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海信技木7
温盐深测量系统误差源分析及处理
肖波,温明明,郭斌斌
(广州海洋地质调査局广州市510760)
摘要:温盐深测量系统在我国资源调查专项和海洋区域地质调査中都发挥了重要的作用,根据长期对温
盐深测量系统的使用经验,重点分析了SBE9plus温盐深测量仪的误差源以及对误差源处理以减少误差源
对温盐深测量产生的影响。这些误差源主要包括传感器静态误差和动态误差
关键词:温盐深测量;静态误差;动态误差;误差校准
现代海洋调査中,针对水体的温盐分布一直
电子仪器存在漂移特性,这就决定了温盐深
是一个重要的调查项目,其研究对于海洋中的其测量系统需要定期对传感器进行标定校准。校准
他物理要素如密度和声速、海水的化学和生物特误差,即标定技术存在的误差,主要受公式、物
性以及水体运动均有着重要的影响。随着温盐深理标准、控制水槽中的校准能力等影响。通过实
测量系统的广泛使用,对其获取的大量原始资料验室模拟(压力)和在标准液等中获得传感器的
的预处理和误差分析工作的重要性也日显突出,漂移大小,通过调整偏差或斜率得到真实的数
温盐深测量系统的测量精度受其本身的固有限制据。通常温度和压力传感器的漂移表现为固定数
以及环境等因素的影响,如测量结果不能达到合值偏差,电导率和溶解氧传感器的漂移表现为斜
理的精度要求,将大大影响相关研究的进行。通率漂移
过对温盐深测量系统的误差源分析,着重阐述了
现场数据分析和处理的方法以及消除传感器漂移2动态误差
引起的采样数据误差,为高精度数据的获取提供
了保证。
温盐深测量系统在工作时,传感器的响应时
间以及测量时外部条件的快速变化都会造成系
1静态误差
统的动态误差。海洋环境中少有压力阶跃变化
的情况,压力测量的精度通常不受影响,而温
任何精密的仪器本身都存在误差,温盐深测度和电导率测量的精度都受到传感器响应时间
量系统通过其电子传感器来获取水体温度、电导的影响,盐度测量主要依赖于温度、电导率和
率、压力、溶解氧等参数,电子单元作为传感器压力测量的精度,对盐度的高精度(0.002pBau)
的主体必然存在静态误差。深人了解传感器本身要求来讲,热延迟误差对盐度的测量尤其显著。
性能,才能在误差源的判断以及分析数据误差中盐度同时还存在滞后现象、热延迟现象、深沉
得到准确的判断。
效应等误差。
收稿日期:2014-06-06
基金项目:国家高技术研究发展(863)计划资助项目(2013AA092503)
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被明显拉长(图1)。
3误差校准
温盐深测量仪的原始数据即传感器测量各要
素得到的频率或电压值,通过数据转换将电导
率、温度、压力转化为实际观测值,盐度再经公5リ始盐度装据/0m校03、准
R
式转换得到真值。对数据进行误差校准,主要是兰600
对温度、压力及电导率进行误差修正。通过数字
尖
锋
尖锋改善
负向尖锋
滤波、滞后校准、热延迟校准、深沉效应来解决
误差源导致的误差。
34.8534.9034.9535.0035.0535.1035.1535.20
3.1数字滤波
盐度/PSU
温盐深测量时,压力信号中会出现噪音,也
图1黹后校准
就是压力的变化(海况、收放速度)导致数据不3.3热延迟校准
平滑,通过低通滤波器平滑,能大大提高压力信
电导率单元材料中含硼硅酸盐玻璃,决定了
号的分辨率,同时为之后“深沉效应”的修正电导率传感器具有热敏性,电导率信号的变化
提供必要的手段。对于温度、电导率传感器,选90%取决于温度变化,1%的温度误差在盐度测量
择两者响应时间中较大的值作为滤波器的时间常上可以放大10倍。电导率单元的特性导致电导
数,同时对温度、电导率观测值进行滤波,使两率测量受热延迟误差的影响,即当电导率单元从
者的响应特征剖面相匹配,减小盐度尖峰。
温水进入冷水,通过单元的水体被储存的热量轻
3.2滞后校准
微加热,导致电导率单元中水样的温度比温度传
温盐深测量仪各传感器安装位置、响应的固感器的测量值高,电导率测量值也就高于真值;
有时延及采样时间不同,使数据处理时对盐度、反之亦然。研究表明当经过电导率单元的流速维
溶解氧等要素的计算不是针对同一水样,即存在持稳定时,单元内的热惯性现象存在一个时间常
滞后现象。滞后现象表现为温度、电导率变化不数。温盐深测量仪SBE9plus通过控流设计来模
致导致盐度数据出现尖峰。盪盐深测量仪拟热量消散的速率,对这个热传导现象进行修
SBE9plus独特的水泵控流和管路装置,使用恒定正
的泵速和已知的管路通量,能够计算出各传感器
C修正后=C原始+ctm
之间的时间差,然后以压力频道为基准,分别将
ctm=-1.0 x b x previous ctm+ ax
各传感器测量值的时间相应提前,使之与正确的
压力数据同步,即完成了“滯后校准”。
dt temperature-previous temperature
对温盐深测量仪SBE9plus来说,压力无滞
alpha
后,温度和电导率滞后时间为0.073s(采样提前
sample interval x beta 2
1.75个数据样本),溶解氧滯后2s。如出现传感
器变动、延长管路、泵速改变、进入特殊温度环
境等情况,需对校准参数进行相应的调整。通过
=0.1×(1+0.006x[ remperature-20])
对盐度的滞后校准,能消除在温度强烈阶跃变化
这里的 alpha是热异常幅度,1/beta是热异
处出现的盐度尖峰,将电导率通道提前0.073s常时间常数。
后,盐度尖峰得到很好的改善,依稀可见微小的
所用数据已事先经过滯后校准,经热延迟校
负向尖峰;然而将其提前0.125s后,负向尖峰准后滞后引起的盐度尖峰大大减小(图2)。图中
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