海洋仪器▏国产XBT海上比测方法研究及结果分析

雷发美等溪流之海洋人生 2023-05-07

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为了解决在机动状态下的海洋环境参数测量问题，20世纪60年代，国外开发了应用于移动平台的投弃式海洋环境测量探头，例如XBT，XCTD等。在各类投弃式海洋环境测量探头中，使用最为广泛的是XBT，无需绞车即可从各种舰船上投放。同时其测量探头成本低廉,可以大量使用，能够获得大范围海域的准同步温度剖面数据。从上世纪70年代开始，XBT已经成为海洋观测中非常重要的一部分。

关于XBT的误差，国内外都进行了大量的分析工作，误差的来源包括纯温度误差、深度误差、探头类型误差、参数误差、随机误差、水温误差及记录系统误差等。到目前为止，大家比较认可的误差处理方法有两种，一种是基于微分的温度梯度法，另一种是基于积分的最小均方根误差法。国内外的学者通过这两种方法，对XBT的历史数据进行了有效的校正。

在我国的海洋调查中，主要使用日本TSK(Tsurumi-Seiki,简称TSK)公司T-7和T-10两种型号XBT。海洋工作者对其性能、特点、使用等方面都比较了解，对数据的处理也有比较完善的方法。最近几年，随着国产XBT性能的提高，其测量结果正在被越来越多的用户所认可，使用范围和规模也逐步扩大。

为了对国产XBT 的性能和实际使用情况进行分析和总结，受某专项办的委托，厦门大学在南海东北部开展了“海洋监测设备适用性检验规范及海上试验研究（国家“863”计划）”项目，针对海洋技术领域研发的技术较为成熟、具备产品化条件的XBT开展检验与验证，以促进技术成果的完善与固化，提高设备的可靠性、稳定性和批量一致性。海试过程中，采用科学的海上试验程序和方法获得试验数据，并通过规范化的数据分析方法取得评价结果，为国产海洋环境监测设备的规模化应用和推广提技术支撑。

一、参试的国产XBT和进口XBT/CTD

本次试验参试的XBT厂商有甲、乙、丙、丁4家单位，比测使用的进口XBT 为日本TSK 公司生产的T-7型XBT，标准CTD(Conductivity，Temperature，Depth)为美国海鸟公司生产的SBE19 Plus型CTD，该CTD 试验前后分别经国家海洋计量站青岛分站检定合格（合格证书略），参试XBT和标准CTD具体参数见表1。

表1 参试XBT和标准CTD厂家及参数

二、海上比测试验实施情况简述

该试验分3次进行，第1次和第2次试验使用“延平2号”船，第3次试验使用“实验3号”船，3次试验均在南海东北部海域进行，参与比测的有国内甲、乙、丙、丁4家XBT生产单位。

进行海试时，应该确保试验海区地势比较平坦，最小水深大于800m，整个试验过程中实时注意船上测深仪的变化，防止XBT未达到预定深度就触底。海况应该在3级以下，避开大风和雨天，尽可能减小不确定的外界因素对试验造成的干扰。根据试验大纲的要求，把航速大致控制在定点、6kn，9kn，12kn，15kn。定点投24枚，其余各航速均投12枚。

正常情况下，XBT的投放时间大约为2min，包括准备时间，每枚XBT大概需要5min，以此计算，6kn，9kn，12kn，15kn 走航投放时，每两枚XBT的距离大约分别为0.9km，1.4 km,1.8km，2.3km。

第1次试验从2013年8月3～10日，参与XBT比测的为甲单位，进行定点、6 kn，9 kn 投放试验，同时进行CTD测量；第2次试验从2014年4月1～10日，参与XBT比测的为乙单位和丙单位，进行定点、6kn，9kn 投放试验；第3次试验从2014年7月28日至8月3日，参与XBT比测的为甲、乙、丙、丁4家单位，进行12kn和15kn（实际航速为16kn）走航投放试验，其中丁单位的15kn为自己实验。3个航次在投放国产XBT 的过程中，均有交替投放进口XBT，试验的站位和航线见图1。

图1 定点投放站位和走航投放路线图

三、海上比测试验数据分析方法

从表1中可以看出，比测用的T-7型XBT产品标称精度为±0.1℃，这与国内厂家生产的XBT精度相同或非常接近。根据已有海上试验的情况来看，进口XBT的实际精度与标称精度有一定的差距，例如日本TSK公司的T-10型XBT，但由于XBT为抛弃式设备，无法逐一进行检定校准，因此在比测时，采取以下步骤进行：

⑴进行多点的CTD测量，由于CTD的精度一般都会比XBT精度高一个量级以上，因此，约定CTD的测量值作为真值。

⑵在CTD测量期间，不影响作业的情况下，把国产和进口XBT交替投放，获取XBT的测量值，两者的时间间隔不超过24h且距离不超过10km，最好在45min和3km之内。

⑶走航试验时，不进行CTD测量，把国产和进口XBT交替投放，以进口XBT测量数据为参考（认为进口XBT定点和走航的精度一致），计算国产XBT精度。

⑷质控：首先把所有XBT剖面数据用各单位自带的软件进行质控；再对各剖面的深度数据进行检查，深度数据异常的剖面为失败投放；最后把不同厂家不同航次的温度剖面各自分组，对每组数据同一深度的温度用3倍标准差进行检验，超出3倍标准差的点视为无效点。若一个剖面的无效点数超过0.3%（超出3倍标准差概率），该剖面为无效剖面，不超过0.3%的，对该点剔除后进行插值处理。计算时，优先剔除无效点比例最大的剖面，对剩余的剖面继续检验，直至所有的剖面都符合要求。

⑸插值：由于CTD、进口XBT、不同厂家的国产XBT深度数据都不匹配，因此，在处理数据时，CTD直接从软件中导出1m间隔的数据，而XBT则用Matlab进行插值，处理成1m间隔，使得两者的深度数据相匹配。

⑹精度计算：按照时间和空间的就近原则，把进口XBT和标准CTD进行对比，把国产XBT与进口XBT进行对比，分别得到进口和国产XBT精度。

在精度表达方式上，根据不同研究目的有不同的计算方法，例如均方根误差（RMSE)、平均绝对离差、均值差等，这里用均方根误差来表示XBT的精度，计算公式如下：

式中，x_i，y_i为两种观测方式在同一深度的测量值；x_i表示参试仪器测量结果；y_i为标准仪器测量结果；n为样本个数。

⑺测量仪器之间的误差传播：由于进口XBT 精度与国产XBT 精度相当，因此，计算国产XBT精度时，应当使用误差传播定律，扣除进口XBT的误差，从而获得国产XBT的真实精度。

⒈进口XBT与CTD的比测结果

在第一航次的X1，X2，X3站分别进行CTD测量，同时也在该站点及走航过程中投放进口XBT，获取的数据采用3倍标准差进行检验，所有剖面均正常，获取的数据结果见图2。

图2 第一航次进口XBT与标准CTD温度垂向分布

剖面图

原本计划在每个站点开始和结束时各做一次CTD 测量，但由于操作和天气原因，X2和X3站均只在开始的时候有CTD测量数据。在数据比对时，依据就近原则把进口XBT和标准CTD剖面数据分组匹配。考虑到9kn走航时，X2站少一次CTD数据，航速较快，时间和空间变化较大，依据前面的XBT间隔的推算，距离已经超过10km的范围，因此9kn走航投放的3枚进口XBT不参与计算，其余的8枚进口XBT均方根误差计算结果见表2。

表2 进口XBT与CTD均方根误差分析结果

（单位：℃）

从表2来看，进口XBT与标准CTD温度测量结果的均方根误差最大为0.38℃，最小为0.14℃，平均值为0.28℃，与T-7型XBT给定的产品精度±0.1℃有差距，造成差距的原因有待进一步分析。

前人对国外各种型号的XBT 精度做了大量的修正工作，但对于局部海区或者说是某些产品批次不一定适合，应该以实际测量为准。根据测量结果，该批次的T-7型XBT在该海域内的精度为±0.28℃。

⒉国产XBT与进口XBT的比测

试验中，进口XBT共投放78枚，获取剖面数78个，其中定点5个，走航73个，有效剖面数为77个；甲单位共投放75枚XBT，获取剖面数73个，其中定点24个，走航49个，有效剖面为60个；乙单位共投放74枚XBT，获得剖面数据71个，其中定点25个，走航46个，有效剖面为57个；丙单位共投放了78枚XBT，获取剖面数72个，其中定点24个，走航48个，有效剖面为60个；丁单位共投放23枚XBT，获取剖面数23个，全部为走航投放，有效剖面为20个。有效剖面数占投放总数的比例定义为成功率。各参试单位XBT投放具体情况见表3，质控前后获取的数据剖面见图3～图7。

表3 参试XBT投放情况表

参试单位	TSK	甲	乙	丙	丁
投放总数	78	75	74	78	23
定点投放	31	24	27	24	无
6kn走航投放	11	12	12	18	无
9kn走航投放	10	15	11	12	无
12kn走航投放	13	12	12	12	13
16kn走航投放	13	12	12	12	10
获取剖面数量	78	73	71	72	23
有效剖面数量	77	60	57	60	20
成功率/%	99	80	77	77	87

图3 进口XBT质控前（左）、后（右）温度剖面分布图

图4 甲单位XBT质控前（左）、后（右）温度剖面分布图

图5 乙单位XBT质控前（左）、后（右）温度剖面分布图

图6 丙单位XBT质控前（左）、后（右）温度剖面分布图

图7 丁单位XBT质控前（左）、后（右）温度剖面分布图

从表3中可以看出，进口XBT的成功率比国产的高，达到99%，只有一枚XBT 温度剖面毛刺过多，废弃不用，国产XBT成功率大约为80%，与进口的相比还有一定的差距。国产XBT 在投放过程中会出现连续几枚都是无效的情况，这有可能是受海洋中尺度现象的影响，例如內波的持续时间一般为5～40min，因此在XBT投放过程中，尽量避开內波的干扰。

从质控的结果来看，4家国产XBT均有无效剖面，甲单位剔除13个，乙单位剔除14个，丙单位剔除12个，丁单位剔除3个，无效剖面率平均为16%。从图4～图7中可以看出，质控后异常剖面基本上被剔除。

在数据匹配时，以进口XBT测量值为标准，所有的国产有效XBT 剖面均与时间上最近的进口XBT剖面做比对，并且根据航速不同分组计算，得出每个国产XBT 的均方根误差，再计算各单位XBT的平均值，计算结果见表4。

表4 国产XBT与进口XBT均方根误差分析结果

（单位：℃）

参试单位	甲	乙	丙	丁
定点投放	0.28	0.48	0.40	/
6kn走航投放	0.27	0.57	0.44	/
9kn走航投放	0.31	0.44	0.39	/
12kn走航投放	0.33	0.64	0.68	0.43
16kn走航投放	0.38	0.50	0.56	0.46
平均值	0.31	0.53	0.49	0.45

说明：由于15kn为“实验3号”船的共振频率，经过商量，原本15kn的试验在16kn航速下完成。

从表4均方根误差的平均值可以看出，甲单位XBT的均方根误差最小，其次为丁单位。从不同航速的误差来看，甲单位定点和6kn走航投放的误差较小，与进口XBT均方根误差基本一致，随着航速的增加，均方根误差略微变大。乙单位XBT的均方根误差总体偏大，在各航速下没有明显的区别。丙单位在9kn航速内误差较一致，但在12kn以上时，误差变大。丁单位只有12kn和16kn数据，均方根误差仅次于甲单位，但由于丁单位参试的XBT数量较少且缺少9kn及其以下的数据，该结果仅供参考。

⒊比测试验中误差的传播和积累

由于测量仪器自身存在的固有误差，无法获得海洋数据的真值。在比测过程中，通过选择合适的标准仪器，可以忽略标准器的误差。但是当无法选择高精度的值作为标准值时，必须考虑测量误差之间的积累和传播。

根据误差传播定律，设进口XBT精度为m₁，国产XBT 精度为m₂，两者之间的误差为线性传播，合成误差m_z计算公式如下：

m_z＝√(m₁²＋m₂²﹚

从上述公式来看，如果两个仪器的精度相差一个量级，则小的误差可以忽略不计。实际使用过程中，如果以低精度的标准器检定高精度的仪器，则计算结果仅能作为参考。根据该公式计算的国产XBT精度结果如表5所示。

表5 参试XBT精度计算结果（单位：℃）

参试单位	标准仪器及型号	实测精度（均方根误差）
TSK	CTD（SBE19 Plus）	0.28
甲	进口XBT（TSK T-7 型）	0.13
乙	0.45
丙	0.40
丁	0.35

从表5可以看出，甲单位的计算结果比进口XBT的精度更高，这个结果是不可信的，这相当于用低精度的仪器作标准来检定高精度的仪器，没有实际意义。恰好甲单位投放时有进行CTD测量，与进口XBT比对一样，定点和6kn投放的所有有效剖面根据就近原则与CTD温度测量结果作比对，计算结果见表6。

表6 进口XBT和甲单位XBT精度计算结果

（单位：℃）

参试单位	标准仪器及型号	实测精度（均方根误差）
TSK	CTD	0.28
甲	（SBE19 Plus）	0.31

从表6比测试验结果来看，甲单位与进口的T-7型XBT精度比较接近，差值为0.03 ℃，由于标准仪器的不同，乙、丙、丁3家单位的XBT精度与进口XBT不能直接比较。

从甲单位的计算结果来看，不同的标准器计算出来的结果不同，这有可能是不同观测方式导致的观测结果误差不同，同一种观测方式（进口XBT和甲单位XBT）的数据比较一致，而不同的观测方式（CTD和XBT）误差比较大，导致误差从标准CTD到进口XBT再到国产XBT的传播过程中不能正常进行。因此，以进口XBT的测量结果为标准，不能准确计算出国产XBT的误差，但可以为国产XBT提供参考。

从整个海试试验来看，试验的设计存在一定的欠缺，主要是过于相信进口产品，由于进口XBT的实测精度与标称精度有一定差距，致使最后不能准确计算出各家参试的国产XBT 精度。若要进行精确的误差测量，标准器应该使用CTD，确保获取的真值有较高的精度，使分析计算的结果更加合理可靠。若是参试的XBT 尚在实验阶段，其精度与进口XBT 的标称精度相差较大，为了节约成本，可以用进口XBT的测量结果作为参照，以此为依据对产品进行改进。

四、误差来源分析

由于本试验为第三方独立开展的适用性检验试验，对XBT误差造成的原因不做具体分析，仅对数据的获取情况及海上试验过程中可能导致误差来源的因素进行罗列，XBT 厂家可根据海试结果，

有针对性地改进XBT 产品。从比测试验的结果看，无论是进口XBT还是国产XBT，通过海上试验分析计算得到的误差与产品的标称精度都还有一定差距，其原因可能是多方面的，可以从以下几个方面考虑：

⑴产品本身的问题，试验结果质控时剔除了部分无效剖面，这些无效剖面中有一部分测量出了完整的剖面，只不过偏差太大，无法使用，若这些完整剖面参与计算，虽然可以提高成功率，但会相应增加误差。

⑵可能与投放环境有关，通过实验记录可以发现，雨天投放效果较差，有些型号的国产XBT失败率增加，而进口XBT很多毛刺的温度剖面也是在这时候出现，可能是雨天对仪器有一定的干扰。

⑶标准CTD的测量误差无法避免，一般情况下，CTD的精度足够高，但是在高海况的情况下，海面的波动会影响CTD压力的测量，这个可以从CTD下降和上升的数据重叠程度看出，重叠越好，数据越可靠，因此尽可能在低海况下进行试验。

⑷进口XBT的产品标称精度与实际测量精度有一定的差距，从结果看出，最小的误差也比产品的标称精度大，影响国产XBT精度的计算。

⑸与国产XBT温度探头的精度有关，与CTD进行比测时，进口XBT 均方根误差为0.28℃，而国产XBT中，最小为0.31℃，两者尚有一定的差距，关于纯温度探头的精度将在以后的试验中再进行分析。

⑹可能与现场投放的操作是否规范有关。不规范的投放将导致线轴的释放不够顺畅，探头不能按预定的速度下降，导致误差偏大，甚至投放失败。

⑺海洋中一些快速变化的中尺度现象也可能会影响XBT 的比测。有的参试单位连续投放的几枚XBT都有获取数据，但均属于无效剖面，这很可能在海洋内部有中尺度海洋现象，因此，在试验过程中，最好能对海流进行同步观测。

五、总结

从本次比测试验结果来看，国产XBT整体上表现良好，甲单位XBT精度最高，与进口的XBT精度接近，其次为丁单位，乙和丙单位的XBT精度略低。但也存在一些问题，国产XBT 的成功率平均值约为80%，比进口XBT低，精度与进口的还有一定差距，最低相差0.03 ℃，并且均有不可用的无效剖面，大约占16%，这将影响国产XBT在应用上的推广。

通过本次试验，我们注意到采用进口XBT做标准已经不能满足比测的要求，无法准确计算出国产XBT精度，但该结果仍然具有参考意义。试验时尽可能在低海况下进行，同时，应该实时观测海洋状况，防止中尺度现象对试验造成干扰。本次试验的比测和分析方法可以为其他国产XBT/XCTD/CTD等仪器的比测试验提供借鉴。

END

【作者简介】本文作者/雷发美商少平贺志刚汪鹏戴昊，分别来自厦门大学水声通信与海洋信息技术教育部重点实验室、厦门大学海洋观测技术研发中心、厦门大学海洋与地球学院和中国人民解放军61741部队；第一作者雷发美，1984年出生，男，理学硕士，工程师，主要研究方向为物理海洋学、海洋观测技术；本文为基金项目，国家重点研发计划资助项目（2016YFF0200900）、国家高技术研究发展计划（“863”计划）资助项目（2012AA091906）、促进海峡两岸科技合作联合基金资助项目（U1405233）；文章来自《海洋技术学报》（2019年第1期），参考文献略，部分图片系我平台加载，用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有，转载也请备注由“溪流之海洋人生”微信公众平台整理。