第29卷第1期2009年1月海 洋 测 绘H YD RO GRA PH IC SU RV EY I N G AND CHA R T IGV ol 129,N o 11Jan .,2009收稿日期:2008208228;修回日期:2008210228作者简介:汪 洋(19832),男,新疆阿克苏人,硕士研究生,主要从事海洋调查资料处理及分析研究。
单温度传感器CTD 资料处理研究汪 洋1,2,李占桥2,李 洋3,袁延茂2(11解放军理工大学气象学院,江苏南京 211101;21海军海洋测绘研究所,天津 300061;3161741部队,北京 100081) 摘要:简要介绍了温盐深测量仪(CT D )原始数据预处理的步骤,分析了处理过程中盐度计算误差产生的原因,并重点讨论了以MARKIIIB 型为代表的单温度传感器CT D 的传感器滞后订正问题,针对传统方法存在的缺陷,引入了新的订正方法,在实际处理中取得了较为理想的效果。
关键词:温盐深测量仪;预处理;传感器滞后订正;高通滤波中图分类号:P714+11 文献标识码:B 文章编号:167123044(2009)01200622041 引 言温盐观测是海洋调查的重要内容,获取高质量、高密度的温盐资料一直是海洋学家努力追求的目标。
海上投放使用的温盐观测仪器,经过长期的发展,原来的颠倒采水器已经完全被各种类型的温盐深测量仪(CT D )等电子设备所取代[1],观测精度及采样率也在不断提高。
目前在国内服务于海洋调查的温盐测量仪器包括MARKIII CT D 、S BE CT D 、XCT D (BT )等。
由于受到仪器本身观测原理以及操作使用等原因的影响,温盐观测资料往往存在不同原因产生的误差,必须经过预处理才能进一步得到应用,面对日益高精尖的观测仪器,如果缺乏必要的正确的处理过程,高精度的设备同样得不到高质量的资料[2]。
温盐资料处理是海洋工作者长期研究的课题。
近来,作者在采用传统方法处理一批中国浅海的MARKIIIB 型单温度传感器CT D 资料时发现,在消除传感器滞后问题上总是得不到理想的效果。
针对这种情况,结合温度与电导率剖面结构的特点,作者作了一些探索性分析,引入了新的订正方法,取得了较为理想的订正效果。
2 温盐资料处理步骤及误差产生的原因211 温盐资料处理步骤CT D 主要装配有三个传感器:电导率、温度和压力传感器,传感器在升降过程中不断将观测到的海水物理量以电信号形式记录得到数据文件。
资料处理工作主要包括以下步骤。
(1)数据转换:将传感器电信号数据转换为真实的电导率、温度、压力等海水物理量。
(2)压力零点订正:由于受条件环境的限制,压力数据往往存在系统误差,可通过一定的方法[3,4]计算并进行订正。
(3)剔除异常数据:对超出气候变化以及不合理的突变数据进行判别并剔除。
(4)传感器滞后订正:由于温度、电导率传感器感应时间不同,在计算盐度、密度等要素时会造成数据误差,需要进行传感器感应时间匹配订正。
(5)衍生要素计算:由CT D 可直接得到的是电导率、温度和压力,在实际应用中需要使用这三个参量,根据实验室经验公式[5]计算得到盐度、密度、声速等海洋要素。
212 盐度计算误差产生的原因CT D 资料的误差包括压力系统误差、异常数据误差、盐度(密度)计算误差等。
这些误差前人都作过一些研究,也提出了一些实际处理的方法,其中压力误差及异常数据误差的处理已经得到了较好的解决。
由于在实际数据应用中的盐度是使用电导率、温度和压力计算得到的,密度和声速又是使用盐度、温度和压力计算得到的,所以盐度的计算在CT D 资料处理中显得尤为重要。
造成盐度计算误差的主要原因是传感器感应时间(滞后)不同,传感器的滞后订正是笔者在实际资料处理中遇到的主要问题。
(1)传感器的感应时间:传感器的感应数据随着环境的变化而变化,而传感器的感应不可能无限快,总是需要一定的时间。
传感器对环境中阶跃变化的响应通常称为时间常数,它一般定量为对于给第1期汪 洋,等 单温度传感器CT D 资料处理研究定的阶跃变化其响应达到最终值的63%时所用的时间。
不同的传感器的感应时间往往存在较大差别(图1)。
MARKIIIB 型CT D 装配有三个传感器:铂电阻温度传感器、电导率传感器以及压力传感器。
铂电阻温度传感器感应时间较长,一般为几百毫秒;电导率传感器通过感应电导池内的海水来测量海水电导率,它具有很快的感应速度(约30m s ),但是电导率传感器对使用环境的要求较为苛刻,海水通过样品池的流速,海水温度和样品池的热容量都会对电导率的感应数据造成影响。
压力传感器有两种类型:弹性应变式和数字石英压力传感器,压力传感器都具有很快的感应速度,在实际观测时海水压力不会产生阶跃性的环境变化,一般认为压力传感器的时间常数并不重要。
图1 响应时间不同的传感器对阶跃性变化的响应(2)由于传感器滞后造成的误差:现在使用的CT D 无论是温度还是电导率传感器都具有较高的精度,如果海洋环境中的温度和电导率变化很小,计算得到的盐度、密度、声速等数据误差就会很小。
但是当温度和电导率随深度变化较大时,由于感应时间常数不同,用于计算盐度的同一时刻的温度和电导率实际上并不是海洋中同一位置上的温度和电导率,这造成计算盐度时存在较大误差,具体表现为CT D 下降剖面和上升剖面的盐度值差别很大,存在异常的盐度尖峰。
3 传感器滞后订正的解决方法及效果检验311 真实海洋环境中的温度电导率结构作者在处理工作中共对300多个测站的MARKIIIB 型CT D 剖面资料进行了处理,资料剖面的深度一般都在50m 以内,剖面结构符合典型的中国北方浅海水文结构特点,时间跨度从春季过渡到夏季,温盐垂直结构从较为均匀状态过渡到强跃层状态。
在春季剖面上,最大温差小于2℃,电导率差小于2mS/c m ,随着从春到夏的不断过渡,出现了越来越强的温盐跃层,呈现出典型的温度和电导率阶跃性结构,如图2所示,在5～15dBar 压力范围内,温度变化达到了14℃,电导率变化达到了1016m s/c m 。
由于传感器滞后的影响使得上升及下降过程的盐度值存在较大的偏离,最大差值达到0174以上,与真实的海洋结构差别较大。
图2 实测站夏季温度、电导率阶跃性垂直结构图312 使用传统滞后订正方法的尝试常用滞后处理方法可分为两大类,一类是缩短滞后时间常数法,另一类是加长滞后时间常数法。
缩短滞后时间常数就是订正温度记录,使它与电导率记录相匹配。
加长滞后时间常数法是调整快速响应参数,使温度和电导率数据的响应全都相等,并且等于最慢的传感器参数。
S 法[4]和F 法[4]都是较常用的缩短滞后时间常数法。
递归数字滤波法、指数滞后响应法、Gr 法[4]是几种较常用的加长滞后时间法。
指数递归数字滤波法[6]还是联合国教科文组织发表的技术报告推荐的方法。
在这几种方法中,S 法使用于早期取样间隔大于时间常数的情况,现在已经不再使用,其他几种方法能在一定程度上减弱温度、电导率不匹配带来的虚假盐峰,但结果都并不理想。
作者使用了各种传统的滞后订正方法对MARKIIIB CT D 资料进行处理,但是效果始终不够理想,盐度尖峰并没有得到有效的抑制。
究其原因,是由于电导率传感器受到仪器的下放速度等各种环境因素的影响,传统订正方法的表达式都没有能够对温度与电导率的感应关系进行准确的表达,最终导致了订正效果的不理想。
313 实际解决方法(1)虚拟快速温度的引入在另一种温盐观测仪器MARKIII C CT D 中,装配有两个温度传感器,一个精度高感应慢的铂电阻36海 洋 测 绘第29卷温度传感器和一个精度相对较低但感应时间短的热敏电阻温度传感器,热敏电阻与电导率的感应时间基本相当。
它使用高通滤波的方法从热敏电阻测量的温度值上提取高频变化修正到铂电阻测量的温度值上,从而进行滞后订正。
这种方法综合了铂电阻温度的高精度和热敏电阻的快速感应,取得了较好的订正效果。
对比MARKIII C CT D,MARKIII B CT D 只有一个铂电阻温度传感器,无法直接应用高通滤波的方法进行滞后订正。
笔者针对这个问题进行了分析。
根据文献[7]介绍,在不同盐度下,海水电导率都几乎随温度呈线性地变化。
图3显示了不同盐度下温度和电导率的这种线性关系。
图3 不同盐度时,海水电导率随温度的变化图根据这个原理,我们利用CT D 剖面数据可以得到三个前提条件:①使用铂电阻传感器观测得到温度的取值范围;②电导率变化曲线;③温度和电导率的线性关系。
这样使用线性关系式就可以计算得到与电导率变化一致的新温度曲线,我们将其称为虚拟快速温度曲线。
图4是利用电导率变化得到的温度与直接观测得到温度的比较,二者数值非常接近,如果将二者画在同一幅图上,几乎是重合的。
为了慎重起见,我们对所有300个测站的虚拟快速温度与铂电阻温度进行比较,得到了非常一致的结果。
(2)高通滤波在得到虚拟快速温度后,使用MARKIII C CT D 的高通滤波方法对铂电阻温度进行订正。
此方法可用下式表示为:Y (t )=HPτlagX (t )=X (t -Δt )-X (t )ω0+Y (t -Δt )ω0式中,Y (t )、Y (t -Δt )分别为滤波后温度的当前值和前一值;X (t )、X (t -Δt )分别为快速温度的当前值和前一值;ω0=e -Δt/τ;Δt 为CTD 的采样周期;τ为滞后订正时间常数,同一类型的不同的传感器感应时间也具有一定的差别,滞后订正时间的取值可以通过软件测试进行确定。
图4 虚拟快速温度曲线与铂电阻温度曲线对比图314 滞后订正的效果检验通常认为好的滞后订正方法要满足以下条件:①上升下降过程盐度曲线趋于一致;②对温度、电导率只作较小的修正;③尽量抑制虚假的盐度尖峰。
使用前文的方法,作者对300多个测站的MARKIIIB CT D 观测数据进行了滞后订正,并逐个进行了效果检验,都取得了较为理想的效果。
图5分别给出了测站中温度、电导率梯度较小(A )和较大(B )的两个站的盐度值采用指数递归数字滤波法和新方法订正前后的比较,从图中不难看出,采用指数法处理后有一定效果,但仍存有较明显的盐度尖峰,而采用新方法后,在只对温度、电导率作较小修正的基础上,虚假盐峰基本得到消除,特别是温度、电导率梯度较大站,效果尤其明显。
表1亦列出了盐度尖峰较大处新方法订正前后盐度差的明显变化,最大处达到了01566之多。
46第1期汪 洋,等 单温度传感器CT D资料处理研究图5 温度、电导率梯度较小(A)、较大(B)站指数递归法、新方法订正前后盐度剖面对比图表1某站点盐度尖峰较大处新方法订正前后1m间隔盐度差层深(m)新方法滞后订正后新方法滞后订正前40100301013 50101201074 60105901079 70105501116 80102001185 90107601240 100112201156 110108601443 120117001736 130111201638 140100601014 1501002010054 结束语本文结合MARKIIIB CT D温盐数据处理实践,针对传统方法滞后订正存在的问题,根据温度、电导率之间的近似线性关系,虚拟了快速温度曲线,进而使用高通滤波方法进行滞后订正,取得了较为理想的效果。