù)。直接聲速剖面測(cè)量采用的儀器為AML公司的PLUS SV聲速剖面儀，最大工作深度6 000 m。間接聲速剖面測(cè)量采用的儀器為海鳥公司生產(chǎn)的SBE 917 plus CTD和日本TSK公司生產(chǎn)的XCTD-4。在到達(dá)站位時(shí)，首先停船，使用鋼纜絞車同時(shí)搭載了一套AML聲速剖面儀和Seabird SBE 917 Plus CTD，同時(shí)投放回收，共耗時(shí)約5 h，分別獲得兩個(gè)聲速剖面數(shù)據(jù)文件SVP-AML和SVP-CTD。然后，調(diào)查船以5 kn船速勻速向前航行，在航行的過(guò)程中投放XCTD，探頭下降深度達(dá)1 850 m時(shí)，連接拋棄式探頭與發(fā)射裝置之間的數(shù)據(jù)傳輸導(dǎo)線斷裂，測(cè)量結(jié)束，得到一個(gè)聲速剖面數(shù)據(jù)文件SVP-XCTD，此過(guò)程共耗時(shí)約10 min。圖4為MK-150采集軟件查看原始采集數(shù)據(jù)。如圖4所示。

圖4 MK-150采集軟件查看XCTD原始數(shù)據(jù)

2. 2 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)觀測(cè)得到的原始聲速剖面數(shù)據(jù)，繪制AML PLUS SV聲速剖面儀、溫鹽深剖面儀和拋棄式溫鹽深剖面儀的聲速剖面圖，如圖5所示。

為了進(jìn)一步對(duì)比SVP-XCTD、SVP-CTD與SVP-AML之間的差異性大小，分別對(duì)3個(gè)聲速剖面按深度間隔1 m取一個(gè)樣。然后在對(duì)應(yīng)同一深度處，分別計(jì)算SVP-XCTD與SVP-CTD、SVPXCTD與SVP-AML、SVP-CTD與SVP-AML之間的互差大小。由于誤差的影響，采集的聲速剖面數(shù)據(jù)可能存在尖峰效應(yīng)，即某一時(shí)刻的測(cè)量值偏離實(shí)際值較大，為了剔除誤差導(dǎo)致的測(cè)量異常值，采用中值平均濾波法對(duì)聲速剖面互差數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，可有效的剔除異常值及平滑聲速剖面互差曲線，結(jié)果見圖6。最后，分別統(tǒng)計(jì)每組互差值的最大值、最小值、均值以及標(biāo)準(zhǔn)差（表2）。

圖5 AML聲速剖面儀、溫鹽深儀與拋棄式溫鹽深儀獲得的聲速剖面

圖6 SVP-XCTD與SVP-AML、SVP-XCTD與SVP-CTD、SVP-CTD與SVP-AML互差

表2 XCTD與AML、XCTD與CTD、CTD與AML之間的聲速互差統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)果與討論

3. 1 不同聲速剖面間互差對(duì)水深測(cè)量的影響

從圖6中可以看出，SVP-XCTD與SVP-CTD的互差值總體較小，在200 m深度附近處，互差波動(dòng)較大，200 m深度以下，互差趨于穩(wěn)定。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明：最大值0.56，最小值-0.66，平均值-0.10，標(biāo)準(zhǔn)差0.15（表2）。SVP-XCTD與SVP-AML的互差最大值0.91，最小值-0.66，均值-0.18，標(biāo)準(zhǔn)差0.27（表2）。SVP-CTD與SVP-AML的互差最大值0.88，最小值-0.52，均值-0.36，標(biāo)準(zhǔn)差0.19（表2）。雖然對(duì)聲速互差值進(jìn)行了中值平均濾波，但是從圖6中仍可以看出，在深度180～300 m之間，XCTD、CTD與AML的聲速互差值仍存在一些的異常值，導(dǎo)致聲速互差曲線跳動(dòng)較為明顯。結(jié)合圖5中三者的聲速剖面，深度約200 m附近正好位于聲速躍層界面。單獨(dú)提取XCTD與CTD的溫度與鹽度數(shù)據(jù)，繪制溫度、鹽度隨深度變化的響應(yīng)曲線（圖7），在深度約200 m附近，同樣也是溫度與鹽度變化較大的躍層界面。因此，推測(cè)這些互差值異常可能是在溫度、鹽度的躍層內(nèi)，不同設(shè)備傳感器的響應(yīng)時(shí)間不同、深度計(jì)算公式的誤差或傳感器本身的測(cè)量誤差引起的。在深度約300 m以下，三者的互差值趨于穩(wěn)定。其中，SVP-CTD與SVP-AML的互差值無(wú)明顯波動(dòng)。而SVP-XCTD與SVP-AML、SVP-XCTD與SVP-CTD在深度約200 m以下，互差值在-0.7～1 m/s之間呈不規(guī)則的曲線波動(dòng)。

為了確定CTD和XCTD觀測(cè)得到的聲速剖面與聲速剖面儀獲得的聲速剖面之間的差值對(duì)水深測(cè)量的影響，首先對(duì)水深進(jìn)行分層，淺水區(qū)由于聲速變化較大，分層間隔50 m、100 m，深水區(qū)聲速呈線性變化，分層間隔200 m、400 m，然后利用每層的水深值除以聲速剖面儀在該層底界面獲得的聲速，得到聲波在該水深層傳播時(shí)間，利用該傳播時(shí)間乘以聲速互差值，最終得到該水深層聲速互差值引起水深誤差（表3）。從表中可以看出，在2 400 m水深層，差值引起的水深變化最大為0.130 9 m。在多波束水深測(cè)量過(guò)程中，聲速剖面的分層遠(yuǎn)小于400 m，該差值對(duì)水深測(cè)量結(jié)果的影響可忽略不計(jì)，使用XCTD與CTD獲得的聲速剖面數(shù)據(jù)完全滿足水深調(diào)查的要求。

圖7 XCTD與CTD溫度、鹽度隨深度變化的響應(yīng)的曲線

表3 不同聲速剖面間互差對(duì)水深測(cè)量的影響

續(xù)表3

3. 2 CTD與XCTD在多波束水深測(cè)量中的應(yīng)用

目前，在多波束水深測(cè)量過(guò)程中，多使用聲速剖面儀直接觀測(cè)聲速剖面。測(cè)量時(shí)需要停船，然后通過(guò)絞車投放聲速剖面儀。在遠(yuǎn)海，水深多達(dá)6 000 m左右，投放回收一次約5 h，耗費(fèi)船時(shí)較多。同時(shí)，海洋調(diào)查規(guī)范要求，在1°×1°范圍內(nèi)至少應(yīng)有3個(gè)全海深的聲速剖面，而當(dāng)聲速剖面變化較大時(shí)，還需要進(jìn)行補(bǔ)測(cè)，這往往需要耗費(fèi)大量寶貴的船時(shí)。同時(shí)，海上調(diào)查作業(yè)大多是一個(gè)綜合性的作業(yè)過(guò)程，不僅僅包括多波束水深調(diào)查，往往還包括海洋地球物理調(diào)查（海洋重力、磁力調(diào)查）以及海洋水文調(diào)查（CTD、ADCP調(diào)查）等。

根據(jù)CTD與XCTD的特點(diǎn)，CTD的測(cè)量深度最大可達(dá)10 000 m，滿足全海深測(cè)量要求，進(jìn)行全海深的聲速剖面測(cè)量時(shí)，可考慮使用CTD進(jìn)行測(cè)量。但是CTD的缺點(diǎn)是需要停船進(jìn)行測(cè)量，耗費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)，水深2 000 m時(shí)測(cè)量一次聲速剖面數(shù)據(jù)大約需要100 min。XCTD的測(cè)量深度最大只有2 000 m，比CTD的測(cè)量深度要小許多。但是XCTD的優(yōu)點(diǎn)是不需要停船即可進(jìn)行聲速剖面的測(cè)量，水深2 000 m時(shí)只需10 min的時(shí)間即可完成一次聲速剖面的測(cè)量。

在海上調(diào)查作業(yè)過(guò)程中，為了節(jié)約船時(shí)，可以考慮在含有CTD調(diào)查的航次中，在滿足設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上，通過(guò)合理布設(shè)CTD站位，使用CTD代替聲速剖面儀間接測(cè)量聲速剖面，以減少聲速剖面儀投放次數(shù)。由于XCTD具有不用停船、作業(yè)時(shí)間短、效率高的優(yōu)點(diǎn)，但是其測(cè)量深度最大為2 000 m，所以，在多波束水深調(diào)查過(guò)程中，當(dāng)聲速剖面變化較大，需要補(bǔ)充聲速剖面測(cè)量時(shí)，可在非停船作業(yè)狀態(tài)下通過(guò)投放XCTD間接測(cè)量獲得聲速剖面數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)XCTD、CTD和聲速計(jì)獲取的聲速數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，得出以下結(jié)論：

（1）不同聲速剖面間互差引起的水深變化最大為0.130 9 m。該差值對(duì)水深測(cè)量結(jié)果的影響可忽略不計(jì)，使用XCTD與CTD獲得的聲速剖面數(shù)據(jù)完全滿足水深調(diào)查的要求；（2）在海上多波束水深調(diào)查作業(yè)過(guò)程中，當(dāng)有CTD調(diào)查作業(yè)時(shí)，可通過(guò)合理布設(shè)CTD站位，使用CTD間接測(cè)量得到的聲速剖面代替聲速剖面儀直接測(cè)量得到的聲速剖面；當(dāng)需要補(bǔ)充聲速剖面測(cè)量時(shí)，在非停船作業(yè)狀態(tài)下投放XCTD間接測(cè)量聲速剖面，可提高海上多波束水深調(diào)查作業(yè)的效率。