柔性海洋CTD传感器发展概述

海洋水文信息对发展和海洋资源探测具有重大作用,温盐深是海洋水文的基本要素。在海洋资源开发与利用中,海洋温盐深数据信息监测具有重要意义。CTD传感器是海水温盐剖面观测的主要仪器,利用CTD传感器可实现对不同深度海水的温度和电导率等参数的测量。近年来,凭借其出色的可拉伸、易贴附等优点,柔性电子传感器既在一定程度上实现了传统刚性传感器的传感性能,又弥补了传统传感器体积、重量大等缺陷,展示出巨大的应用潜力。本文综述了近年来柔性海洋CTD传感器的研究进展,主要包括柔性传感器的工作机理与分类、常用材料、制作工艺,并对现有的柔性海洋CTD传感器的结构、性能和应用平台进行了分析。最后,展望了柔性海洋CTD传感器的发展。

温盐深传感器的研究进展与发展趋势

在气象观测、航海、海洋资源开发和海洋国防建设等领域,温度、盐度和深度是探索海洋环境所需的重要基本物理参数,而用于海洋温盐深(CTD)参数测量的重要仪器——CTD传感器具有极其重要的价值。本文将以CTD传感技术、测量方式和传感器搭载方式这几方面论述CTD传感器的发展历程和研究进展,并对CTD传感器未来的发展方向、发展趋势和应用前景进行展望。

两型国产CTD海上比测试验结果分析

基于目前国内海洋仪器的现状,为了对国产温盐深剖面仪(Conductivity-Temperature-Depth profiler,CTD)的性能和实际使用情况有个量化的结果,在我国南海东北部海域对国内较为成熟且具备产品化条件的两型国产CTD开展第三方独立检验与验证。比测过程中,采用同架捆绑,同步下放的方法进行测量。数据处理时,采用一种简便的移相相关法,对国产CTD的压力(P)、温度(T)、电导率(C)、盐度(S)与标准CTD进行对比分析。试验结果表明两者数据曲线趋势一致,线形基本吻合,参试的国产CTD基本上达到自身产品标称精度,但低于标准CTD精度。本次比测结果有利于促进技术成果的完善与固化,有利于进一步提高设备的可靠性、稳定性和批量一致性,为国产海洋环境监测设备的规模化应用和推广提供数据支撑。

高精度CTD剖面仪研制中的问题和对策——SZC15CTD系统

高精度 CTD剖面仪是国家 86 3支持的课题。本文叙述了高精度 CTD剖面仪在海洋调查中的作用 ,分析了研究制造中的关键问题和应对策略 ,探讨了高精度

国产DW 1633 CTD与美国Sea-Bird 911 CTD南海剖面温度观测比对分析研究

为了检验国产温盐深剖面仪(CTD)的基本性能和观测精度,“嘉庚号”科学考察船于2021年夏初在南海开展了DW 1633 CTD和美国Sea-Bird 911 CTD的现场温度剖面观测比对试验。本次试验共获取剖面33个,最深4 180 m,最浅500 m,可实现对深海和浅海观测能力的同步检验。本文对两种型号CTD所获取的温度剖面资料进行了比对分析。结果显示,DW 1633CTD和Sea-Bird 911 CTD基本吻合,平均绝对误差为0.006℃,最大绝对误差为0.424℃,平均均方根误差为0.025℃。

投弃式温盐深测量仪发展概述

投弃式温盐深测量仪(expendable conductivity temperature and depth,XCTD)是一种先进的海洋动力环境要素测量仪器,能够在各种民用、军用船只、飞机或者潜航器上使用,用以快速获取水下环境信息数据。其使用灵活、快捷经济、操作简便,是海洋调查的常备仪器,也是对海洋环境监测浮标、潜标、船载CTD等传统测量仪器的重要补充。目前,投弃式温盐深测量仪因其测量投放简便、测量效率高、硬件成本低等特点,在海洋剖面观测领域中被大量使用。为了了解国内外发展的差距,明确该领域未来发展方向,从投弃式海洋仪器设备的分类谈起,通过对比分析和归纳总结,阐述了投弃式温盐深测量仪的国内外发展现状,对比了国内外投弃式温盐深测量仪的主要差距,重点介绍了潜射式温盐深仪(SSXCTD)的工作原理及关键技术,总结了在潜射式温盐深仪的研究领域需要加强研究的方向。

基于耦合热传导-冰流模型的冰川钻孔温度重建的气候反演算法比较

冰川内部温度与冰面温度变化过程密切相关,因此可由实测冰温-深度剖面重建冰面温度变化。耦合热传导-冰流物理模型及其相关反演算法是基于冰温-深度剖面重建冰面温度变化的理论基础和关键。通过构造理想条件下的数值实验,分析比较了最小二乘法、Tikhonov正则化方法和蒙特卡罗算法重建百年尺度冰面温度变化的实验结果。同时,以我国藏北高原腹地的马兰冰川钻孔资料为例,结合气象资料构造真实钻孔数据模拟实验。分别给出了三种反演算法重建10 a和40 a尺度的冰面温度变化结果,并讨论了不同算法的优劣性和适用性。两组模拟实验结果均表明:Tikhonov正则化方法是目前求解该反问题的最优方法。与其他算法相比,Tikhonov正则化方法在各个时间尺度的重建结果与真实冰面温度变化吻合更好。另外,分别对重建百年和40 a尺度的冰温-深度剖面添加±0.02℃和±0.01℃的随机误差,研究发现Tikhonov正则化方法能够有效降低噪声干扰,相较其他算法得到的解更加稳定。这在一定程度上解决了该反问题中解的稳定性问题。

下放式海洋观测中同轴铠装缆自缠绕/打结原因浅析及解决方案

结合CTD/LADCP(Conductivity-Temperature-Depth/Lowed Acoustic Doppler Current Profiler)观测实例,从作业海况、水下单元架构、水下姿态三方面分析研究下放式海洋观测中同轴铠装缆自缠绕/打结状况发现,仪器观测架在布放过程中存在旋转现象,旋转产生的扭力作用于同轴铠装缆;扭力得不到释放,在海况较差的情况下极易造成同轴铠装缆的自缠绕/打结。为解决这些问题,本文进一步提出了一套实用的改进方案,在既保证能够在较差海况下作业、又不减少观测仪器的前提下,改进仪器观测架和同轴铠装缆的连接结构,同时增加机械转环及附属结构。观测实践证明,该方案可以有效避免与CTD/LADCP观测类似的下放式观测中同轴铠装缆因自缠绕造成的“打结”现象的出现,大大提高了现场观测效率,保证了仪器安全和数据顺利传输。该技术源自基本海洋观测实践,可为广大海洋调查工作者提供有益的借鉴。

海水温盐深剖面测量技术综述

温盐深是反应海洋物理学特性的重要参数,是海洋水文观测的基本要素。CTD剖面仪(Conductivity-Temperature-Depth profiler)是进行海水温盐剖面观测的主要仪器,利用CTD剖面仪可精确测得水下不同深度上海水的温度和电导率参数,进而能够推算出海水盐度、密度、声速等相关信息,对于海洋经济开发、海上国防建设、海洋环境保护等都具有非常重要的意义。本文介绍了温盐深剖面测量技术的基本原理与发展现状,对几种典型的温盐深测量设备及各种海洋观测平台中搭载的CTD传感器进行了介绍,论述了CTD传感器的标定和测试技术,并对其发展趋势进行了分析。

感应传输温盐深链水上低功耗控制系统设计

感应耦合数据传输温盐深(CTD)链是采用感应耦合技术实时获取CTD链上多台水下CTD传感器采集数据的仪器。以MSP430为主控制器,设计低功耗的水上控制系统,实现了控制水下传感器的采集、获取并存储水下传感器数据、与浮标上位机通信等功能。测试表明:该水上控制系统运行平稳,且在降低功耗方面有很好的性能。

投弃式温深计探头海水中下落深度计算方法研究

为计算投弃式温度深度测量计(XBT)探体在海水中的下落深度,在基本运动学分析的基础上,推导出XBT探体在海水中下落深度的计算公式及相关参数,并分析了探体重量误差对深度计算结果的影响。与标准温盐深仪的对比实验证明,该公式计算出的深度平均误差在2%以内。

海洋温盐深传感器技术自主创新与产业发展的几点思考

温盐深(CTD)是海洋动力环境要素中最基础的环境信息,海洋调查首先是对海水的温度、盐度随深度分布及变化的调查。所有的海洋观测监测平台都要集成和应用温盐深传感器,相关测量仪器已普遍应用于台站,船舶,浮标,潜标,座底式、拖曳式和水下运动平台等。文中分析了国际上海洋CTD测量传感器的应用需求和技术发展动态,回顾了我国温盐深传感器技术的发展历程,深度剖析国内CTD传感器应用的"卡脖子"之痛原因之所在。最后,针对多年来我国该项技术一直依赖于进口、受制于人的现状,提出实现该技术自主创新和产业发展的思考建议。文中研究可以为未来国产海洋CTD传感器技术的自主创新和产业发展提供一些建议。

温盐深测量仪实验室校准方法

介绍了目前我国海洋环境调查中常用的温盐深测量仪的类别与工作原理。分别对温度、盐度（电导率）、深度（压力）3种参量的校准过程进行了重点论述，包括校准前准备工作、校准实施过程、数据采集等。针对仪器所获得数据的不同类型，分别对能够获得原始值及不能得到原始值的2种仪器提出了2种数据处理方法，并用EXCEL软件进行了演示。对于只能取得示值的仪器直接对其数据进行回归，得到拟合曲线及校准公式。对于可给出原始N值的仪器，可通过对其厂商提供的N值与示值的转化公式进行转换，以N值为自变量，约定真值为因变量进行拟合，得到拟合曲线及校准公式，并可计算出新的修正系数。

基于TRNSYS的双U型垂直埋管换热器的模拟分析

以长沙市某一实际工程的双U型垂直埋管换热器为研究对象,利用TRNSYS建立了地埋管的仿真模型,通过仿真模型及正交试验设计方法研究夏季影响埋管周围土壤平均温度的因素,并分析了这些因素的影响程度.结果表明：钻井深度、钻井间距、钻井数量及回填材料导热系数对土壤平均温度有不同程度的影响,其中钻井间距的影响尤为明显.最佳钻井间距应为4~5m,回填材料最佳导热系数为1.7~2.1 W/（m·K）,钻井最佳深度为60~100m.

采用RS-CC级联码提高深海投弃式剖面仪传输可靠性的研究

为了提高深海投弃式剖面仪ASK频带传输的可靠性,提出了RS-CC级联码的解决方案。首先,从信道模型入手,分析了XCTD时变信道的特点;其次,根据信道环境存在复杂噪声的特点,分析了信号在传输过程中可能产生的错码类型,设计了(255,223)RS码+(8,255)交织器+(7,1/2)卷积码的算法结构;最后,针对XCTD的工作特点,分析了不同探测深度、传输频率和噪声量级条件下信号传输的误码率。仿真结果表明,RS-CC级联码的编码方案能够保证XCTD以高传输频率在大深度、大噪声环境中测量时较高的数据传输可靠性,对提高深海投弃式剖面仪传输性能提供了一种新的研究思路。

深海走航投弃式剖面仪传输信道特点的分析

走航投弃式剖面仪是海洋环境数据获取的重要仪器,主要应用于海洋环境观测中海洋参数的大面积快速测量,但传输信道特点一直并不明确,对信道传输性能的提高缺乏一定的理论基础。以XCTD信道为研究对象,优化了信道的模型和传递方程,计算得到信道阻抗参数值;采用时频法研究投弃式剖面仪信道基带传输信号的时变性,分析不同频率下的信号带宽的变化特性,分析随机噪声对传输信号和误码率的影响规律,结果表明,深海走航投弃式剖面仪传输信道在不同深度和传输速率下具有的"时变/窄带/低信噪比"规律特性,该信道特点与水声信道具有更多的相似性,该结论为提高XCTD信道传输性能拓宽了研究思路,为深海投弃式观测技术发展的信道传输技术共性问题提供了理论支持。

深海走航剖面仪目标探测信号传输率优化仿真

现有单载波传输方式下,深海走航投弃式剖面仪的信号幅值会随信号速率增大而剧烈衰减,从而使得信号传输准确性降低,严重影响了信号传输速率的提高。提出了对抗信道衰落和窄带干扰的正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)技术,以增加载波数量来提高信道带宽利用率,在保证准确性的同时提高投弃式温盐深剖面仪(Expendable Conductivity-Temperature-Depth profiler,XCTD)信号传输速率。设计了基于SIMULINK平台的OFDM算法仿真系统,从XCTD信道模型入手,针对不同的传输频率、探测深度和噪声量级,分析了OFDM算法与ASK、DPSK单载波的传输方式。通过OFDM算法与单载波传输方式对比的仿真结果表明,OFDM算法对于提高XCTD信号传输速率具有较高的可行性和有效性,对提高深海走航投弃式剖面仪信号传输速率的研究提供了一种新的思路。

一种水下滑翔机盐度数据的噪声处理方法

温盐深传感器(CTD)是水下滑翔机常规搭载的模块,可以高效地观测海水的温度、盐度和压强。但在盐度的计算过程中,热滞后误差问题普遍存在且不可忽略。对此,Morison等提出能有效修正热滞后误差的方法。文中对2017年7~8月间,8台“海翼”水下滑翔机搭载的滑翔机有效载荷CTD(GP-CTD)数据进行处理,用中值滤波和移动平滑滤波解决盐度峰的问题,基于上述方法,对盐度数据进行热滞后修正,发现热滞后误差与垂向温度结构和水平分辨率密切相关;在剖面插值过程中,由海洋内部波动引起的压强振荡影响插值结果,会带来很大的盐度差和温度差,并基于CTD剖面数据,提出一种海洋内部波动的简单识别方法。文中的工作可为水下滑翔机的数据质量控制和海洋现象的捕捉提供参考。

瓦斯含量测定中取心管管壁温度变化特性研究

为确定煤矿冷冻取心过程所需合理冷冻剂量,对取心管取心过程管壁温度变化特性研究是解决此问题的关键。使用自主研发的取心管自动测温装置,分别进行了取心深度为5、20、40 m下取心管管壁温度测试(下管阶段、切削阶段和退钻阶段)。通过建立取心管管壁传热模型,基于顺序函数法求解二维非稳态导热反问题,验证并分析了取心过程管壁温度变化规律。研究结果表明:在下管阶段,取心深度较大(40 m)时,存在取心管快速升温的现象;在切削阶段,不同取心深度下,取心管温度均在切削进行一段时间后开始迅速升高,切削结束时升至最高值;在退钻阶段,取心管温降速度基本相同,处于一个缓慢降温的状态;利用顺序函数法求解重构的取心管管壁模拟温度与现场实测温度吻合良好,误差小。研究结果可为煤层瓦斯含量测定低温冷冻取心装置的开发提供参考。

南海深海海底观测网试验系统海底动力观测数据集

南海深海海底观测网试验系统于2016年9月建设完成,通过光电复合缆为深海观测平台提供能源供给和通信传输链路,实现南海区域海底环境多参数实时、连续观测。其中海底动力平台于2017年6月布放于海底,搭载温、盐、深传感器(CTD)与声学多普勒流速仪传感器(ADCP),并于2017年7月开始采集科学观测数据。温、盐、深传感器观测要素包括温度、电导率、压力;声学多普勒流速仪观测要素包括流速。针对2017年7月至2018年12月传感器采集的海底动力原始科学观测数据,结合行业数据处理质控算法,去除异常值、补充缺失值,对数据进行统一格式化,最后形成本数据集,为海洋科学研究提供基础数据资料。