基于超高精度激光追蹤原理的海水潮位計(jì)量檢測技術(shù)的研究

朱麗萍，胡 波，于小焱

（國家海洋標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量中心，天津 300112）

氣候變暖和海平面上升會(huì)對(duì)人類社會(huì)造成嚴(yán)重影響。近年來，世界范圍內(nèi)各國政府、社會(huì)團(tuán)體和科學(xué)界關(guān)注著海平面上升及其對(duì)海岸帶造成的影響。1989 年，美國科學(xué)院院長Frank Press 指出：“海岸帶管理應(yīng)當(dāng)考慮將來海平面上升”[1]。目前，據(jù)政府間氣候變化委員會(huì)（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）提供的數(shù)據(jù)顯示，未來100 年，全球海平面上升率的最佳估計(jì)值分別為：1990—2030 年，4.5 mm/a；2031—2070 年，6.5 mm/a。國家測繪總局對(duì)過去數(shù)十年來的數(shù)據(jù)估計(jì)顯示，我國海平面平均上升率約為1.4 mm/a，各地相對(duì)海平面差別很大[2]。

潮汐是重要的海洋物理要素之一，海平面上升直接關(guān)系著潮汐觀測數(shù)據(jù)[3]。驗(yàn)潮儀（水位計(jì)）則主要用于海洋、河流和湖泊湖位（水位）的測量，根據(jù)測量原理的不同，可分為浮子式、壓力式和聲學(xué)式3 種[4]。為了提高我國海洋潮位觀測水平，需要開展驗(yàn)潮儀（水位計(jì)）的計(jì)量檢測技術(shù)研究，研制符合要求的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器和裝置。海洋潮位計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備是我國海洋潮位量值的傳遞源頭，其技術(shù)指標(biāo)的大小直接影響我國海洋潮位數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對(duì)海洋預(yù)報(bào)、工程建設(shè)等涉海業(yè)務(wù)的科學(xué)發(fā)展帶來嚴(yán)重影響，且具有重要意義。

經(jīng)實(shí)地調(diào)研，國外驗(yàn)潮儀（浮子式）多采用固定水尺法，通過對(duì)比試驗(yàn)對(duì)潮位儀進(jìn)行校準(zhǔn)。我國驗(yàn)潮儀則主要在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，通過驗(yàn)潮儀檢定裝置進(jìn)行標(biāo)定。裝置主要由檢定水塔、貯水池、電荷耦合器件（Charge Couple Device，CCD）攝像頭、因瓦標(biāo)準(zhǔn)尺、控制系統(tǒng)等組成。因瓦標(biāo)準(zhǔn)尺作為主標(biāo)準(zhǔn)器，通過CCD 攝像頭讀取當(dāng)前水位對(duì)應(yīng)因瓦標(biāo)準(zhǔn)尺刻度作為水位標(biāo)準(zhǔn)值。目前，我國已建驗(yàn)潮儀檢定裝置共4 家單位，包括國家海洋標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量中心和3 個(gè)分站（北海標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量中心、東海標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量中心和南海標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量中心），4 家單位檢定裝置的主標(biāo)準(zhǔn)器及檢定裝置的技術(shù)指標(biāo)一致。國家海洋標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量中心于1996 年獲得授權(quán)并開展相關(guān)計(jì)量檢定業(yè)務(wù)，3 個(gè)分站目前還未獲得授權(quán)，未開展相關(guān)業(yè)務(wù)。

受多個(gè)因素的影響，驗(yàn)潮儀檢定裝置在技術(shù)指標(biāo)和硬件配置等方面存在一定的不足。研制一種精度高、測量結(jié)果不受外界環(huán)境影響的技術(shù)/檢測裝置是當(dāng)前的迫切需求?；谏鲜鲆?，激光追蹤測距技術(shù)的高精度、斷光路再續(xù)、自動(dòng)追蹤等特點(diǎn)能夠滿足上述要求。因此，本文提出一種基于超高精度激光追蹤技術(shù)的潮位儀檢測新裝置。利用該檢測裝置能夠極大地消除環(huán)境、設(shè)備和實(shí)驗(yàn)人員帶來的影響，并將技術(shù)指標(biāo)由U=2 mm，k=2[5]（U 為擴(kuò)展不確定度，k 為包含因子）提高至U=0.86 mm，k=2，以更好地滿足未來驗(yàn)潮儀（水位計(jì)）檢測技術(shù)的發(fā)展需求。

1 驗(yàn)潮計(jì)量檢測技術(shù)

目前，實(shí)驗(yàn)室所使用的驗(yàn)潮儀檢定裝置由國家海洋標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量中心研制，1996 年通過國家計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核，成為社會(huì)公用計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。該驗(yàn)潮裝置廣泛地服務(wù)于各涉海部門和機(jī)構(gòu)，為新制造和使用中的浮子式驗(yàn)潮儀（水位計(jì)）、壓力式驗(yàn)潮儀（水位計(jì)）和聲學(xué)式驗(yàn)潮儀（水位計(jì)）提供檢定和校準(zhǔn)服務(wù)。

1. 1 驗(yàn)潮儀檢定裝置簡介

驗(yàn)潮儀檢定裝置由高9 m、直徑1 m 的檢定水塔、室外貯水池、CCD 攝像頭、因瓦標(biāo)準(zhǔn)尺、控制系統(tǒng)等組成，驗(yàn)潮儀檢定裝置構(gòu)成示意圖（圖1）。

圖1 驗(yàn)潮儀檢定裝置構(gòu)成示意圖

檢定過程中，通過控制系統(tǒng)對(duì)電動(dòng)執(zhí)行器及水泵進(jìn)行控制，使水塔內(nèi)復(fù)現(xiàn)0 ～8 000 mm 水位差。進(jìn)水泵將水從室外貯水池壓入水塔內(nèi)，在水塔底部連接透明軟管，利用連通器原理，透明軟管內(nèi)水位與水塔內(nèi)水位始終保持一致，在透明軟管旁邊垂直放置一個(gè)帶有刻度的因瓦標(biāo)準(zhǔn)尺。實(shí)驗(yàn)人員通過CCD 攝像頭讀取與透明軟管內(nèi)水位對(duì)應(yīng)的因瓦標(biāo)準(zhǔn)尺刻度作為標(biāo)準(zhǔn)水位值，同時(shí)讀取被檢浮子式驗(yàn)潮儀（水位計(jì)）測得值，經(jīng)數(shù)據(jù)處理，兩者進(jìn)行比較，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)浮子式驗(yàn)潮儀（水位計(jì)）的整機(jī)檢定[6]。

1. 2 驗(yàn)潮儀裝置優(yōu)缺點(diǎn)

當(dāng)前所使用驗(yàn)潮儀檢定裝置的優(yōu)點(diǎn)是能夠通過CCD 攝像頭直觀地讀取/觀測標(biāo)準(zhǔn)水位值，便于對(duì)被檢儀器進(jìn)行檢定，但也存在一定的不足影響數(shù)據(jù)質(zhì)量。

（1）技術(shù)指標(biāo)方面的不足。驗(yàn)潮儀檢定裝置的技術(shù)指標(biāo)（示值誤差評(píng)定的不確定度結(jié)果）為：高度測量范圍0 ～8 000 mm，擴(kuò)展不確定度U=2 mm，k=2。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《浮子式驗(yàn)潮儀》（JJG 587-2016），浮子式驗(yàn)潮儀檢定結(jié)果準(zhǔn)確度等級(jí)符合1 級(jí)時(shí)，最大允許誤差（Maximum Permissible Errors，MPE）為±3 mm。上述兩個(gè)結(jié)果不能嚴(yán)格遵守《測量儀器特性評(píng)定》（JJF 1094-2002）中“示值誤差評(píng)定的測量不確定度對(duì)符合性評(píng)定的影響可忽略不計(jì)的要求：U ≤1/3MPE”的要求。因此如果嚴(yán)格遵守《測量儀器特性評(píng)定》（JJF 1094-2002）的規(guī)定，就必須提高驗(yàn)潮儀檢定裝置的技術(shù)指標(biāo)即示值誤差評(píng)定的不確定度結(jié)果。在被測儀器重復(fù)性不改變的情況下，需要通過提高標(biāo)準(zhǔn)器的技術(shù)指標(biāo)即減小標(biāo)準(zhǔn)器帶來的不確定度分量，達(dá)到提高驗(yàn)潮儀檢定裝置技術(shù)指標(biāo)的目的。

（2）驗(yàn)潮儀標(biāo)準(zhǔn)水位值讀取受外界光線強(qiáng)度影響大。通過CCD 攝像頭讀取標(biāo)準(zhǔn)水位值時(shí)，需要借助室外光線，但光線太強(qiáng)或太弱均會(huì)導(dǎo)致成像效果模糊不清，影響讀取效果，即中午光線最強(qiáng)或傍晚光線最弱時(shí)影響較大。

（3）透明軟管影響讀數(shù)效果。軟管內(nèi)水質(zhì)為與外界大氣相通的自來水，軟管內(nèi)壁易滋生微生物，導(dǎo)致透明度下降，影響攝像頭中的成像效果。為保證透明度，只能頻繁更換水質(zhì)和軟管，不能解決根本問題。

（4）主標(biāo)準(zhǔn)器易生銹，更換成本高。主標(biāo)準(zhǔn)器因瓦標(biāo)準(zhǔn)尺是銦鋼材質(zhì)，長期暴露于潮濕環(huán)境易生銹，影響讀取數(shù)據(jù)的清晰度。3 個(gè)分站地處近海，主標(biāo)準(zhǔn)器生銹情況更為嚴(yán)重。更換主標(biāo)準(zhǔn)器定制工期長、費(fèi)用高。

2 基于激光追蹤技術(shù)的驗(yàn)潮計(jì)量檢測技術(shù)

2. 1 激光追蹤技術(shù)簡介

激光跟蹤測量技術(shù)是一種集合激光干涉測距技術(shù)、光電探測技術(shù)、精密機(jī)械技術(shù)、計(jì)算機(jī)及控制技術(shù)等各種先進(jìn)技術(shù)的高精度、大尺寸、球坐標(biāo)測量技術(shù)，具有測量范圍廣、精度高、實(shí)時(shí)快速等優(yōu)點(diǎn)[7-8]。表1 為美國自動(dòng)精密工程公司（Automated Precision Inc.，API）第四代激光追蹤儀技術(shù)指標(biāo)。

表1 美國API 公司第四代激光追蹤儀主要技術(shù)指標(biāo)

由表1 可見，激光追蹤儀各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)較高，其中長度分辨率達(dá)到0.5 μm，是因瓦標(biāo)準(zhǔn)尺分辨率1 mm 的2×103倍，最大追蹤速度和采樣速率也能更好地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程精準(zhǔn)測量。

2. 2 激光追蹤技術(shù)原理

激光追蹤技術(shù)是通過靶鏡反射、跟蹤反射激光束，實(shí)現(xiàn)對(duì)空間運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的跟蹤測量。激光追蹤技術(shù)測量原理見圖2。

圖2 激光追蹤技術(shù)測量原理

激光跟蹤儀1 投射激光束2 至靶鏡3，靶鏡3將其光束按原路反射回跟蹤儀。激光追蹤儀通過激光干涉儀及2 個(gè)角度編碼器測得被測目標(biāo)的空間距離、水平角和垂直角，然后按球坐標(biāo)測量原理得到空間點(diǎn)的三維坐標(biāo)x,y,z[9]。因此，只要靶鏡接觸或沿著被測目標(biāo)移動(dòng)即可獲得被測目標(biāo)的空間坐標(biāo)。被測目標(biāo)的空間坐標(biāo)由公式（1）～（3）給出[10-11]：

式中：d為被測目標(biāo)的空間距離；α，β為被測目標(biāo)水平方位角和垂直方位角。

2. 3 基于激光追蹤技術(shù)的驗(yàn)潮計(jì)量檢測裝置

激光追蹤技術(shù)具有高精度、斷光再續(xù)、自動(dòng)追蹤等特點(diǎn)，基于上述特點(diǎn)將激光追蹤儀作為驗(yàn)潮儀檢定裝置的主要計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器，經(jīng)理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)浮子式驗(yàn)潮儀（水位計(jì)）的計(jì)量檢定?；诩す庾粉櫾淼某蔽粰z測新裝置構(gòu)成示意圖見圖3。

圖3 基于激光追蹤原理的潮位檢測新裝置構(gòu)成示意圖

在水塔底部連接一個(gè)不銹鋼管，與水塔組成連通器。不銹鋼管直徑不少于20 cm，用于放置固定靶鏡的浮體。通過控制系統(tǒng)對(duì)電動(dòng)執(zhí)行器及水泵進(jìn)行控制，使水塔內(nèi)復(fù)現(xiàn)0 ～8 000 mm 水位差。進(jìn)水泵將水從貯水池壓入水塔內(nèi)，水面穩(wěn)定后，激光追蹤儀測算當(dāng)前水位值作為標(biāo)準(zhǔn)水位值，讀取被檢浮子式驗(yàn)潮儀（水位計(jì)）水位值，實(shí)現(xiàn)整機(jī)檢定。

每1 000 mm 作為一個(gè)檢定點(diǎn)，第一個(gè)檢定點(diǎn)為200 mm 附近。當(dāng)水面緩慢上升至檢定點(diǎn)，穩(wěn)定2 min，激光追蹤儀測量靶鏡空間坐標(biāo)并計(jì)算得到水位值，再移動(dòng)靶鏡位置2 次。取3 次靶鏡不同位置測算的平均值作為當(dāng)前水位標(biāo)準(zhǔn)值；同時(shí)讀取一次浮子式驗(yàn)潮儀的測量值作為儀器示值（被測值）。打開水閥及進(jìn)水泵，水位上升至1 200 mm 點(diǎn)附近，依照上述方法，直至完成0 ～8 000 mm 水位上升過程和下降過程的檢測。為減小測量誤差，每次移動(dòng)靶鏡位置，至少穩(wěn)定2 min 再測量。

3 基于激光追蹤原理的驗(yàn)潮儀計(jì)量檢定裝置不確定度評(píng)定

3. 1 測量模型

式中：Δh為 被檢驗(yàn)潮儀（水位計(jì)）的水位示值誤差；hx為被檢驗(yàn)潮儀（水位計(jì)）的水位示值；hs為 驗(yàn)潮儀檢定裝置的標(biāo)準(zhǔn)水位值。由于hx和hs互不相關(guān)，則：

3. 2 分量計(jì)算

基于激光追蹤技術(shù)的驗(yàn)潮儀檢測新裝置誤差來源：一是被檢儀器測量重復(fù)性引入，二是計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備引入。計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備引入誤差主要是激光追蹤儀測量不確定度帶來的。

3. 2. 1 被檢驗(yàn)潮儀（水位計(jì)） 測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(hx)以浮子式驗(yàn)潮儀（水位計(jì)）SCA11-3A 為例。潮位升高至4 000 mm 校準(zhǔn)點(diǎn)，標(biāo)準(zhǔn)水位值達(dá)到穩(wěn)定后，讀取被校驗(yàn)潮儀（水位計(jì)）示值10 次，利用貝塞爾公式獲得實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差，具體數(shù)據(jù)見表2。

表2 浮子式驗(yàn)潮儀重復(fù)性測量數(shù)據(jù)

水位測量重復(fù)性：

根據(jù)貝塞爾公式，計(jì)算測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為u(hx)=0.42 mm。

當(dāng)被校儀器重復(fù)性引入的不確度分量大于其分辨力引入的不確定分量時(shí)，應(yīng)該用重復(fù)性引入的不確定分量代替分辨力分量，即二者取其較大者。被檢的儀器帶數(shù)字顯示裝置，分辨力為1 mm，其分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為0.29 mm，小于0.42 mm，所以取重復(fù)性引入的不確度分量0.42 mm。

3. 2. 2 計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(hs)以測量半徑為80 m、單聚光動(dòng)態(tài)測量的激光追蹤儀作為主標(biāo)準(zhǔn)器，根據(jù)中國計(jì)量科學(xué)研究院提供的校準(zhǔn)證書顯示最大允許誤差為15 μm +5 μm/m，當(dāng)取長度為10 m 時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為

3. 3 合成不確定度

取包含因子k=2，則擴(kuò)展不確定度為

綜上，以超高精度的激光追蹤儀作為主標(biāo)準(zhǔn)器，驗(yàn)潮儀檢測新裝置的擴(kuò)展不確定度U=0.86 mm，k=2 滿足《測量儀器特性評(píng)定》（JJF 1094-2002）對(duì)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置U≤1/3 MPE 的要求，能夠?qū)Ω呔雀∽邮津?yàn)潮儀（水位計(jì)）量值溯源提供更加可靠的保障。

3. 4 兩種測量原理的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2018 年4 月和2019 年8 月實(shí)驗(yàn)室分別利用當(dāng)前檢定裝置（因瓦標(biāo)準(zhǔn)尺作為主標(biāo)準(zhǔn)器）和新檢測裝置（激光追蹤儀作為主標(biāo)準(zhǔn)器）對(duì)0 ～8 000 mm水位范圍進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，得到水位上升過程的對(duì)比結(jié)果。2018 年對(duì)比結(jié)果見表3，2019 年對(duì)比結(jié)果見表4。表中HY為實(shí)驗(yàn)人員讀取當(dāng)前檢定裝置水位的平均值，HJ為新檢測裝置測算水位的平均值。圖4為兩次對(duì)比數(shù)據(jù)差值絕對(duì)值隨水位值的變化情況。

表3 2018 年試驗(yàn)兩套裝置測得值對(duì)比結(jié)果

表4 2019 年試驗(yàn)兩套裝置測得值對(duì)比結(jié)果

表3 和表4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，隨著水位的升高，除8 000 mm 檢測點(diǎn)外，其他檢測點(diǎn)兩者差值均小于1 mm，說明兩種原理的測量結(jié)果均能較好地顯示當(dāng)前的水位值。從顯示分辨力方面看，新檢測裝置顯示分辨力更高。當(dāng)前檢定裝置的最小分辨力為1 mm，水位數(shù)據(jù)只能精確至整毫米；新檢測裝置最小分辨力為0.5 μm，經(jīng)測算后，水位數(shù)據(jù)可精確至整微米，后者分辨力是前者103倍。結(jié)合技術(shù)指標(biāo)方面看，前者擴(kuò)展不確定度U=2 mm，k=2，后者擴(kuò)展不確定度U=0.86 mm，k=2，后者測量精度是前者測量精度的2 倍多。綜上，新檢測裝置測算的數(shù)據(jù)能更加精確地反映當(dāng)前的水位值。

圖4 是兩種計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器數(shù)據(jù)差值絕對(duì)值隨水位的變化情況。在0 ～8 000 mm 水位范圍，差值絕對(duì)值分別為0.087 ～1.292 mm 和0.153 ～1.834 mm，對(duì)比曲線基本一致。在0 ～6 000 mm 水位范圍內(nèi)，差值絕對(duì)值均小于1 mm，8 000 mm 水位點(diǎn)差值絕對(duì)值相對(duì)較大，分別為1.292 mm 和1.883 mm，經(jīng)分析主要原因是兩次試驗(yàn)進(jìn)行至8 000 mm 水位點(diǎn)時(shí)，接近正午時(shí)分，陽光較強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)人員讀取因瓦標(biāo)準(zhǔn)尺刻度值時(shí)，刻度圖像模糊，影響讀數(shù)效果，也再次驗(yàn)證當(dāng)前裝置讀數(shù)質(zhì)量受外界影響較大；新檢測裝置測量時(shí)，受水面穩(wěn)定度的影響也要考慮，但基于實(shí)驗(yàn)過程中，水位上升過程緩慢，每次讀數(shù)之前水面穩(wěn)定時(shí)間至少達(dá)到2 min，所以可認(rèn)為水面穩(wěn)定度對(duì)該點(diǎn)誤差的影響非常小，可忽略。

圖4 差值絕對(duì)值隨水位值變化圖

4 結(jié) 論

驗(yàn)潮儀檢定裝置的指標(biāo)直接影響著潮位儀（水位計(jì)）的量值溯源結(jié)果。本文指出了當(dāng)前檢定裝置在技術(shù)指標(biāo)和硬件方面的不足。針對(duì)需求，創(chuàng)造性地提出了一種以激光追蹤技術(shù)為主，結(jié)合當(dāng)前檢測裝置配置的潮位計(jì)量檢測新裝置。相比當(dāng)前裝置的技術(shù)指標(biāo)U=2 mm，k=2，新檢測裝置指標(biāo)可提高至U=0.86 mm，k=2，是前者的2 倍多，能夠更好地滿足《測量儀器特性評(píng)定》（JJF 1094-2002）對(duì)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置的要求。

通過對(duì)比2018 年和2019 年兩次現(xiàn)場試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果顯示，相比當(dāng)前的檢定裝置，新檢測裝置能夠更加精確地測算水塔內(nèi)的水位值，且測算結(jié)果不受外界環(huán)境和人為因素的影響；水面穩(wěn)定度的影響非常小，可忽略。所以，基于超高精度激光追蹤原理的海水潮位計(jì)量檢測技術(shù)能夠提高技術(shù)指標(biāo)，彌補(bǔ)硬件不足，更好地滿足未來高精度驗(yàn)潮儀（水位計(jì)）量值溯源需求，對(duì)提升計(jì)量檢測標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)水平，提升我國海洋潮位監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠性，具有重要意義。