CTD

CTD技术 1．CTD测量技术

1.1 CTD测量技术简介 K=K（R）

对于海水CTD参数的测量，可以归结到一种物理量的测量。例如，由传感器测量响应的电阻的变化来完成。简而言之，电导率C与一定海水水柱的电阻有关（C=K），可以通过流过电导池的海水的电阻随海洋环境（海水的温度、压力和盐度）的变化来提取。温度的变化通过热敏电阻反映海水的温度T（K=T）。而深度D一般通过压力测量，根据数学关系进行计算。而压力P（K=P）的测量采用应变式硅阻随深度变化取得。 实际上传感器感应的海水CTD参数，通过转换电路的输出为电信号。一般说来传输特性为一高次多项式。

为取得传感器的定标方程，要求严格的试验程序： 第一，需要足够精度的测试设备。 第二，权威的计量标准。

第三，根据传感器与定标设备，设计测量方案，制定操作步骤，测量取数。 第四，进行符合传感器物理特性的定标方程的拟合。

―九五‖―863‖高精度CTD剖面仪的定标水槽，采用直850mm，深度1300mm，控温精度十万分之一度（0.000001°C），水平温场和垂直温场不均匀度均达到0.0003°C。利用精度为0.001°C的基准铂电阻温度计，由F18电桥测温，由水三相点和镓熔点的温度校准。使用8400B实验室盐度计来测量盐度，由国际一级标准海水校验。利用十万分之五的活塞度压力计对于压力传感器进行测压。根据传感器研制测试经验，设计了定标试验的操作步骤。取得高精度CTD剖面仪传感器的定标方程。下面给出了高精度CTD剖面仪的传感器定标方程。

1.22 CTD 测量技术研究

CTD剖面仪研制是CTD 测量技术核心。研制过程大致分为如下几步：传感器研制，系统安装，信号采集，数据处理。

第一 传感器研制为关键。概括分为几个过程：敏感元件研制，转换电路研制和测试定标设计实施。

首先，制作敏感元件包括生产、测试与开发应用研究。设计技术指标，优化结构，选择材料，制定工艺和测试方法。由专业厂生产。经测试后，进入海洋环境的应用开发。解决耐压、水密、防腐问题，解决电气特性与时间常数以及快速响应与封装材料工艺设计等。并且完成性能测试如：温度稳定性试验，高分辨率精度试验，干扰屏蔽性能测试等。―九五‖―863‖研制的高精度CTD剖面仪的传感器为：封闭式电极式电导率传感器，热敏电阻温度传感器和石英数字压力传感器[1]。

然后，设计转换电路。根据传感器的特点，确定电路形式：振荡器为频率输出，或者A/D转换为数码输出。对于高精度快速响应的一般采用前者。而对于低功耗的设计多选择后者。需要解决的是噪声干扰和温度漂移问题。通过运用电路技术如：设计反馈网络、试验接地接零，屏蔽外界干扰，建立模拟或数字化补偿机制等措施。确保传感器输出信号稳定。―九五‖―863‖研制的高精度CTD剖面仪，转换电路采用了经典的文氏振荡器内核，辅助以电路稳定技术：反馈、补偿等[1]。

最后，在完成敏感元件制造与转换电路调试基础上，进行传感器性能试验以及定标测试。建立试验环境、专用测试设备和CTD测试标准。借助大型恒温海水水槽，依据传感器的物理特性，制定测试方法，通过一定的测试流程、观测点选取和数据采集，建立传感器数据处理的数学和定标方程。―九五‖―863‖研制的高精度CTD剖面仪的定标恒温设备和测量标

准是具有世界水平的大型恒温海水槽，水平温场和垂直温场稳定度为万分之三摄氏度，一等铂电阻温度计通过F18电桥测温，由 8400B实验室盐度计产量电导率，而运用十万分之五的双火塞压力计进行压力测试[1]。

第二 系统安装，不仅采用耐压、水密和防腐材料，而且要考虑加工和特殊性能处理。对于海洋剖面仪的工作环境，系统安装对于传感器测量性能关系密切，布放方法和动态的海洋环境特点，一般应通过硬件和程序设计，同时，传感器的稳定性与海水特性（物理的、化学的等）影响以及用户对传感器的专门维护不可分割。 ―九五‖―863‖研制的高精度CTD剖面仪设计了专门结构（如海水流经路线）与维护方案（如电导池清洗流程）[4]。

第三 信号采集。对于传感器信号的采集传输，关键在于振荡器频率的高分辨率采集。一般设计专用逻辑线路，如混合周期计数器来实现。而传输通讯，针对海水电导率、温度和压力传感器信号的特性，设计硬件逻辑语言（HDL）和有结构定义的固定的数据格式。―九五‖―863‖研制的高精度CTD剖面仪开发了复杂可编程逻辑器件采集频率信号，采集精确度达到到±0.05Hz。制定了通讯命令，对于采集处理后的存储回放数据进行归档整理，按帧进行（数据状态采水帧）定义。实现了FLASH（8MB）存储器，资源分配合理，传输达到高可靠低误码率的效果[5]。

第四 数据处理，根据传感器定标方程，和海洋稳定特性首先标志奇异数组，根据传感器结构和安装条件消除盐度尖锋，压力效应和温度效应等。并且对于电导池热惯性，温度传感器结构与海水粘滞效应进行订正[1]。（图表 数据曲线）

2．CTD测量技术现状

目前，CTD剖面仪的温度传感器，广泛采用是热敏电阻或者铂电阻。热敏电阻的阻值（R0）较大，灵敏度高，温度的传输函数为指数线性。易于制作，一般为珠状或片状，稳定度达到0.001° C/年，响应时间60ms。铂电阻最大特点是温度的传输函数是线性，铂的性能稳定。缺点是同样尺寸的铂电阻阻值（R0）比热敏电阻小。精度和稳定性两者相差无几。目前CTD剖面仪的温度传感器几乎都采用了热敏电阻。

电导率传感器主要为电极式和感应式，标称精度均为0.001mS/cm。两种传感器互为伯仲，各有所长，时起时落循环不息。一般说来，电极式测量精确度高，抗干扰能力强。但是时间常数大，易污染，清洗复杂。感应式的坚固稳定，响应速度快，易清洗，但是易受电磁干扰，精度不高。美国海鸟公司采用电极式电导率传感器，设计了潜水泵强制水流速度，消除盐度尖锋，成果显著。通过温度传感器的时间常数，调节泵流量，实现数字补偿，有独到指出。但是，近来遭到以下海洋微结构研究工作者的质疑，认为潜水泵的介入，破坏了海水的自然状态。由于海鸟公司三电极时间常数较长，意大利的300系列的CTD剖面仪，运用了无泵的大导流口径的7电极与海鸟公司来竞争。 压力传感器多半是应变式与硅阻传感器。近来，硅阻式压力传感器有取代应变式之势。精度在0.1% F.S.。左右。0.01%高精度压力传感器则采用带有温度补偿的石英压力传感器。 2.1

美国CTD测量技术检定设备，无论在质量上还是数量上均名列前茅，仪器精度和种类雄霸世界海洋技术市场。CTD研制生产单位近百家。在我国颇有名气公司如海鸟、 FSI、IO、和YSI等近十家（表一，图一）。20世纪90年代，加拿大贝德副海洋研究所（BIO）对MK3和SBE911两种CTD剖面仪进行海上测试比较，结论是，性能达到WOCE计划的要求[6 ] 。加拿大的CTD仪器则屈指可数，AML、GUIDLIN， BROOK和MATOCEAN公司的CTD、MVP或浮标类CTD仪器。

2.2

日本流行自容式CTD仪器。特点是体积小、重量轻与功耗低。目标面向海洋调查，注重发展链式系留传感器测量技术，而且致力于近岸环境检测与向内河水体物理化学等参数的观测应用。同时，也出现了多功能——结合化学和光学参数测量——传感器综合测量仪器。设计中广泛采用大容量的闪光寄存器，最近向高速采样技术发展。其中ALEC 采用超小型结构设计，令人耳目一新（图二）。 2.3

欧洲的一些发达国家如英国、意大利和挪威等一直进行CTD测量技术的研究活开发。AANDERAA 公司以海流计海洋仪器为主，同时配有CTD传感器，但是一般为修正声速目的，精度偏低。同时也生产一些浅海测量的温度链和温盐链，我国曾大量应用该公司的海洋仪器。后来，来意大利IDRONAUT公司开发了300系列CTD仪器，研制出小型的大口径的7电极电导率传感器，与美国海鸟公司的三电极的911PlusCTD竞争。直接挑战海鸟的带潜水泵的三电极电导率传感器。该种仪器采用压力平衡式的设计，研制特殊的七电极电导池，其导流管的口径、长度与整体结构均与海鸟有显著差别，声称可以消除潜水泵对于测量引起的危害。而且转换电路也一改海鸟振荡器的设计，基本采用A/D转换。2002年7月瑞典的海洋科学工作者弗朗西斯等将意大利IDRONAUT公司OCEAN SEVEN 320CTD与美国SEABIRD公司的SBE911PLUSCTD进行海上测试比较，认为两者性能相近趋势一致。[7] 2.4

现在，我国即将跻身世界CTD测量技术前列。―九五‖―863‖研制成功的高精度CTD剖面仪及其检定设备测量精度与技术指标已经达到或接近世界同类先进水平。2002年5月，由中国海洋大学（当时为青岛海洋大学）东方红2号海洋科学调查船实验室对于高精度CTD剖面仪和美国公司的SBE911PLUSCTD进行海上同船测试，比测结果是测量数据相近，趋势一致[8]。现在，我国的CTD测量技术广泛发展，不仅有自容式、电缆式和电磁耦合式CTD测量仪，同时，还研制了或正在研制的有近海、远洋多种类型的CTD测量仪器。如：船体固定式CTD，拖曳式CTD、抛弃式XCTD、浮标自返式CTD剖面仪等。在精度与稳定性上已经达到或赶上世界先进水平。特别需要指出的是，不仅在价格上具有竞争性，更重要的是，在面向用户服务，根据用户需要及时的改进，仪器维护修理与测试标定等所有的技术支持方面以及技术培训等方面，优于其他国外任何厂家。

3．CTD测量技术发展趋势

CTD测量技术已经和正在广泛深入地应用在海洋科学的宏观研究与微观研究中，并且取得了显著效果。通过极区南大洋严寒海水的调查，发现了海水离开极区流动，形成地转流[9]（geotropic current）；通过国际海洋合作调查，如全球海洋流量实验（WOCE），研究了海气交换与海气耦合作用，发现了影响人类生产生活的重要气候现象——厄尔尼诺现象(El Ni?o)和拉尼那现象( La Ni?a)；海水的应力（strain and shear）对于潜艇进攻防御具有重要影响[10]，海水的温度蒸发与盐度扩散具有因果关系和不同的规律——盐手（saltfinger）现象[11]。在进入海洋世纪的今天，动力海洋，海洋生态，海洋资源的调查开发以及近海海洋的整合治理等，CTD测量技术具有广阔的应用前景。然而，下列技术更值得注意。

3.1小型低耗多功能的CTD仪器市场非常看好

小型低耗CTD仪器适用用于海洋监测，布放的CTD使用周期从1个月，3个月， 1年甚至达到两年。用于ARGO计划的自容CTD剖面仪，一般工作在一年以上，国际上已经

有工作2年以上的报道。ARGO计划的目标要求达到5 年。国内正在进行低功耗CTD测量技术研究。

目前，市场上的小型CTD仪器大小与手电筒可比拟，重量仅几十克。采用５号或更小的电池供电，工作可达到几百天。在开展海洋污染监测中，大量采用该种先进的CTD测量技术。因此，体积大耗电高而又笨重大型仪器将缺乏竞争力。

所谓多功能CTD仪器不仅与化学传感器如pH溶解氧，还有水文、生物和光学传感器。其中将CTD与海流计共同配置日益多见。如与S4电磁海流计一起进行系留测量。上个世纪末，国外已经使用投放式声学多卜勒海流计LADCP——Lowered ADCP[13] [14] 15]。然而，国内正在开展LADCP与CTD剖面仪安装在一起的深海CTDC研究。十五863一期任务中，我所承担了6000米电缆传输式CTDC剖面仪课题，在二期任务中，又联合其他单位承担了以CTDC研究为主的―水下流浪潮综合测量技术‖课题的。

3.2 CTD高速采集测量技术日益重要

高速采集测量技术适用于海洋环境中特殊平台的要求。要求研究短周期海洋剖面的变化规律，如潜艇的攻击、逃逸或悬停等。影响武器发射轨道的海洋剖面变化的有效时间很短，因此需要时间分辨率与空间分辨率均很高。例如为了海水应力研究，模拟水下导弹发射现场状态试验，对于一个500米浅海测量剖面的的测量频率达到500次/天[25]。不仅高频测量，主要的还满足高速采集测量。首先信号采集存储问题，同时海洋测量技术以及与数据处理的有关的海洋学力学材料理论以及数学处理软件，值得一提的是要求具有理论经验的海洋测量的专用人才。

采集速率达到256次，现在一般30次左右。

3.3 CTD高频响应测量技术要求迫切

传统的CTD测量已经无法满足世界海洋事业发展的需要。海洋变化的时间空间的同步或准同步测量日益迫切。解决的方法之一是提高CTD平台载体的速度。如拖曳式CTD剖面仪，拖体航行的速度达到3——6米/秒[12]，抛弃式XCTD下降速度约为6米/秒，固定在船体平台的速度更快，一般在10米/秒以上。目前，一般CTD剖面仪的运行速度为0.5——1.0米秒。几十年来，经过研究，解决了与CTD剖面仪的运行速度想匹配的传感器的时间常数问题，温度电导率时间常数达到60mS左右。 我国拖曳式CTD超过4米/秒。XCTD下降速度6米/秒。对于船体固定式CTD运行速度远大于10米/秒。众所周知，―九五‖―863‖的高精度CTD剖面仪下放速度2节约0.5到1米/秒左右。温度电导率时间常数达到70mS左右。市场上出售的拖曳式CTD，几乎全部为仪器经销商组装的，简单的将采购的CTD剖面仪与用户指定的拖体拼凑为一个一个整体，传感器的响应时间与传统CTD完全一样。不仅如此，XCTD或船体固定式CTD盖莫能外，传感器响应时间与传统CTD完全一样，只是平台速度提高而已。在高速测量平台下传感器的响应速度并没有加快。因而迫切要求研究CTD高频响应测量技术，解决提高传感器的响应速度的问题。随着传感器时间常数减小，对于材料结构，特别是制造工艺设计、测试环境和测试设备以及数据处理将提出更高要求。

4．结论

首先，以―九五‖―863‖成果高精度CTD剖面仪为基础，进行标准化产品定型，尽快占据市场。同时，开发系列化CTD产品，满足海洋事业日益增长的需要。最后，完成建立研发推销技术支撑体系，实现为我国海洋开发服务目标，并且努力面向世界发展。

参考文献

[1] 张兆英，高精度CTD剖面仪研制中的问题与对策 ，海洋技术 第一期，2001年。 [2] 王云泉 李红志， 高精度CTD剖面仪电导率传感器的研究和实验， 海洋技术 第一期，2001年。

[3] 吴明钰，李建国，高精度CTD剖面仪温度传感器， 海洋技术 第一期，2001年。 [4] 王欣，高精度CTD剖面仪研制过程中的专用设备， 海洋技术 第一期，2001年。 [5] 杜英华，―CPLD在数据采集系统中的应用，海洋技术 第一期，2001年。

[6] R. M. Hendry, Bedford Institute of Oceanography CTD trials, Canada Technical Report of Hydrography and Ocean Science, April 1992. [7] Fran?ois Nyffeler et al, A practical comparison between Seabird SBE911 and Ocean Seven 320 CTD probes, University of Neuchatel，Switzerland, June 2002.

[8]东方红船舶中心，高精度CTD剖面仪使用报告，中国海洋大学，2002,5。

[9] P. J. H. SUTTON et al, Absolute geotropic currents in the East Auckland Current region, New Zealand Journal of Marine and Freshwater Research, 2002, Vol. 36: 751–762.

[10] Jeffrey Sherman et al, Estimates of vertical wave-number-frequency spectra of vertical shear and strain, Journal of Physical Oceanography, August 1990.

[11] Gargett, A. E., & Schmitt, R.W. (1982), Observations of salt fingers in the central waters of the eastern North Pacific. Journal of Geophysical Research, 87(C10).

[12] Jack Barth et al, SeaSoar Observations During Coastal Mixing and Optics, College of Oceanic and Atmospheric Sciences, Oregon State University, 1997.

[13] Eric Firing, Lowered ADCP Development and Use in WOCE，International WOCE Newsletter, Number 30, March 1998.

[14]Cunningham, S. A. et al (1997), Comparison of bottom-tracking and profiling LADCP data. in a section across the ACC at Drake Passage. International WOCE Newsletter, 26, 39–40. .

[15] Polzin, K., and E. Firing (1997), Estimates of diapycnal mixing using LADCP and CTD data from I8S. International WOCE Newsletter, 29, 39–42

原文链接: http://www.shuigongye.com/company/aera/paper/3-A49F-F0BDB5AA5D4A.html

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