2013, Vol. 56
2. 国家海洋技术中心, 天津 300112
2. National Ocean Technology Center, Tianjin 300112, China
海流测量主要包括流速和流向测量，目前常用的海流测量设备按照其物理原理可划分为：机械式海流计、压力式海流计、电磁式海流计、声学海流计等[1-2]；按照测量方式可划分为：浮标漂移测流法、定点测流法、船载走航测流法和投弃式走航测流法.投弃式海流电场剖面仪（eXpendable Current Profiler，XCP）是投弃式海洋环境剖面测量仪的一种，可快速获取海流剖面信息[3].同时XCP是电磁海流计的一种，采用投弃式测流法获取海流剖面信息，因其采用地磁场作为激发场源，自身设备无须设计发射源，使得其前端探头较为轻便.其在测量过程中采用不回收且不停航的作业方式，相对于其它海流测量设备更加快速、便捷，因此，其不但可大大提升海流探测效率，而且更加胜任于有争议的特殊海域的海洋环境参数测量.XCP可从舰船、潜艇、飞机等搭载平台上进行探头发射或人工抛投，可在下沉过程中快速测量海流及温度剖面参数，并可由探头下沉速度计算出相应水深参数[4-5].测量数据以有线或无线通讯方式传送至搭载平台，经数据处理后可实时获取海流及温度随深度变化信息.投弃式海流剖面仪为海洋调查、海洋环境预报、科学研究及军事应用提供了先进高效的测量手段[6-7].
早在20世纪70年代，西方发达国家便开始了投弃式温度与海流速度剖面仪（XTVP）的研究.美国华盛顿大学应用物理实验室T.B.Sanford等人于1971年提出了海水运动感生电磁场的基本计算公式[8]，并于1978年成功研发出了第一台投弃式温度速度测量仪（XTVP）[9].1979年到1980年T.B. Sanford及其研发团队联合斯皮坎公司（Sippican）制作并海试了几百个探头，获得了初步探测成果[10-11].之后该公司将XTVP更名为XCP并投入实际生产，使其广泛地应用到海洋调查、科学研究及国防军事之中[11-12].采用XCP勾画了南极绕极流分布图[12]，探测了丹麦海峡的快速溢流水现象等[13].
目前掌握XCP技术并生产这类仪器的企业只有美国的斯皮坎公司（Sippican）和日本的鹤见精机公司（TSK），它们共同占据了全部国际市场，并对相关国家实行技术禁运[4].在国家“十一五”高技术研究发展计划（863计划）的支持下，本课题组在国内首次对XCP中的各项技术进行了深入研究，通过精密设计[14-17]自主研制成功了我国首套XCP设备，并进行了多次海洋试验.
2 XCP探测原理及方法 2.1 海流感生电场原理海水运动时，切割地磁场磁力线将产生感生电动势和感生电场.在地磁场稳定的情况下，电动势的大小主要取决于海流速度.因此，可以通过测量海流产生的感生电场来研究海流的运动特征[3].由于在大多数情况下海流水平方向的流动比垂直方向上的流动强得多，因此，在实际工作中，多数情况下以研究水平海流为主.
以x轴指向东、y轴指向北、z轴向上建立直角坐标系.当海流V沿任意方向水平流动，感生电压的测量方向与y轴存在一个夹角（测量方位角θ）时，水平放置的距离为L电极两点间探测到的海流感生电动势为[3-4, 8]：
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(1) |
其中VE、VE、VN、VN分别为海流的东向分量、东向分量的平均速度、北向分量、北向分量的平均速度，Fz为地磁场的垂直分量.公式（1）为海流产生电场的理论公式，由此可知，测量的电压除与Fz及测量电极距离L成正比外，还与海流的相对速度（V-V）成正比，故通过测量ΔΦ1可获得海流的相对速度（V-V）.因实际中V不易确定，故实际测量中得到的是海流的相对速度.
2.2 XCP构架XCP主要包括探头、浮筒、探头与浮筒之间数传的千米漆包线、XCP无线海流数据甲板接收单元，如图 1所示.为探测不同深度的海流流速，XCP探头通常采用自由下沉方式，在下沉运动中探测某一地点由海面至海底的海流流速剖面[3].XCP投到海面，浮筒感应到海水，触发释放开关，将探头释放出，探头在自身重力作用下，拖着漆包线（双股漆包线外径0.1 mm，2 km长，重约300 g）快速旋转下沉，并不断地测得探头所处位置的海流感生电场及温度信息，这些数据通过漆包线实时地传输到水面的浮筒内，再由浮筒经无线装置转发至搭载平台上的无线接收单元.探头到达海底后，漆包线自动断开，至此完成了从海面至海底的整个测量过程.
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图 1 投弃式海流电场剖面仪工作示意图 Fig. 1 Schematic diagram of expendable current profiler |
XCP总体构架图如图 2所示.XCP探头由探头模拟电路板、数字电路板及各前端传感器组成.探头模拟电路板可实现对各微弱信号（Ag-AgCl电极信号、罗盘线圈信号、温度信号）的模拟信号调理、电压比较及A/D转换的功能；XCP探头数字电路主要实现压频（V/F）转换及SoPC数字处理.XCP浮筒中内置基于改进型LVDS数传的接收电路及无线发送模块，从而实现数据中转.甲板接收单元采用无线接收模块将所接收的XCP信息存储至便携式数据存储上位机.
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图 2 XCP总体构架图 Fig. 2 Overall structure of XCP |
根据Sanford提供的模型[8]，需在公式（1）中加入XCP探头引起的补偿系数如公式（2）所示.其中L为电极间距，公式（2）中的K是由于XCP探头放置于被测海水时，对XCP探头周边的海流感生电场分布产生了影响，根据数值模拟正演计算和实验室物理模拟实验均发现：XCP探头的加入将使XCP海流电场传感器上所接收的海流电场强度提升约1倍，故K一般情况下取值为1.
XCP探头在下沉运动过程中由两电极切割水平地磁场所产生的感生电压ψ2如公式（3）所示.其中FH为水平地磁场，W为XCP探头下沉速度，L为电极间距，θ是测量电极与y轴（磁北方向）的夹角.因此，XCP海流电场传感器上总电压ΔUe如公式（4）所示.
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(3) |
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(4) |
电极测量到的电压以及线圈信号经过压频转换器，变成以信号的频率高低表示电压大小的脉冲信号.在测量中，探头根据罗盘线圈的信号，通过电子线路将调制的信号进行解调，并将它们发送到海面XCP浮筒并中转至甲板单元端无线海流数据接收器存储下来.实际上测量仪器所记录下来的主要数据是有用信号周期计数和罗盘线圈信号的周期计数，并且这两类信号都被解调成同相分量In、正交分量Qn、基线量Bn，这三个信号有如下关系：
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(5) |
其中F（t）为电极信号与罗盘线圈信号的假定模型，如公式（6）所示.
XCP探头内部触发信号生成原理图如图 3所示，各信号的产生过程及其意义详见3.3节.公式（5）中t0=0，
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图 3 XCP探头内部触发信号生成原理图 Fig. 3 Schematic diagram of generation of trigger signal in XCP probe |
假设调制信号的模型如公式（6）所示.
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(6) |
ω是探头旋转的角频率，∅是其相位，C、D、E是电路的延时系数，δ是测量噪声.
令TIn=Tn，
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(7) |
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(8) |
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(9) |
根据公式（7）由三个相邻周期的已知Bn解方程求出C、D、E，并对公式（8）、（9）进行电路延时校正，从而解出In′和Qn′，如公式（10）和公式（11）所示.
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(10) |
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(11) |
由In′和Qn′可得到有用信号的两个分量FI和FQ分别为：
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由此可得到调制信号的振幅Fa与相位Fp分别为：
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根据以上步骤并结合仪器的感生电场通道和罗盘线圈通道的增益标定，可求得感生电压信号的幅值与相位ΔUea∠ΔUep和罗盘线圈电压信号的幅值与相位ΔUca∠ΔUcp.根据所求得感生电压信号和罗盘线圈电压信号，依据公式（12）和公式（13）可计算出海流的东向与北向相对速度分量VEr、VNr.
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(12) |
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(13) |
其中: 
海流电场传感器是XCP前端的传感器部分.由于海水运动切割地磁场所感生的电场幅度非常微弱，在中低纬度地区1 cm/s海流所产生的感生电场量值小于1 μV/m[4, 10, 18].为了设计出轻便的投弃式海流剖面仪，海流电场传感器长度一般为5 cm，而为了使其测量精度达到1 cm/s，则其噪声不得大于50 nV.为了实现1 cm/s的测量精度，需要重点解决提取纳伏级海流信号、将海流电场信号调制为窄带单频信号等问题，因为频带越窄，海流电场传感器噪声越低.
海洋测量环境决定了海流电场信号必需经过从液相介质到固相介质的传递过程，由于非同相介质相互接触会引起电化学噪声，这对观测微弱的海流感生电场信号是极为不利的[19].因此，寻找一种在海洋环境下极化电位小且稳定的电极材料至关重要.大量实验表明，将Ag-AgCl按一定比例配方以粉末冶金工艺制成的电极在海水中具有良好的电化学性能[20-21]，其原因为：一、Ag在实验室条件下较易提炼成纯态，从而排除了由于杂质造成的“电池效应”[19-20]，且纯银在温度大体不变的环境下电化学稳定性较好；二、海水导电物质载体是Cl-离子，AgCl与海水接触后，在固相与液相的接触面上，参与导电的主要载体是同一化学成分，使得电化学噪声降至最低[19-23].
海流电场传感器极差电位在毫伏级以下[19, 23]，极差波动优于0.1 mV/24h[19, 23]，虽然此极差及其波动已非常小，但相对于几十nV级别的海流电场信号来说，极差干扰已是海流电场信号强度的1万倍.为了降低海流电场信号中的噪声，提高信噪比，需将其进行AM调制为窄带单频信号，以便于后续进行锁相放大提取.XCP探头尾部设计有旋转翼，探头以约3.85 m/s的速度下沉的过程中，由海水推动旋转翼，使探头以16 r/s的速度旋转下沉，由此实现将海流电场信号调制为16Hz左右的窄带单频信号.同时电极的电压噪声频谱密度在16 Hz左右时达到了最佳性能，其值不大于10 nV/Hz1/2[19-21].
3.2 XCP探头前端弱信号处理电路设计为了设计出符合XCP投弃式海流剖面仪性能要求的探头前端弱信号处理电路，在设计前需明确前端传感器的性能及其输出信号的特点，一方面需要与传感器进行阻抗匹配，另一方面需要滤除噪声并提取传感器输出的有用信号.
XCP探头的传感器由两个Ag-AgCl不极化电极和一个与电极同轴的罗盘线圈组成.探头尾部设有旋转翼，随着XCP探头在海水中下沉，旋转翼带动XCP探头内部的电极和罗盘线圈以同样的角速度旋转，并切割地磁场产生一定的电极信号和线圈信号，同时电极信号上叠加了两种信号，一种是被调制后叠加入电极的海流感生电场信号，另一种是电极自身下沉过程中切割水平磁力线产生的XCP探头下沉感生电场信号.电极信号和线圈信号的频率、幅度与探头机械结构、探头重量、线圈属性、探头的下沉速度及旋转频率存在一定的关系.
假设1 cm/s的海流在20°N海域所感生的电场在极距为5 cm的海流电场传感器上产生的电压差大约是20 nV左右，以3.85 m/s的速度下沉时，XCP探头下沉感生电场信号幅度大约是7.3 μV，此为强干扰信号.根据海流电场信号与罗盘线圈信号特点，海流电场探头前端弱信号处理电路原理框图如图 4所示.罗盘线圈感生电场信号不仅用于确定东向和北向，而且可部分削弱探头下沉感生电场；前置放大电路分别对海流电场Ee和罗盘线圈感生电场Ec放大2500和250倍；电场同向分量补偿电路实现对XCP探头下沉感生强干扰信号的部分抵消；因海流电场信号与罗盘线圈信号在探头下沉中均被调制为频率为16 Hz左右的近似单频信号，故在探头前端弱信号处理电路中加入中心频率点为16 Hz左右的二阶带通电路，由此提取有效信号.
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图 4 海流电场探头前端弱信号处理电路原理框图 Fig. 4 Block diagram of weak signal processing circuit functional in XCP probe |
探头数字电路部分引入了SoPC技术，将HDL编程、软CPU的构建和面向软CPU的C语言编程融入到XCP设计中，实现了探头数字处理部分的快速开发、快速优化和硬件软件化，并提升了系统整体性能.探头数字处理部分主要包括四项内容：
1）海流电场和罗盘线圈后续模拟信号的数字化技术及其基于HDL模块的数字处理与有效信息提取技术；
2）海洋温度数据的AD转换及其面向于AD转换芯片的HDL控制程序的实现；
3）面向于XCP投弃式海流剖面仪探头部分的NIOSII软CPU及其片内外设的平台构建；
4）基于NIOSII的C语言编程实现对以上各硬件模块的控制及有效数据的上传.
依据XCP工作原理，探头在水中需采集电极信号、罗盘线圈信号以及温度信号，综合分析后，设计XCP探头主控板原理框图如图 5所示，温度信号采集电路放置于探头模拟电路板中.其中SoPC芯片与SRAM、FLASH组成最小数字系统；来自探头模拟板的信号E7、E8进入以AD650为核心的压频转换电路，输出脉冲信号Fe、Fc；E8进入LM393电压比较器电路，输出脉冲信号CR；Fe、Fc、CR信号进入SoPC芯片，经HDL程序处理后，生成自旋周期（T）、罗盘同向分量（Ic）、电极同向分量（Ie）、罗盘基线量（Bc）、电极基线量（Be）、罗盘正交分量（Qc）、电极正交分量（Qe）、自旋圈数等参数，24位AD转换器CS5532用于采集温度信息，数据最终以UART协议通过LVDS物理层接口发送至海面浮筒中.
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图 5 XCP探头数字处理主控板原理框图 Fig. 5 Block diagram of digital processing main control board of XCP probe |
探头内部各计数模块均由CIR、CQR信号触发，因此CIR、CQR信号的产生至关重要.CIR、CQR信号的产生过程如图 3所示.E8经电压比较器之后输出CR信号，CR信号各周期为Tn，在第n个CR周期时刻，将S1信号分割为3/4个Tn-1及Tn-（3Tn-1/4），S2信号在S1信号上升沿时翻转产生，触发信号CIR、CQR在S2的上下边沿跳变时产生.从CR信号到CIR、CQR信号的产生过程均采用HDL语言程序设计实现.
3.4 XCP海面浮筒动态数传技术为了实现XCP的走航式快速测量，在探头和搭载平台之间需有数据中转站，此中转站一边接收来自XCP探头的数据，一边将数据实时送至搭载平台上的甲板单元端无线海流数据接收模块中，此中转站即为XCP海面浮筒端.
XCP投弃式海流剖面仪的难点技术之一是：XCP海面浮筒动态数传技术.探头和浮筒之间采用直径0.1 mm，长度为2 km的双股漆包线进行通信.经室内实验测试发现：号称数传距离达10 km的CAN总线技术在此种漆包线上进行数据传输测试，漆包线长度取1 m且在静态情况下都无法进行数据传输，可见在此种漆包线上进行数传实属不易.
XCP探头内部将采集的温度信息，与海流电场信号和罗盘线圈信号相关的数据信息通过漆包线上传到海面浮筒单元.探头数据发送采用1位起始位、8位数据位、1位停止位的UART协议，其发送波特率为4800 bps，发送端物理层采用SoPC的LVDS发送器[14].
因用于数传的漆包线处于快速动态自动放线状态，开始放线时，多数漆包线绕在一起，呈现感性，放线过程中，漆包线处于高介电常数的海水中（相对介电常数为81左右[24]），其容性越来越强.由此导致LVDS信号上叠加了高噪声，为使漆包线和浮筒之间无电气连接，需在浮筒的接收端第一级采用高增益变压器隔离放大，而后经过高低通滤波，滞回比较、模拟加减比例运算电路，以此恢复并提取出数传数据送至浮筒内部的SoPC中.
3.5 甲板单元端无线海流数据接收器为了实现XCP搭载平台对海流信息的回收，XCP搭载平台上需有与海面浮筒端无线中转站相匹配的无线海流数据接收单元，此接收单元通过USB接口将数据上传至上位机.为了对数据进行实时双备份，可在甲板单元上布置两套无线海流数据接收模块.
3.6 上位机实时数据处理及存储程序设计为了实现海流电场的测量，不仅需要研发出XCP硬件设备，还需研发出与此硬件设备相配套的上位机软件.运用LabVIEW和VisualC+ +软件实现对海洋温度及海流数据的实时处理、上位机存储和显示.VisualC++程序主要是配合LabVIEW软件实现相同功能，这在一定程度上起到原始数据的双界面备份功能，从而有效避免原始数据丢失的情况.
3.7 XCP主要性能指标1）可探测水深：2000 m；
2）速度分辨率：1.5 cm/sRMS；
3）垂直深度分辨率：0.3 m；
4）温度分辨率：0.1 ℃；
5）下沉自旋调制频率：16 Hz；
6）水下数传速度：4.8 kbps；
7）无线数传距离：4000 m.
4 XCP海洋试验所研发XCP于2009年4月进行了第一航次海洋试验，投放了4枚XCP探头，首次在18°37.713′N，120°13.643′E和17°56.168′N，119°36.741′E南中国海海域获取了百米内的XCP海流电场信号.2009年9-10月进行了XCP的第二航次海洋试验，投放了7枚XCP探头，在21°56′N，118°36′E附近海域获取了从海面到海下900m的XCP海流速度信息和温度信息.2010年3月进行了XCP的第三航次海洋试验，投放了7枚XCP探头，在21°59′N，118°10′E附近海域获取了从海面到海下1150m的XCP海流速度信息和温度信息，如图 6所示.
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图 6 XCP海流速度信息和温度信息（21°59.42′N，118°10.31′E，2010年3月11日15:16） Fig. 6 XCP ocean current speed and temperature information (21°59.42′N, 118°10.31′E, March 11, 2010, 15:16) |
由图 6中的温度信息可知：从海面到海下37 m深处海水温度稳定在23.9~23.7 ℃之间；从海下37 m到65 m温度迅速从23.7 ℃降至20 ℃以下，平均每10 m温度降低1.3 ℃；从海下65 m到500 m温度从19.82℃降至8.69℃，平均每100 m温度降低2.56 ℃；至海底1151 m处温度降为3.7 ℃.
图 6和图 7中所采集数据的地理位置位于广东汕头的东偏南44.3°方位，距离广东汕头市约215 km. 图 7为ADCP（声学多普勒流速剖面仪）所测海流流速信息，其为图 6的比测数据.所用ADCP为RDI公司的OS-75 K，其最大剖面深度为700 m以内.对比图 6和图 7可知：XCP与ADCP所探测到的海流速度大体一致，从海下16 m至海下600 m深度，东向海流从-0.6 m/s渐变为-0.1 m/s，北向海流从-0.5 m/s渐变为-0.96 m/s，顶层海流方向与中国广东省的海岸线大致平行，流向西南.
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图 7 ADCP海流速度信息（21°59.42′N，118°10.31′E，2010年3月11日15:27） Fig. 7 ADCP ocean current speed information (21°59.42′N, 118°10.31′E, March 11, 2010, 15:27) |
投弃式海流电场剖面仪的研制成功确保了海洋XCP探测得以顺利开展.在研制方案中，主要进行了以下几方面的技术探索：
（1）采用AM调制方式实现了在高噪声背景下快速测量纳伏级微弱海流电场信号.在XCP探头旋转下沉过程中，将海流电场信号AM调制为窄带单频信号，由此将有效信号频移到海流电场传感器的超低噪声频段.
（2）设计了XCP探头前端弱信号处理电路. XCP探头前端弱信号处理电路可对海流电场微弱信号进行滤波提取，同时可实现对海流电场同向分量进行电路补偿，这在一定程度上克服了XCP探头下沉引起感生电场的强干扰.
（3）长度2 km、直径0.1 mm漆包线动态数据传输技术.首创在复杂海洋环境下，采用2 km长、直径0.1 mm动态放线的漆包线进行数字信号传输，波特率达4.8 kbps.探头发送端物理层采用LVDS方式，使发送端物理硬件得以简化.同时在XCP浮筒端设计了硬件的数据提取电路，滤除干扰，由此恢复出发送端所发送的海流电场及温度信息数据.
（4）XCP海流探测方法研究.根据XCP探头所采集的海流电场信号与罗盘线圈信号的同相分量In、正交分量Qn、基线量Bn数据，研究了XCP海流数据探测方法及其理论基础，从而计算出海流的东向与北向相对速度分量VEr、VNr.
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