海洋觀測儀器

對海洋的正確認識來自實驗觀測，海洋科學研究的每一個重大發現或進步都與某項新儀器的應用密切相關，先進的海洋觀測儀器對海洋科學的進步是至關緊要的。如在熱帶海洋與全球大氣（TOGA）計劃中，每年投放的拋棄式深温計（XBT）達3萬個，飄流浮標達230個。

海洋觀測儀器是用於海洋觀測的所有儀器的總稱，是觀測和測量海洋的基本工具，通常指採樣、測量、觀察、分析和數據處理等設備。海洋觀測儀器是技術密集、知識密集和資金密集的高技術領域之一，是海洋信息產業的支柱。 ^[2] 

海洋觀測儀器不斷更新，其特點是向多樣化發展，向系統化發展，運用計算技術、遙感技術、水聲技術、激光技術、防蝕技術等各種新技術，引起海洋儀器變革，實現自動化、高精度、長時間連續觀測和大面積觀測。 ^[3] 

海洋觀測儀器是指海洋調查的基本工具，可為海洋開發提供必需的數據資料。

海洋觀測儀器狹義的指測量海洋水文要素的儀器。

廣義的包括海洋物理和化學要素測量儀器、海洋地質地貌儀器、海洋地球物理勘探儀器、海洋生產網具等。 ^[3] 

早在15世紀中葉，就有人研製測量海水深度的儀器。但比較簡單而又可靠的測温工具，是1874年研製出的顛倒温度表，隨後又設計出埃克曼海流機，20世紀初，研製出了回聲測深儀。1938年研製出機械式深温計，從而可以快速觀測水温隨深度的變化。直到20世紀50年代以前，海洋觀測儀器主要使用機械式儀器，回聲測深儀是惟一的電子式測量裝置。60年代以後，海洋觀測儀器在設計上大量採用新技術，逐步實現了電子化。海水屏障是海洋儀器設備必須克服的首要問題，惡劣的海洋環境使海洋儀器儀表成為儀器儀表工業的特殊分支，有它特定的社會需求。 ^[2] 

我國海洋觀測儀器設備的研製工作開始於50年代。1958年開始的全國海洋普查工作促進了中國海洋儀器設備研製工作的開展，是中國海洋儀器設備研究發展史上的一個轉折點。80年代，我國開展了海洋環境自動監測網的建設工作，近年來研製成功的走航式聲學多普勒海流剖面儀、具有世界先進水平的惟一可在2 m淺海作業的高分辨率淺地層剖面儀和彩色雙頻垂直探魚儀，已廣泛應用於海洋科學研究、海洋資源勘探開發以及軍事活動等各個領域。 ^[2] 

海洋觀測儀器按結構原理可分為聲學式儀器、光學式儀器、電子式儀器、機械式儀器以及遙測遙感儀器等；根據運載工具不同，劃分為船用儀器、潛水器儀器、浮標儀器、岸站儀器和飛機、衞星儀器。其中船用海洋觀測儀器品種最多。

(1)投棄式：從調查船或低空飛行的飛機上將儀器的傳感器投入海中，傳感器與儀器間的運算、記錄部分用導線聯繫，或者通過無線電波，將測得的數據傳遞到船或飛機上，傳感器簡單、價廉，用後不再回收，這類儀器已用得相當普遍。如飛機使用投棄式深温計，可以測量大約2 000 m深的海水温度。它的關鍵部件是投棄式探頭，內有與一盤細導線相聯的熱敏電阻或其它感温元件。在探頭入水過程中，把導線拉出，導線把温度變化傳到記錄器，因為探頭下降速度是已知的，可以從記錄器上直接讀出深度。

(2)自返式：從船上（或飛機）上將儀器投入大海中，儀器到達預定深度或觸及海底時測量，完成測量任務或採樣後，釋放裝置動作，卸掉壓載的重物，儀器藉助自身的浮力返回海面。或者在浮至海面時通過微波通道向船（或飛機）上的記錄裝置傳遞測量數據，或由船將儀器回收，而數據記錄在儀器內裝的磁帶上。

(3)懸掛式：利用船上的絞車吊杆從船舷旁把儀器送入海中，在船隻錨定或飄流的情況下進行觀測。

(4)拖曳式：工作時從船尾放人海中，拖曳在船後進行走航

海洋觀測儀器對使用者來説，通常按所測要素分類。例如測温儀器、測鹽儀器、測波儀器、測流儀器、營養鹽儀器、重力和磁力儀器、底質探測儀器、浮游生物與底棲生物儀器等等。將它們歸納起來可以劃分為4大類：海洋物理性質觀測儀器、海洋化學性質觀測儀器、海洋生物觀測儀器、海洋地質及地球物理觀測儀器。這裏主要介紹海洋物理性質觀測儀器，其它的海洋觀測儀器將在其相應的章節中作主要介紹。

(1)海洋物理性質觀測儀器：用於觀測海洋中的聲、光、温度、密度、動力等現象。通過這些主要物理特性的測量，可推導出蒸發、熱交換、海流及海水的運動以及海洋中其它多種物理過程。因為海水密度不便直接測定，通常用温度、鹽度和壓力值計算換算而得，所以鹽度取代密度成為一個必測參數。

英國於1874年研製成功的顛倒温度表，可以測出儀器顛倒點的温度和壓力，具有非常高的測量精度。顛倒温度表通常與顛倒採水器裝在一起放人海中。當顛倒採水器到達預定的深度時，把使錘沿着鋼纜打下去，撞擊採水器，使它翻轉，釋放另一個使錘，對鋼纜上的下一個採水器重複同樣的動作。當採水器翻轉時，將海水取樣，用它來測定鹽度；翻轉時還將温度表內的水銀柱中的水銀截斷，以保持當時測得的温度值，否則當把温度表提起，穿過温度較高的表層海水時，表的温標就上升了。經常使用的這種温度表有兩種，一種是開端的，另一種是閉端。海水的壓力用於壓開端温度表，產生異常的温度讀數，與壓力成正比。由於壓力與深度有關，開閉端兩支温度計的温度差就代表測量到的壓力或水深。顛倒温度表精確可靠，但只能進行定點不連續的測量。

現代進行大面積調查通常用電子式鹽温深測量儀等。其一般由水下探頭、水上數據處理裝置和吊放設備組成。水下探頭主要包含傳感器和測量電路。水上數據處理裝置一般以計算機為主體，用表頭指示、數碼顯示、磁帶記錄、模擬作圖等多種方式記錄和顯示海水的鹽度、温度和深度的測值。船隻走航測温常用投棄式深温計，空中遙感觀測海水温度則用紅外輻射温度計。

岸邊潮汐觀測使用浮子式驗潮儀，其通過測量驗潮井中浮子的垂直位移來記錄潮位的變化，驗潮井須與當地最低水位相通，且能較好地消波。外海測潮採用壓力式自容儀，大洋潮波的觀測依靠衞星上的雷達測高儀。海浪觀測儀的品種比較繁雜，有各種形式的測波杆、壓力式測波儀、光學原理的測波儀、超聲波式測波儀，近年用得較多的是加速度計式測波儀。

海流觀測或用儀器定點測量，或用漂流物跟蹤觀測。定點測流是海洋觀測中常用的方法，所用儀器有旋轉式海流計、電磁式海流計、聲學海流計等，其中用得最多的是旋轉式儀器。旋轉式海流計利用海流的動能推動機械式流速傳感器旋轉，根據流速定向的尾翼和磁羅盤確定流向。如埃克曼海流計等幾種。旋轉式海流計結構簡單，成本低，但其流速傳感器的慣性較大，不適用於表層和波浪區海流的測量。而電磁式、聲學等非旋轉式海流計在結構上較複雜，造價較高，但它沒有機械慣性，響應快，測量精度較高，對被測流場的干擾小，適用於準確度要求較高的場合。

海洋聲參數儀器主要有聲速儀，用以觀測聲波在水中的傳播速度。海洋光學儀器有透明度計和照明度計，用以觀測海水對光線的吸收和海洋自然光場的強度。

(2)海洋化學性質觀測儀器：海洋觀測中所用的化學儀器，主要用來測定海水中各種溶解物的含量。20世紀60年代以前，除少數幾項可在船上用滴定管和目力比色裝置完成外，大部分項目要保存樣品帶回陸上實驗室分析。60年代以後，調查船上逐漸採用船用鹽度計、船用pH計、溶解氧測定儀，以及船用分光光度計和船用熒光計。近年來，船用單項化學分析儀器與自動控制裝置相結合，形成船用多要素的自動測定儀器。這種綜合儀器還可以配備電子計算機，提高其自動化程度。

(3)海洋生物觀測儀器：海洋生物種類繁多，相應有不同的觀測儀器。海水中的微生物需採樣後進行研究，採樣工具有復背式採水器和無菌式採水袋。浮游生物採樣器主要有浮游生物網和浮游生物連續採集器。底棲生物採樣使用海底拖網、採泥器和取樣管。浮游生物採樣依靠魚網，觀察魚羣使用魚探儀。海洋初級生產力的觀測，除利用化學儀器測營養鹽，利用光學儀器測定光場強度之外，還用熒光計測定海水中的葉綠素含量。為了觀察海洋生物在海中的自然狀態，需要利用水中攝像，水下實驗室可使人們在海底停留較長的時間，是觀察海洋生物活動的良好設備。

(4)海洋地質及地球物理觀測儀器：底質取樣設備是最早發展的海洋地質儀器，分表層取樣設備與柱狀取樣設備兩類。表層取樣設備又稱採泥器，有重力式採泥器、彈簧式採泥器和箱式採泥器，其中箱式採泥器能保持沉積物原樣。底質柱狀採樣工具有重力取樣管、振動活塞取樣管、重力活塞取樣管等，結合底質取樣，還可以進行照相。

回聲測深是觀測水深、地貌和地層結構最常用的儀器，側掃聲納又稱地貌儀，安裝在船殼上或拖曳體上，可以觀測海底地貌。地層剖面儀利用聲波在海底沉積物中的傳播和反射測出地層結構。海洋地球物理儀器有重力儀、磁力儀和地熱計等。地熱計結構比較簡單，將熱敏電阻安放在鋼質探針的頂端，靠重力作用插入海底，便能測出海底沉積物的温度。 ^[2] 

從世界範圍看，海洋儀器發展有如下特點：

(1)海洋儀器向多樣化發展。

(2)系統化。海洋儀器開始是單項測量的儀器，由20世紀40年代末開始，出現了現場用的電子測量儀器，使得多要素綜合測量有了可能。因為海洋調查是一項極耗資的工作，單項測量極不合算，多要素測量儀器就逐步推廣，如温-鹽-深、流速-流向-温-鹽-深-聲速等。如各要素都獨立處理，其記錄器就不合理了，於是進行了系統化的考慮，除各種要素的傳感器不同外，信號形式，處理器，記錄器儘量通用，這樣可使儀器結構簡化，耗電減少，而使標準性、通用性、互換性提高。

(3)採用以計算技術等高新技術。以機械、化學儀器為主發展到電子儀器是一次變革，而運用計算技術、遙感技術、水聲技術、激光技術等又是一次變革。特別是計算技術已成為現代化海洋儀器所必備，廣泛應用於測量的程序控制、信息的運算和存儲、資料的分析、整理、打印、繪圖、交換和傳遞。微處理可以完成上述功能，尺寸、重量、耗電都很小，操作簡便，可靠性強，能在海洋調查的嚴酷環境中使用，計算技術使海洋儀器朝自動化邁進了一步。 ^[2]