基于小型漂流平臺的微型溫濕測量系統(tǒng)

黨超群，孫東波，王 斌，胡錦國

（國家海洋技術(shù)中心，天津 300112）

溫濕測量系統(tǒng)主要測量大氣溫度和相對濕度參數(shù)[1]，能夠為衛(wèi)星遙感定標(biāo)、海洋分析與預(yù)報系統(tǒng)、海洋環(huán)境安全保障等提供背景或?qū)崟r氣象資料[2]。目前，國內(nèi)的海洋臺站[3]、海上平臺[4-5]、調(diào)查船[6]等多采用國家海洋技術(shù)中心或山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所生產(chǎn)的溫濕度傳感器，大中型錨系浮標(biāo)等多采用維薩拉HMP155 等溫濕度探頭外加防輻射罩的方式獲取大氣溫度和相對濕度數(shù)據(jù)[7-8]，二者無論是測量精度還是可靠性均得到了業(yè)內(nèi)認可。

隨著海洋觀測技術(shù)的發(fā)展，海洋觀測平臺逐漸向低成本、小型化、輕質(zhì)化、拋棄式方向發(fā)展，小型漂流浮標(biāo)[9-10]、波浪能滑翔器[11-12]、無人艇[13]、無人帆船[14]等海氣界面移動觀測平臺應(yīng)運而生。相對于錨系浮標(biāo)（觀測要素齊全、準(zhǔn)確，但造價及維護成本高）、衛(wèi)星遙感（全球覆蓋，但時空分辨率和部分要素觀測精度不足）和船基觀測（志愿船計劃擴充了現(xiàn)場觀測的數(shù)據(jù)庫，但航線固定、區(qū)域性觀測無法全球覆蓋），移動觀測平臺的成本相對較低且容易實施，其大規(guī)模的應(yīng)用將使全球范圍高時空分辨率現(xiàn)場觀測成為可能，為全球海洋立體觀測系統(tǒng)提供“主戰(zhàn)型武器”，助力海洋強國建設(shè)。然而，由于系統(tǒng)體積及重量的限制，現(xiàn)有的溫濕測量系統(tǒng)均無法滿足小型漂流平臺的安裝需求，如若安裝將會對平臺的穩(wěn)定性和可靠性造成較大影響，特別是遭遇惡劣海況時，損壞率較高，造成臺風(fēng)、風(fēng)暴潮等災(zāi)害天氣下現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)缺失，嚴重阻礙衛(wèi)星遙感定標(biāo)、海洋分析與預(yù)報、海洋環(huán)境安全保障等后續(xù)工作的順利進行。

因此，為了保證小型漂流平臺溫濕度長期在線觀測的穩(wěn)定、可靠，科研人員需要對溫濕測量系統(tǒng)進行有針對性的小型化、輕量化[15-17]和防太陽輻射、防鹽霧設(shè)計[18]，力求能夠在基本不影響小型漂流平臺運動姿態(tài)和可靠性的情況下，實現(xiàn)海氣界面處溫濕度的長期在線觀測。本文將從微型溫濕測量系統(tǒng)的測控系統(tǒng)設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計和比測應(yīng)用幾個方面進行詳細論述。

1 測控系統(tǒng)設(shè)計

1.1 硬件電路設(shè)計

微型溫濕測量系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計需要滿足系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與處理、數(shù)據(jù)通信，以及各單元電源供給控制的要求，主要由主控芯片、電源管理單元、溫濕測量單元和通信單元組成，系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖1 所示。

圖1 微型溫濕測量系統(tǒng)硬件電路設(shè)計框圖

主控芯片是整個測控系統(tǒng)的核心，控制著整個系統(tǒng)各單元的正常運行，它負責(zé)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制及溫濕測量單元、通信單元的電源控制；電源管理單元用于系統(tǒng)對溫濕測量單元、通信單元的電源供給控制，降低系統(tǒng)功耗；溫濕測量單元負責(zé)溫濕度原始信號采集及數(shù)值轉(zhuǎn)換，內(nèi)含溫度校準(zhǔn)功能，并針對結(jié)露的狀況增加了自動加熱功能[19-20]，保證觀測數(shù)據(jù)的真實性；通信單元用于微型溫濕測量系統(tǒng)與小型漂流平臺主控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互。

1.2 嵌入式程序設(shè)計

微型溫濕測量系統(tǒng)通過嵌入式程序控制各單元工作，細化系統(tǒng)工作流程和休眠模式[21-22]，降低系統(tǒng)功耗，最大程度地規(guī)避各單元工作時自發(fā)熱對溫濕測量單元的影響，保證數(shù)據(jù)觀測的真實、可靠。嵌入式程序采用模塊化設(shè)計，遷移能力強，主要由數(shù)據(jù)采集與狀態(tài)監(jiān)控子模塊、數(shù)據(jù)解析與處理子模塊和通訊傳輸子模塊組成，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動采集、數(shù)據(jù)自動解析與處理、數(shù)據(jù)打包發(fā)送、電源低功耗管理等功能。

系統(tǒng)進行環(huán)境溫濕度測量時，嵌入式程序運行過程如圖2 所示。系統(tǒng)首先進行端口初始化和自檢，自檢通過后（如未通過，則輸出故障提示信息向小型漂流平臺測控系統(tǒng)示警，測控系統(tǒng)終止數(shù)據(jù)采集，并向用戶報告），開始進行環(huán)境溫濕度信號采集，主控芯片對采集數(shù)據(jù)進行存儲并進行算法分析，包括溫濕度的誤差修正[23-26]和數(shù)據(jù)預(yù)處理等，最后在收到數(shù)據(jù)發(fā)送請求時將處理好的數(shù)據(jù)通過通信單元上傳至小型漂流平臺測控系統(tǒng)。

圖2 嵌入式程序設(shè)計框圖

1.3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制設(shè)計

微型溫濕測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制設(shè)計主要是通過誤差修正、數(shù)據(jù)預(yù)處理后得到更為準(zhǔn)確的溫濕度值。誤差修正主要是在系統(tǒng)量程范圍內(nèi)選取幾個關(guān)鍵測量點在標(biāo)準(zhǔn)溫濕度試驗箱內(nèi)開展測試，研究其線性程度和離散性分布，然后使用最小二乘法計算得到一條修正曲線，并在溫濕測量單元的測量過程中利用這條曲線將獲得的數(shù)據(jù)做相應(yīng)的修正；數(shù)據(jù)預(yù)處理主要是針對溫濕測量單元經(jīng)誤差修正后的數(shù)據(jù)進行奇異值、梯度檢驗及平滑處理，最終獲得穩(wěn)定的測量值，保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、可靠性，為衛(wèi)星遙感定標(biāo)、海洋分析與預(yù)報系統(tǒng)、海洋環(huán)境安全保障等提供有力的現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)支撐。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

微型溫濕測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計需滿足小型化、輕量化、防太陽輻射、防鹽霧的要求，其主體結(jié)構(gòu)由測控儀器倉、防輻射罩、透氣罩、安裝支架4 個部分組成，如圖3 所示。

圖3 微型溫濕測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

測控儀器倉的倉體呈非規(guī)則圓柱形結(jié)構(gòu)，置于防輻射罩內(nèi)，內(nèi)部用支架固定測控電路；測控儀器倉底端固定溫濕測量單元，溫濕測量單元置于透氣罩內(nèi)，通過導(dǎo)線與儀器倉內(nèi)的測控電路連接，這種設(shè)計可以最大限度地減少引線長度，縮短溫濕測量單元與測控電路的距離，減弱干擾信號強度，提高溫濕測量單元的測量精度，縮小微型溫濕測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體積。該設(shè)計彌補了現(xiàn)有大氣溫度和相對濕度測量產(chǎn)品體積大、重量大的不足，且整體具有抗老化和耐腐蝕的性能，能夠在基本不影響小型漂流平臺運動姿態(tài)和可靠性的前提下，實現(xiàn)海氣界面處大氣溫度和相對濕度的長期在線觀測。

3 比測應(yīng)用

3.1 實驗室比測

2017 年8 月，科研人員隨機選取2 套微型溫濕測量系統(tǒng)，依據(jù)GB/T 32065.1—2015《海洋儀器環(huán)境試驗方法》，在國家海洋技術(shù)中心海洋觀測儀器質(zhì)量檢測與可靠性試驗室的溫濕度試驗箱內(nèi)開展實驗室比測，標(biāo)準(zhǔn)儀器選擇Pt100 高精度鉑熱電阻測溫儀（測量范圍：-80～300 ℃，精度：±0.1 ℃）和維薩拉HMP110 濕度傳感器（測量范圍：0%RH～100%RH，精度：±1.5%RH）。

（1）環(huán)境溫度恒定，相對濕度變化

如圖4 所示，通過對比測數(shù)據(jù)分析可知，環(huán)境溫度保持相對恒定，相對濕度在40%RH～95%RH的范圍內(nèi)變化時，微型溫濕測量系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)儀器的相對濕度最大絕對誤差為2.5%RH，標(biāo)準(zhǔn)差為1.2%RH，相關(guān)系數(shù)為0.997。

圖4 環(huán)境溫度恒定時的數(shù)據(jù)比測曲線

（2）環(huán)境溫度變化，相對濕度不做控制

如圖5 所示，通過對比測數(shù)據(jù)分析可知，當(dāng)環(huán)境溫度在-20～60 ℃的范圍內(nèi)變化時，微型溫濕測量系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)儀器的氣溫最大絕對誤差為0.17 ℃，標(biāo)準(zhǔn)差為0.12 ℃，相關(guān)系數(shù)為1。

圖5 環(huán)境溫度變化時的數(shù)據(jù)比測曲線

實驗室比測過程中，無論溫濕度試驗箱內(nèi)的試驗條件如何變化，微型溫濕測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸出穩(wěn)定，且2 套微型溫濕測量系統(tǒng)觀測的環(huán)境數(shù)據(jù)差距很小，具有很好的一致性，有力保證了比測試驗的正常開展，且檢定結(jié)果優(yōu)于系統(tǒng)設(shè)計指標(biāo)（溫度精度：±0.2 ℃，相對濕度精度：±3%RH），達到國外同類產(chǎn)品的測量精度。

3.2 船載自動氣象儀比測

2018 年5 月4 日至2018 年6 月14 日，中國海洋大學(xué)牽頭組織“黑潮延伸體科學(xué)調(diào)查”的西太春季航次，國家海洋技術(shù)中心承擔(dān)漂流式海氣界面浮標(biāo)（Drifting Air-sea Interface Buoy，DrIB）的海試任務(wù)。DrIB 是國家海洋技術(shù)中心“漂流藍海星”研究團隊基于“低成本、網(wǎng)格化、全球化”的海氣界面觀測新理念（2015 年），在自然資源部業(yè)務(wù)運行、自然資源部重點實驗室基金、青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點國家實驗室“鰲山科技創(chuàng)新計劃”等多個項目支持下，先后突破平臺結(jié)構(gòu)可靠性、姿態(tài)穩(wěn)定性，多模塊高度集成與多能互補供電，以及數(shù)據(jù)在線質(zhì)控等多項關(guān)鍵技術(shù)，創(chuàng)新研制的“小型化、輕質(zhì)化、易布放”的小型漂流觀測系統(tǒng)，DrIB 用漂流的觀測方式實現(xiàn)了錨系浮標(biāo)海氣界面關(guān)鍵氣象水文動力參數(shù)的獲取，大規(guī)模組網(wǎng)可彌補現(xiàn)有海氣界面要素觀測單一、準(zhǔn)確性低、時空分辨率等方面的不足，實現(xiàn)全球重點海域高時空分辨率的海氣界面綜合要素（3 m 高度的風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、氣壓、相對濕度等氣象參數(shù)，海表面水溫、波浪、拉格朗日流等水文參數(shù)）實時獲取。

在“東方紅2”號科考船航行過程中，科研人員將DrIB 開機測試，其溫濕度數(shù)據(jù)與船載自動氣象儀（溫度精度：±0.2 ℃，相對濕度精度：±3%RH）數(shù)據(jù)比測結(jié)果如圖6 所示。

圖6 “東方紅2”號船載自動氣象儀與DrIB 溫濕數(shù)據(jù)比測曲線

其中，微型溫濕測量系統(tǒng)與“東方紅2”號船載自動氣象站的相對濕度最大絕對誤差為4.8%RH，標(biāo)準(zhǔn)差為1.5%RH，相關(guān)系數(shù)為0.999；空氣溫度最大絕對偏差為0.5 ℃，標(biāo)準(zhǔn)差為0.19 ℃，相關(guān)系數(shù)為0.967。

本文通過對船載自動氣象儀數(shù)據(jù)比測結(jié)果進行分析，可以看出溫濕度觀測的一致性較好；最大絕對偏差和標(biāo)準(zhǔn)差均比實驗室比測結(jié)果偏大的原因是由于它們在船上所處位置不同（船載自動氣象儀位于“東方紅2”號駕駛臺頂部，DrIB 位于后甲板）；比測過程中DrIB 溫濕數(shù)據(jù)觀測穩(wěn)定、準(zhǔn)確，為后續(xù)開展的黑潮延伸體海氣觀測（Kuroshio Extension Observatory，KEO）浮標(biāo)的現(xiàn)場比測奠定了基礎(chǔ)。

3.3 KEO 浮標(biāo)現(xiàn)場比測

KEO 浮標(biāo)是由美國國家海洋和大氣管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）于2004 年布放，運行至今，曾經(jīng)一直是黑潮延伸體南側(cè)海域唯一的大型海氣觀測錨系浮標(biāo)（32.3°N，144.6°E），主要觀測浮標(biāo)附近海域的風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、氣壓、相對濕度、降雨量、太陽輻射、海面溫度和鹽度、大氣和海水中的二氧化碳、溶解氧和pH 值等，并且實現(xiàn)了觀測數(shù)據(jù)的近實時共享，不僅可用于短期和季節(jié)性風(fēng)暴預(yù)報，還可以驗證衛(wèi)星產(chǎn)品和數(shù)據(jù)反演相關(guān)的經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀?/p>

2018 年5 月10 日，科研人員在KEO 浮標(biāo)附近成功布放了2 套DrIB（編號7380、0250），開展現(xiàn)場比測，二者的數(shù)據(jù)觀測方式相同，均是從整點前1 min 開始數(shù)據(jù)采集，采集2 min 的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制，經(jīng)由衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)傳至陸基/船基數(shù)據(jù)綜合處理系統(tǒng)。

由于DrIB 隨波逐流的特性，本文選取了KEO浮標(biāo)和DrIB 相距10 km 之內(nèi)的24 h 溫濕度觀測數(shù)據(jù)進行比測分析（期間天氣狀態(tài)平穩(wěn)，10 km 范圍內(nèi)數(shù)據(jù)具備代表性），如圖7 所示。

圖7 DrIB 與KEO 浮標(biāo)數(shù)據(jù)比測曲線

其中，24 h 內(nèi)微型溫濕測量系統(tǒng)與KEO 浮標(biāo)的相對濕度最大絕對誤差為2.8%RH，標(biāo)準(zhǔn)差為1.4%RH；大氣溫度最大絕對誤差為0.3 ℃，標(biāo)準(zhǔn)差為0.15 ℃?？梢钥闯鰷貪穸扔^測的一致性較好，最大絕對誤差和標(biāo)準(zhǔn)差相較于實驗室比測數(shù)值較大的主要原因是KEO 浮標(biāo)和DrIB 海上相對位置變化和觀測高度（KEO 4 m，DrIB 3 m）不同造成的。

本文通過對KEO 數(shù)據(jù)比測結(jié)果進行分析，可以看出DrIB 搭載的微型溫濕測量系統(tǒng)的現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量已達到國外同類產(chǎn)品現(xiàn)場觀測精度，為后續(xù)DrIB 在大洋和極地的觀測應(yīng)用奠定了堅實基礎(chǔ)。

3.4 觀測應(yīng)用

2018 年至2020 年，微型溫濕測量系統(tǒng)搭載DrIB 完成南海臺風(fēng)、中尺度渦組網(wǎng)和南極西風(fēng)帶觀測應(yīng)用，在大洋和極地成功獲取了典型海洋動力過程高時空分辨率的海氣界面關(guān)鍵氣象水文數(shù)據(jù)，為上述環(huán)境下的海氣相互作用研究提供一種新型、可靠、準(zhǔn)確的現(xiàn)場觀測手段。其中，DrIB 溫濕度觀測數(shù)據(jù)曲線如圖8 至圖10 所示。

圖8 南海臺風(fēng)觀測數(shù)據(jù)曲線

圖10 南極西風(fēng)帶觀測數(shù)據(jù)曲線

2018 年8 月18 日，科研人員成功在南海北部、呂宋海峽（“嘉庚”號科考船）附近布放1 枚DrIB（編號9040），浮標(biāo)在位運行期間準(zhǔn)確捕獲到“山竹”和“百里嘉”兩個臺風(fēng)，DrIB 為兩個臺風(fēng)先后經(jīng)過同一海域的海氣相互作用研究提供了非常好的現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)。對于超強臺風(fēng)“山竹”，DrIB 準(zhǔn)確獲取了其進入南海前、中、后對南海北部造成的影響，DrIB 在臺風(fēng)過境過程中工作狀態(tài)良好，觀測結(jié)果客觀反映了臺風(fēng)與海洋相互作用的變化過程，驗證了DrIB 及其搭載的微型溫濕測量系統(tǒng)在極端惡劣海況下的準(zhǔn)確觀測能力。

2019 年9 月8 日至10 日，科研人員成功在黑潮延伸體北側(cè)（“東方紅3”號科考船）布放7 枚DrIB（編 號 0080、 0400、 2460、 4980、 5080、9080、9380），開展對中尺度渦（暖渦）渦心、內(nèi)圈、外圈進行同步、高頻、高時空分辨率的漂流組網(wǎng)觀測，實時采集中尺度渦環(huán)境下的海氣界面氣象水文數(shù)據(jù)，從現(xiàn)場觀測的溫濕度數(shù)據(jù)曲線可以看出，在中尺度渦壽命周期內(nèi)，渦心、內(nèi)圈、外圈數(shù)據(jù)雖略有差異，但一致性很強，很好地呈現(xiàn)了中尺度渦的內(nèi)外特征，將有助于提高對海洋中尺度過程的認知水平。

2020 年4 月2 日，中國第37 次南極科學(xué)考察的科研人員成功在南極西風(fēng)帶海域（“雪龍2”號科考船）布放2 枚DrIB（編號1400、4240），DrIB 在位運行期間遭遇多次氣旋過程（風(fēng)速20 m/s 左右），從現(xiàn)場觀測的溫濕度數(shù)據(jù)曲線可以看出，觀測數(shù)據(jù)的波動準(zhǔn)確呈現(xiàn)了每一個氣旋過程，提升了南極西風(fēng)帶海氣界面觀測的能力。

圖9 中尺度渦組網(wǎng)觀測數(shù)據(jù)曲線

4 結(jié) 論

通過實驗室和現(xiàn)場比測試驗可知，微型溫濕測量系統(tǒng)與比測儀器的溫濕度數(shù)據(jù)一致性非常好，相關(guān)系數(shù)≥96%；此外，系統(tǒng)還應(yīng)用于DrIB 進行了大洋和極地典型海洋動力過程的海上現(xiàn)場觀測，在位工作期間穩(wěn)定可靠，成功獲取了大洋和極地的溫濕度數(shù)據(jù)，為進一步分析典型海洋動力過程提供了寶貴的現(xiàn)場觀測資料。上述試驗及觀測應(yīng)用，充分驗證了微型溫濕測量系統(tǒng)觀測的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性及可靠性，非常適用于DrIB 等小型漂流平臺，可用于獲取高時空分辨率的海氣界面處大氣溫度和相對濕度數(shù)據(jù)。未來該系統(tǒng)搭載小型漂流平臺規(guī)?；M網(wǎng)應(yīng)用將為衛(wèi)星遙感定標(biāo)、海洋分析與預(yù)報系統(tǒng)、海洋環(huán)境安全保障、海氣界面重大科學(xué)問題研究等提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)支撐。