投棄式海洋儀器設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀

石新剛 蘇強

(第七一四研究所，北京，100012)

投棄式海洋儀器設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀

石新剛 蘇強

(第七一四研究所，北京，100012)

從投棄式海洋儀器設(shè)備的分類、測量原理、系統(tǒng)工作原理談起，闡述了國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，對比了國內(nèi)外投棄式海洋儀器設(shè)備的主要差距，總結(jié)了我國需要加強研究的方向。

投棄式海洋儀器設(shè)備；測量原理；系統(tǒng)工作原理；國內(nèi)外差距

投棄式海洋儀器設(shè)備是一種一次性使用，可在搭載平臺（船、飛機、潛艇等）航行狀態(tài)下進行海洋環(huán)境參數(shù)剖面測量的儀器設(shè)備，它具有實時、快速、大面積和低成本的特點，廣泛應(yīng)用于海洋調(diào)查、科學(xué)研究及軍事海洋領(lǐng)域。

1 關(guān)鍵技術(shù)及其分類

投棄式海洋儀器設(shè)備雖經(jīng)過多年的發(fā)展，但關(guān)鍵技術(shù)僅美日等少數(shù)國家掌握，可能的關(guān)鍵技術(shù)有繞線技術(shù)、信號處理技術(shù)、浮筒數(shù)據(jù)動態(tài)數(shù)傳技術(shù)等。經(jīng)過多年的發(fā)展，投棄式海洋儀器設(shè)備已經(jīng)擁有船載、機載和潛艇載三大系列，每個系列又可按照測量要素分為溫深儀、溫鹽深儀、海流計和聲速儀。圖1中，XBT為船載投棄式溫深儀，XCTD為船載投棄式溫鹽深儀，XSV為船載投棄式聲速儀，XCP為船載投棄式海流計；名稱以A開頭的為機載系列，以SS開頭的為潛艇載系列。

圖1 投棄式海洋儀器設(shè)備分類

2 測量原理

2.1 投棄式溫鹽深（溫深）儀測量原理[1-3]

投棄式溫鹽深（溫深）儀是通過熱敏電阻進行溫度測量，通過四電極法或電磁感應(yīng)法進行電導(dǎo)率測量，通過探頭下降的速度和時間計算海水深度。

2.2 投棄式海流計測量原理[4-5]

海水在流動中會切割地磁場磁力線，并產(chǎn)生感生電動勢和感生電場，在地磁場穩(wěn)定的情況下，電動勢的大小主要取決于海流速度。因此，通過測量海水感生電動勢的大小就可以得到海水流速信息，感生電動勢通過探頭攜帶的電極測量得到。投棄式海流計就是基于該原理設(shè)計的，屬于電磁海流計的一種。

2.3 投棄式聲速儀測量原理

投棄式聲速儀采用環(huán)鳴法（即脈沖循環(huán)法）傳感器進行聲速測量，并且通過探頭下降的速度和時間來計算海水深度。

3 系統(tǒng)工作原理

3.1 船載投棄式系統(tǒng)工作原理

韭菜炒雞蛋做了整整熱氣騰騰的一大盤子。我也沒客氣，便風(fēng)卷殘云般地一氣吃了個底朝上。吃罷抹了一把嘴，似乎便一切萬事俱備，只欠東風(fēng)了。

船載投棄式包括船載投棄式溫深儀、溫鹽深儀、聲速儀和海流計。前三者系統(tǒng)工作原理相同，均由發(fā)射裝置、探頭、數(shù)據(jù)傳輸漆包線（探頭與發(fā)射裝置之間）和數(shù)據(jù)采集器組成。探頭由船載發(fā)射裝置發(fā)射入水，實時進行海水溫度與電導(dǎo)率信號采集，數(shù)據(jù)信號通過數(shù)據(jù)傳輸漆包線（銅線）傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集器。探頭內(nèi)部和發(fā)射裝置中分別有一個傳輸線線軸，隨著探頭的下降，兩個線軸自然展開。當(dāng)導(dǎo)線達到最大長度后，導(dǎo)線拉斷，探頭沉入海底，測量結(jié)束。

圖2 船載投棄式溫（鹽）深儀和聲速儀系統(tǒng)工作原理示意圖

船載投棄式海流計不同于前三者之處在于投棄式海流計探頭通常采用自由下沉方式，因此由發(fā)射裝置、探頭、浮筒、數(shù)據(jù)傳輸漆包線（探頭與浮筒之間）和數(shù)據(jù)采集器組成。浮筒投放到海面，感應(yīng)到海水后，觸發(fā)釋放探頭，探頭在自身重力作用下拖著漆包線快速旋轉(zhuǎn)下沉，測量數(shù)據(jù)通過漆包線實時傳輸?shù)剿娓⊥矁?nèi)，再由浮筒內(nèi)無線裝置轉(zhuǎn)發(fā)至船載無線數(shù)據(jù)采集器。探頭到達海底后，漆包線自動斷開，測量結(jié)束。

圖3 船載投棄式海流計系統(tǒng)工作原理示意圖

3.2 機載投棄式系統(tǒng)工作原理

機載投棄式包括機載投棄式溫深儀、溫鹽深儀、聲速儀和海流計。該類設(shè)備系統(tǒng)工作原理與船載投棄式海流計基本相同，差別之處在于機載式的浮筒在空中下落階段需降落傘進行減速。

圖4 機載投棄式系統(tǒng)工作原理示意圖

3.3 潛艇載投棄式系統(tǒng)工作原理

潛艇載投棄式包括潛艇載投棄式溫深儀、溫鹽深儀和聲速儀。該類系統(tǒng)由發(fā)射裝置、浮筒、探頭、數(shù)據(jù)傳輸漆包線（探頭與發(fā)射裝置之間）和數(shù)據(jù)采集器組成，浮筒由潛艇尾部發(fā)射裝置發(fā)射，當(dāng)浮筒上浮出海面，感應(yīng)到空氣時，觸發(fā)釋放探頭，探頭在自身重力作用下，拖著漆包線快速旋轉(zhuǎn)下沉，測量數(shù)據(jù)通過漆包線實時傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集器。探頭內(nèi)部和發(fā)射裝置中各有一個傳輸線軸，隨著探頭的下降，兩個線軸自然展開。探頭到達海底后，漆包線自動斷開，測量結(jié)束。

圖5 潛艇載投棄式系統(tǒng)工作原理示意圖

4 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀(jì)30年代，國外開始船載投棄式海洋儀器設(shè)備研制，最早研發(fā)成功XBT，接著相繼研發(fā)成功XCTD、XSV和XCP。在此基礎(chǔ)上，發(fā)展形成了譜系化的船載、機載和潛艇載系列設(shè)備。投棄式海洋儀器設(shè)備研制生產(chǎn)公司主要有兩家，分別是美國洛克希德馬丁斯皮坎公司（Lockheed Martin Sippican）和日本鶴見精機有限公司（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水平，其產(chǎn)品基本壟斷了全球市場，核心技術(shù)對外封鎖。

國內(nèi)投棄式海洋儀器設(shè)備研究始于上世紀(jì)80年代，經(jīng)過多年的努力，基本掌握了XBT的設(shè)計技術(shù)和制造工藝，國家海洋技術(shù)中心、中科院聲學(xué)所東海站、西安天和防務(wù)公司等單位已經(jīng)實現(xiàn)XBT產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。同時，國家海洋技術(shù)中心、山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所等多家單位已經(jīng)展開XCP、機載、潛艇載系列設(shè)備研究，但是由于浮筒動態(tài)數(shù)傳技術(shù)、繞線工藝、信號處理技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)尚未突破，研究進展緩慢。

5 國內(nèi)外差距

雖然國產(chǎn)XBT已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，部分其它投棄式設(shè)備樣機已經(jīng)研制成功，但與國外同類產(chǎn)品相比還存在著一定的差距。

5.1 技術(shù)方面

目前就投棄式測量技術(shù)來說，美國Sippican公司和日本TSK公司處于世界領(lǐng)先水平。它們已經(jīng)開發(fā)出溫深儀、溫鹽深儀、聲速儀和海流計四類產(chǎn)品，形成了機載、船載和潛艇載三個系列。僅Sippican公司的船載XBT系列就有8種以上適用于不同深度和不同航速的型號產(chǎn)品，采集頻率從10～20 Hz，測量深度從200～1 830 m，適用航速從6～30 kn，而國產(chǎn)XBT還未有成系列產(chǎn)品。

5.2 比測試驗方面

美國海軍海洋系統(tǒng)研究中心的報告指出，自上世紀(jì)70年代開始，美國就開展了XBT與CTD的比測試驗，比測數(shù)量達2 000多枚[6]。90年代初，政府間海洋委員會（ΙOC）支持的項目組也與制造商合作在不同海域進行了多項XBT/CTD的比測試驗[6-7]，試驗海區(qū)遍及太平洋、大西洋和印度洋。而國內(nèi)截止2011年比測數(shù)量不足500枚[3]。

5.3 投放成功率方面

美國Sippican公司在2008年的一篇《關(guān)于XBT設(shè)計生產(chǎn)及質(zhì)量》報告[8]中指出，2001年以后，該公司的投棄式海洋儀器設(shè)備在百慕大海域的平均投放成功率達到了95%以上。而國產(chǎn)XBT，盡管通過多年來的技術(shù)攻關(guān)，其性能指標(biāo)已經(jīng)達到國外同類產(chǎn)品的水平，但在南海海域投放的平均成功率也僅有64%左右[3]。

5.4 可靠性研究方面

早在上世紀(jì)90年代初，澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織（CSΙRO）就發(fā)布了XBT質(zhì)量控制手冊，詳述了XBT系統(tǒng)可能的故障模式[9]。2000年3月，在隨機觀測船計劃（SOOP）研討會上，V Philbrick提交了一份關(guān)于1997年產(chǎn)XBT在1998年海試情況的報告[10]，對投放情況和故障類型進行了匯總。結(jié)果顯示國外XBT工藝成熟，產(chǎn)品可靠性高，造成其失效的主要原因是外部因素和使用方法。而國內(nèi)至今尚未對投棄式海洋儀器設(shè)備展開故障模式、影響及危害性分析研究。

6 總結(jié)

近年來，盡管我國在投棄式海洋儀器設(shè)備領(lǐng)域取得了良好進展，但與國外差距仍然較大，開發(fā)方面需要加強投棄式探頭（特別是XCP、XSV）和機載、潛艇載系列投棄式海洋儀器設(shè)備的技術(shù)和方法研究，并加強可靠性研究，加大比測試驗力度，形成方便可靠的系列產(chǎn)品。

[1]武玉華.XCTD定標(biāo)方法研究[J].海洋技術(shù),2007,26(2):14-16.

[2]武玉華.XCTD溫度和電導(dǎo)率傳感器技術(shù)研究[D].國家海洋技術(shù)中心,2007.

[3]方芳.投棄式溫度剖面測量儀（XBT）可靠性研究[D].國家海洋技術(shù)中心,2011.

[4]郭麗娟.投棄式海流剖面測量系統(tǒng)研究[D].河北工業(yè)大學(xué),2009.

[5]張啟升,鄧明,劉寧,等.投棄式海流電場剖面儀研制[J].地球物理學(xué)報,2013,56(11):369-370.

[6]ANDERSON E R.Expendable bathythermograph (XBT) accuracy studies[R].Technical Report 550.Naval ocean Systems Center,1980.

[7]HANAWA K,RUAL P,BAΙLEY R.Calculation of new depth equation for expendable bathythermographs using a temperature-error-free method (Application to Sippican/TSK T7,T6 and T4 XBTs)[C].Ιntergovernmental Oceangraphic Commission (ΙOC) Technical Series,1994:1-46.

[8]HANAWA K,RUAL P,BAΙLEY R,et al.A new depth-time equation for sippican or TSK T7,T6 and T4 expendable bathythermographs (XBT)[J].Deep-Sea Res.1995,Part Ι,42(8):1423-1451.

[9]BAΙLEY R,GRONELL A,PHΙLLΙPS H.CSΙRO cookbook for quality control of expendable bathythermograph (XBT) data[M].CSΙRO Marine Laboratories Report,1994.

[10]PHΙLBRΙCK V.Examination of XBT data from ‘97 probes[R].Ιn La Jolla SOOP Status Reports.SOOP Scientific and Technical Developments.2009:155-165.