海鸟系列ctd数据预处理分析

收稿日期：２００８－０４－２０
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中国测绘学会海洋测绘专业委员会第二十届海洋测绘综合性学术研讨会论文集
标准，建议处理者使用后者。每次处理时，必须 更改输出深度的实际观测纬度。 ２．２滞后校准
在ＣＴＤ采集数据过程中，有三种基本原因 会导致各要素的实际采样时间不一致，即滞后现 象。它们是传感器的物理偏差；传感器反应的固 有时间延迟；水通过传感器的时间延迟（对于带有 水泵的ＣＴＤ来说，延迟取决于水通过水泵到各 传感器的时间；对于不配有水泵的ＣＴＤ，延迟取 决于其下方或上升的速度）。
软件提供的滤波器为无限脉冲响应数字滤 波器，该滤波器的输出不仅需要当前时刻的输 入，还需要过去时刻的输入。此外为了消除滤波 器产生的频率混叠现象，采用了双线性变换法。 滤波器的传输函数为：
删＝％＝黜．
式中，彳： ！ ：Ｂ：！：！！翌Ｑ；丁为仪器的
ｌ＋２／ＴＳｏ
１＋２／ＴＳｏ
采样间隔；Ｓｏ为设置的时间常数的倒数。
本过程提供了压力（允许插值）、压力（不 允许插值）、深度（允许插值）、采样号和时间（以 秒为单位）、时间（以小时为单位）六种数据平 均方法。在处理中还要输入平均范围、采用数据 进范围、是否对表层进行平均、表层平均值及位 置等参数。
这几种平均方法的原理相似，只是平均的依 据不同。以压力平均为例，对于不进行表层平均 的过程，如果平均范围为１０，实际平均过程的第 一层如图所示，以下各层依次类推：
对于指定配置ＳＢＥ １９和１９ｐｌｕｓ，电导率采 样可能提前或滞后于温度采样。特别是对于未配 有水泵，电导池水刷新速度完全依靠投放速度的 ＳＢＥ １９，当缓慢速度下放时，电导率滞后于温度， 当下放速度很快时，电导率提前温度。一般的，
当下放速度在０．７５ｍ／ｓ～２ｍ／ｓ中间变化时，电导率 相对温度的滞后为０一－０．６。
在处理过程中，如果配置文件设置有错，有 的要素将不能输出。此外，由于程序提供的密度 偏差选项与我们目前采用规范的要求不符，在此 将只计算密度，需要另外采取手段根据密度计算 密度偏差。
３ 结束语
根据实际海上调查工作和ＣＴＤ原始资料标 准化的需要，本文重点介绍了对海水温度、电导 率采样的预处理工作以及盐度、密度和声速的衍 生计算。对于我们目前使用并不广泛的，由该型 ＣＴＤ可配置的其它观测传感器测得的要素，以及 在衍生计算中提供的统计计算功能在此并没有 提及，用户可参照本文介绍的操作程序，依据相 关规范和产品说明制定处理规程。
ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｂａｓｅ ｏｎ ｔｈｅ ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｒａｃｔｉｃｅ，ｂｒｉｎｇ ｆｏｒｗａｒｄ ｔｈｅ ｏｐｉｎｉｏｎ
ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｉｎ ａｎｄ ａｄｖｉｃｅ ｔｏ
ｄａｔａ ｄａｔａ－
ｓｔａｎｄａｒｄｉｚａｔｉｏｎ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ；ａｎａｌｙｓｉｓ；ＣＴＤ ｄａｔａ；Ｓｅａ－Ｂｉｒｄ ｓｅｒｉｅｓ
（２）“Ｍｏｄｉｆｒ”菜单中的各项参数是ＣＴＤ 的传感器标定参数和观测参数，在处理过程中十 分重要。处理时要保证采用了正确的标定文件， 检查各传感器参数与其是否一致。同时，菜单中 观测模式的选择一定要正确，否则在以后的处理 中软件会将所有数据认为是错误数据，不进行处 理。
（３）在选择输出数据时，如果是进行完整的 数据处理，那么这一步只选择最基本的输出要素 即可。标准的选项是压力（或者深度）、温度和 电导率。输出温度包括ＩＴＳ一６８和ＩＴＳ．９０两种温 标，目前的数据标准化要求并未规定输出温度的
对于分别代表当前输出、前一输出、当前输
入和前一输入的灭ｎ）、ｙ（ｎ一１）、《胛）和ｘ（ｎ．１）有：
妖聆）专彳＠（聆）＋ｘ（，ｚ－１））－Ｂｙ（ｎ一１） 菜单为每一缕波要素提供了彳，占两个时间 常数设定栏，在对要素滤波时可以选择其中一个 或不选择，这样我们在滤波时就可以根据数据具 体情况对不同要素选择不同的滤波方法。例如对 于ＳＢＥ ９ｐｌｕｓ来说，系统建议的电导率和压力滤 波时间常数分别为０．０３和０．１５。但是，在实际处 理工作中，笔者经过多次测试，发现对于ＳＢＥ １９ｐｌｕｓ这类采样率较低的ＣＴＤ数据，随着对滤 波参数的调整数据的滤波效果并不明显，盐度尖 峰没有得到有效消除。对这种情况，建议首先尽 量调整参数以达到滤波要求，如果达不到目的， 则考虑自行编制滤波程序处理，但不能改变原数
表层（Ｏｄｂ） 第一平均层上界 （１０—１０／２＝５ｄｂ） 第一平均层中心 （平均目标值１０ｄｂ） 第一平均层下界 （１０＋ｌＯ／２－－－－１５ｄｂ）
在实际处理中，这一步一般应采用压力平均， 各层平均范围为ｌｄｂ，建议表层平均的最小值为 ０，最大值为１，平均目标为０。 ２．６衍生计算
在以上的处理中，我们主要针对的是压力、 温度和电导率三项基本要素，而原始资料预处理 的最终输出多为深度、温度、盐度、密度和声速 等要素，本过程即可通过基本要素计算出处理要
对于配有标准２０００转／分水泵的ＳＢＥ ２５， 电导率滞后于温度＋Ｏ．１ｓ。
实际工作中设置的校准参数为电导率相对 于压力的滞后，其数值为电导率相对温度和温度 相对压力的滞后时间的和。一些型号的ＣＴＤ如 ＳＢＥ ９１ １是不需要进行此项工作的，因此在进行 校准过程中要严格参照仪器说明。 ２．３滤波
采用低通滤波器对一项或几项数据进行滤 波，以达到平滑高频（快速变化）数据噪声的目 的。为了消除时间偏差，达到零相位偏移，该操 作对数据先进行从前向后，再从后向前滤波。
据
压力
（１）当设定时间常数为正值时，要素的采样 时间向前调整，即向时间轴的负方向调整，表示 滞后，反之亦然。
（２＞各型号ＣＴＤ的校准参数 温度相对压力：ＳＢＥｌ９和１９ｐｕｌｓ为＋０．５ｓ， 由于ＳＢＥ９和ＳＢＥ２５的温度传感器反应很快 （０．０６ｓ），可不进行校准。 电导率相对温度：对于温度和电导率传感器 在Ｔ－Ｃ导管中，并配有转速３０００转／分的水泵 的ＳＢＥ ９ｐｌｕｓ，电导率一般滞后温度０．０７３ｓ。
主要功能是将原始数据文件转换为可供下 一步处理的工程文件，在处理过程中要选择处理 数据控制参数、输出文件的格式、转换数据的范 围、选择输出文件的类型、采水文件参数、数据 输出参数等。这一步相对比较简单，处理时有以 下及各方面需要注意。
（１）在选择转换数据范围时，对于正置投放 的ＳＢＥ型ＣＴＤ，应以下降采样数据为准，上升 采样数据仅作为参考。
关键词：海鸟；ＣＴＤ数据；预处理；分析
１ 引言
海水温度和盐度是海洋水体最基本的物理 要素，其量值对海洋中的其它物理要素如密度、 声速的性质，海水的化学、生物特性以及水体运 动均有着重要的影响，海洋水深测量声速改正数 据也是由温盐数据计算得到的，所以在海洋调查 活动中，对水体的温盐分布调查一直是主要的调 查项目。目前，海鸟系列ＣＴＤ是海洋温盐深调 查中使用最广泛的仪器，随着该型ＣＴＤ的不断 投入使用，对其获取的大量原始资料的预处理和 标准化工作的重要性也日显突出。对ＣＴＤ原始 数据的预处理不仅是标准化的必经之路，其过程 也对最终产品的质量起决定性意义。
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据格式，以进行下一步处理。 ２．４数据标识
根据输入文件表头中参数和用户设置参数， 将输入文件中压力变化缓慢和颠倒的采样标识 为“错”，以备在未来的数据处理中删除这些数 据。标识错误数据一种方法是设定最小速度标 准，另一种方法将是设定时间段内投放的平均速 度百分比作为标识标准。如果当前采样的压力值 不大于前面所有采样的最大压力，该组数据也将 被认为是错误数据。 ２．５数据平均
为了以压力为标准使各要素在时间上一致， 保证数据处理中对盐度、溶解氧浓度和其他要素 的计算针对同一水样，我们使用ＡＬＩＧＮ ＣＴＤ进 行校准。一般校准应用于与压力相关的温度、电 导率和溶解氧，当采样被正确校准后，可以减小 盐度尖峰错误并将溶解氧数据调整为与正确的 压力相协调。效果演示图如下。
时闻
时间
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Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ Ｓｅａ－Ｂｉｒｄ Ｓｅｒｉｅｓ ＣＴＤ Ｄａｔａ
ＣＨＥＮ Ｍｉａ０１。ＬＩ Ｚｈａｎ．ｑｉａ０１，ＹＵＡＮ Ｙａｈ—ｍａ０１，ＹＩＮ Ｓｈａｈ．ｍｉｎ９２ （１．Ｎａｖａｌ ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＨｙｄｒｏｇｒａｐｈｉｃ Ｓｕｒｖｅｙｉｎｇ ａｎｄ Ｃｈａｒｔｉｎｇ，Ｔｉａｎｊｉｎ，３０００６１；
本程序计算盐度、密度和声速均参照联合国 教科文组织（ＵＮＥｓｃＯ）海洋科技文件ＮＯ．４４中 计算海洋基本要素性质的算法（Ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ ｆｏｒ、 ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｓｅａｗａｔｅｒ），其中盐度采用ＰＳＳ一７８实用盐度温标， 密度采用ＥＯＳ８０标准，声速采用Ｗｉｌｓｏｎ公式。 计算深度时根据实际选取不同水体的计算公式， 注意要在选择水体后填入正确的鸟ＣＴＤ原始数据的预处理工作一般要经 过数据转换、滤波、滞后校准、数据标识、数据 平均和衍生要素计算几个步骤，不同类型的ＣＴＤ 处理过程并不完全相同，这不仅体现在处理步骤
上，还有仪器性能影响设置参数的因素以及处理 者针对实际情况和处理要求的人工干预。一般的 处理过程即为上述步骤顺序执行，但有些仪器可 以省略其中某些步骤（如ＳＢＥ２５ ＣＴＤ），有些步 骤可以按要求重复执行，总的原则是，数据转换 和衍生计算必须在第一步和最后一步执行，滞后 校准必须在数据平均之前进行。下面即结合实际 要求详细介绍每一步骤操作过程，并在介绍中讨 论处理的原理和需要注意的问题。 ２．１数据转换
海鸟ＣＴＤ配有对其数据进行预处理的专门 软件ＳＢＥＤａｔｅＰｏｃｅｓｓｉｎｇ．Ｗｉｎ３２，其功能基本可以 满足用户要求，但不同型号的海鸟ＣＴＤ的预处 理过程、处理参数是不同的，并且其最终产品还 不能立即应用于标准化工作。这首先要求处理者 对操作步骤、仪器性能、处理要求有着全面的理 解。本文依据相关资料处理规范和处理软件对海 鸟ＣＴＤ预处理的过程做出全面的介绍，同时还 针对不同型号仪器分析了在预处理各个步骤中 使用的原理，可能存在的问题，以及如何更好地 针对标准化进行处理。
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海鸟系列ＣＴＤ数据预处理分析
陈淼１，李占桥１，袁延茂１，．尹善明２
（１．海军海洋测绘研究所，天津３０００６１；２．９２４８８部队，广东湛江５２４０６４）
摘要：介绍海鸟系列ＣＴＤ原始数据预处理的方法和步骤，解释各个过程中的原理，根据规范和工作实际对处理 过程中存在的问题进行分析，提出解决方案，针对资料的标准化提出建议和意见。
２．９２４８８ Ｔｒｏｏｐｓ，Ｚｈａｎｊｉａｎｇ，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ，５２４０６４）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｓｅａ－Ｂｉｒｄ ＣＴＤ ｓｅｒｉｅｓ’ｄａｔａ，
ｅｘｐｌａｉｎｓ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｉｎ ｄａｔａ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ．Ａｎａｌｙｚｉｎｇ ａｎｄ ｇｉｖｉｎｇ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｆｏｒ
参考文献：
［１］方欣华．ＣＴＤ资料质量控制【Ｍ】。青岛：青岛海洋 大学出版社，１９９２．
［２］叶安乐，李风岐．物理海洋学［ＭＩ．青岛：青岛海 洋大学出版社，１９９２．
［３］张立材，吴冬梅．数字信号处理．【ｈ幻．北京：北京 邮电大学出版社，２００４．
［４］ＧＢｌ２７６３．７．９１．海洋调查规范海洋调查资料处理 【ＭＩ．北京：北京标准出版社，１９９２．
求输出的要素，是对原始ＣＴＤ资料预处理的最 后一步工作。
目前ＣＴＤ标准资料一般要求输出深度、温 度、盐度、密度偏差和声速，其中温度属于基本 要素，在这里只讨论深度、盐度、密度和声速的 衍生计算，密度偏差由处理者根据密度自行计 算。需要注意的是，在计算中温度均采用ＩＴ６８ 标准，这与以前输出的ＩＴ９０标准的温度是不冲 突的。