[科普中国]-海洋观测仪器

简述

对海洋的正确认识来自实验观测，海洋科学研究的每一个重大发现或进步都与某项新仪器的应用密切相关，先进的海洋观测仪器对海洋科学的进步是至关紧要的。如在热带海洋与全球大气（TOGA）计划中，每年投放的抛弃式深温计（XBT）达3万个，飘流浮标达230个。

海洋观测仪器是用于海洋观测的所有仪器的总称，是观测和测量海洋的基本工具，通常指采样、测量、观察、分析和数据处理等设备。海洋观测仪器是技术密集、知识密集和资金密集的高技术领域之一，是海洋信息产业的支柱。2

海洋观测仪器不断更新，其特点是向多样化发展，向系统化发展，运用计算技术、遥感技术、水声技术、激光技术、防蚀技术等各种新技术，引起海洋仪器变革，实现自动化、高精度、长时间连续观测和大面积观测。3

定义海洋观测仪器是指海洋调查的基本工具，可为海洋开发提供必需的数据资料。

海洋观测仪器狭义的指测量海洋水文要素的仪器。

广义的包括海洋物理和化学要素测量仪器、海洋地质地貌仪器、海洋地球物理勘探仪器、海洋生产网具等。3

发展历史早在15世纪中叶，就有人研制测量海水深度的仪器。但比较简单而又可靠的测温工具，是1874年研制出的颠倒温度表，随后又设计出埃克曼海流机，20世纪初，研制出了回声测深仪。1938年研制出机械式深温计，从而可以快速观测水温随深度的变化。直到20世纪50年代以前，海洋观测仪器主要使用机械式仪器，回声测深仪是惟一的电子式测量装置。60年代以后，海洋观测仪器在设计上大量采用新技术，逐步实现了电子化。海水屏障是海洋仪器设备必须克服的首要问题，恶劣的海洋环境使海洋仪器仪表成为仪器仪表工业的特殊分支，有它特定的社会需求。2

我国海洋观测仪器设备的研制工作开始于50年代。1958年开始的全国海洋普查工作促进了中国海洋仪器设备研制工作的开展，是中国海洋仪器设备研究发展史上的一个转折点。80年代，我国开展了海洋环境自动监测网的建设工作，近年来研制成功的走航式声学多普勒海流剖面仪、具有世界先进水平的惟一可在2 m浅海作业的高分辨率浅地层剖面仪和彩色双频垂直探鱼仪，已广泛应用于海洋科学研究、海洋资源勘探开发以及军事活动等各个领域。2

分类海洋观测仪器按结构原理可分为声学式仪器、光学式仪器、电子式仪器、机械式仪器以及遥测遥感仪器等；根据运载工具不同，划分为船用仪器、潜水器仪器、浮标仪器、岸站仪器和飞机、卫星仪器。其中船用海洋观测仪器品种最多。

(一)按其操作方式分类

(1)投弃式：从调查船或低空飞行的飞机上将仪器的传感器投入海中，传感器与仪器间的运算、记录部分用导线联系，或者通过无线电波，将测得的数据传递到船或飞机上，传感器简单、价廉，用后不再回收，这类仪器已用得相当普遍。如飞机使用投弃式深温计，可以测量大约2 000 m深的海水温度。它的关键部件是投弃式探头，内有与一盘细导线相联的热敏电阻或其它感温元件。在探头入水过程中，把导线拉出，导线把温度变化传到记录器，因为探头下降速度是已知的，可以从记录器上直接读出深度。

(2)自返式：从船上（或飞机）上将仪器投入大海中，仪器到达预定深度或触及海底时测量，完成测量任务或采样后，释放装置动作，卸掉压载的重物，仪器借助自身的浮力返回海面。或者在浮至海面时通过微波通道向船（或飞机）上的记录装置传递测量数据，或由船将仪器回收，而数据记录在仪器内装的磁带上。

(3)悬挂式：利用船上的绞车吊杆从船舷旁把仪器送入海中，在船只锚定或飘流的情况下进行观测。

(4)拖曳式：工作时从船尾放人海中，拖曳在船后进行走航

(二)按所测要素分类

海洋观测仪器对使用者来说，通常按所测要素分类。例如测温仪器、测盐仪器、测波仪器、测流仪器、营养盐仪器、重力和磁力仪器、底质探测仪器、浮游生物与底栖生物仪器等等。将它们归纳起来可以划分为4大类：海洋物理性质观测仪器、海洋化学性质观测仪器、海洋生物观测仪器、海洋地质及地球物理观测仪器。这里主要介绍海洋物理性质观测仪器，其它的海洋观测仪器将在其相应的章节中作主要介绍。

(1)海洋物理性质观测仪器：用于观测海洋中的声、光、温度、密度、动力等现象。通过这些主要物理特性的测量，可推导出蒸发、热交换、海流及海水的运动以及海洋中其它多种物理过程。因为海水密度不便直接测定，通常用温度、盐度和压力值计算换算而得，所以盐度取代密度成为一个必测参数。

英国于1874年研制成功的颠倒温度表，可以测出仪器颠倒点的温度和压力，具有非常高的测量精度。颠倒温度表通常与颠倒采水器装在一起放人海中。当颠倒采水器到达预定的深度时，把使锤沿着钢缆打下去，撞击采水器，使它翻转，释放另一个使锤，对钢缆上的下一个采水器重复同样的动作。当采水器翻转时，将海水取样，用它来测定盐度；翻转时还将温度表内的水银柱中的水银截断，以保持当时测得的温度值，否则当把温度表提起，穿过温度较高的表层海水时，表的温标就上升了。经常使用的这种温度表有两种，一种是开端的，另一种是闭端。海水的压力用于压开端温度表，产生异常的温度读数，与压力成正比。由于压力与深度有关，开闭端两支温度计的温度差就代表测量到的压力或水深。颠倒温度表精确可靠，但只能进行定点不连续的测量。

现代进行大面积调查通常用电子式盐温深测量仪等。其一般由水下探头、水上数据处理装置和吊放设备组成。水下探头主要包含传感器和测量电路。水上数据处理装置一般以计算机为主体，用表头指示、数码显示、磁带记录、模拟作图等多种方式记录和显示海水的盐度、温度和深度的测值。船只走航测温常用投弃式深温计，空中遥感观测海水温度则用红外辐射温度计。

岸边潮汐观测使用浮子式验潮仪，其通过测量验潮井中浮子的垂直位移来记录潮位的变化，验潮井须与当地最低水位相通，且能较好地消波。外海测潮采用压力式自容仪，大洋潮波的观测依靠卫星上的雷达测高仪。海浪观测仪的品种比较繁杂，有各种形式的测波杆、压力式测波仪、光学原理的测波仪、超声波式测波仪，近年用得较多的是加速度计式测波仪。

海流观测或用仪器定点测量，或用漂流物跟踪观测。定点测流是海洋观测中常用的方法，所用仪器有旋转式海流计、电磁式海流计、声学海流计等，其中用得最多的是旋转式仪器。旋转式海流计利用海流的动能推动机械式流速传感器旋转，根据流速定向的尾翼和磁罗盘确定流向。如埃克曼海流计等几种。旋转式海流计结构简单，成本低，但其流速传感器的惯性较大，不适用于表层和波浪区海流的测量。而电磁式、声学等非旋转式海流计在结构上较复杂，造价较高，但它没有机械惯性，响应快，测量精度较高，对被测流场的干扰小，适用于准确度要求较高的场合。

海洋声参数仪器主要有声速仪，用以观测声波在水中的传播速度。海洋光学仪器有透明度计和照明度计，用以观测海水对光线的吸收和海洋自然光场的强度。

(2)海洋化学性质观测仪器：海洋观测中所用的化学仪器，主要用来测定海水中各种溶解物的含量。20世纪60年代以前，除少数几项可在船上用滴定管和目力比色装置完成外，大部分项目要保存样品带回陆上实验室分析。60年代以后，调查船上逐渐采用船用盐度计、船用pH计、溶解氧测定仪，以及船用分光光度计和船用荧光计。近年来，船用单项化学分析仪器与自动控制装置相结合，形成船用多要素的自动测定仪器。这种综合仪器还可以配备电子计算机，提高其自动化程度。

(3)海洋生物观测仪器：海洋生物种类繁多，相应有不同的观测仪器。海水中的微生物需采样后进行研究，采样工具有复背式采水器和无菌式采水袋。浮游生物采样器主要有浮游生物网和浮游生物连续采集器。底栖生物采样使用海底拖网、采泥器和取样管。浮游生物采样依靠鱼网，观察鱼群使用鱼探仪。海洋初级生产力的观测，除利用化学仪器测营养盐，利用光学仪器测定光场强度之外，还用荧光计测定海水中的叶绿素含量。为了观察海洋生物在海中的自然状态，需要利用水中摄像，水下实验室可使人们在海底停留较长的时间，是观察海洋生物活动的良好设备。

(4)海洋地质及地球物理观测仪器：底质取样设备是最早发展的海洋地质仪器，分表层取样设备与柱状取样设备两类。表层取样设备又称采泥器，有重力式采泥器、弹簧式采泥器和箱式采泥器，其中箱式采泥器能保持沉积物原样。底质柱状采样工具有重力取样管、振动活塞取样管、重力活塞取样管等，结合底质取样，还可以进行照相。

回声测深是观测水深、地貌和地层结构最常用的仪器，侧扫声纳又称地貌仪，安装在船壳上或拖曳体上，可以观测海底地貌。地层剖面仪利用声波在海底沉积物中的传播和反射测出地层结构。海洋地球物理仪器有重力仪、磁力仪和地热计等。地热计结构比较简单，将热敏电阻安放在钢质探针的顶端，靠重力作用插入海底，便能测出海底沉积物的温度。2

发展特点从世界范围看，海洋仪器发展有如下特点：

(1)海洋仪器向多样化发展。

(2)系统化。海洋仪器开始是单项测量的仪器，由20世纪40年代末开始，出现了现场用的电子测量仪器，使得多要素综合测量有了可能。因为海洋调查是一项极耗资的工作，单项测量极不合算，多要素测量仪器就逐步推广，如温-盐-深、流速-流向-温-盐-深-声速等。如各要素都独立处理，其记录器就不合理了，于是进行了系统化的考虑，除各种要素的传感器不同外，信号形式，处理器，记录器尽量通用，这样可使仪器结构简化，耗电减少，而使标准性、通用性、互换性提高。

(3)采用以计算技术等高新技术。以机械、化学仪器为主发展到电子仪器是一次变革，而运用计算技术、遥感技术、水声技术、激光技术等又是一次变革。特别是计算技术已成为现代化海洋仪器所必备，广泛应用于测量的程序控制、信息的运算和存储、资料的分析、整理、打印、绘图、交换和传递。微处理可以完成上述功能，尺寸、重量、耗电都很小，操作简便，可靠性强，能在海洋调查的严酷环境中使用，计算技术使海洋仪器朝自动化迈进了一步。2