齊爾麥，張 毅，常延年

（國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津 300112）

海床基海洋環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究

齊爾麥，張 毅，常延年

（國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津 300112）

介紹了一種適用于在淺海（水深100 m以內(nèi)）工作的海床基海洋環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作原理和組成。對(duì)水下集成監(jiān)測(cè)平臺(tái)、數(shù)據(jù)采集和傳輸、系統(tǒng)布放回收等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究并開發(fā)了海床基監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工程樣機(jī)。系統(tǒng)結(jié)合水聲通訊與衛(wèi)星通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)了水下監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸；在水下集成平臺(tái)的設(shè)計(jì)上采取了防拖網(wǎng)、防泥沙等安全性和環(huán)境適應(yīng)性措施；提出了便于實(shí)施海上作業(yè)的基于自由下落方式的布放方法和基于聲學(xué)釋放技術(shù)的回收方法。經(jīng)過海上長(zhǎng)期試驗(yàn)表明該系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可靠地在惡劣的海底環(huán)境中完成長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)工作。

海床基；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸

海床基海洋環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱海床基監(jiān)測(cè)系統(tǒng)）是布放在海底對(duì)海洋環(huán)境進(jìn)行定點(diǎn)、長(zhǎng)期、連續(xù)測(cè)量的綜合自動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置，具有長(zhǎng)時(shí)間自動(dòng)監(jiān)測(cè)、隱蔽性好等特點(diǎn)，是獲取水下長(zhǎng)期綜合觀測(cè)資料的重要技術(shù)手段。隨著世界范圍內(nèi)對(duì)海洋資源的開發(fā)利用、海洋災(zāi)害的監(jiān)測(cè)與預(yù)防、海洋環(huán)境保護(hù)等工作的重視，許多發(fā)達(dá)國(guó)家正努力在本國(guó)沿海及全球大洋建立海洋立體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。海底成為繼海面/地面觀測(cè)、空中遙測(cè)遙感之后地球科學(xué)的第三個(gè)觀測(cè)平臺(tái)[1]，海底觀測(cè)系統(tǒng)正逐步成為海洋技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[2]。

國(guó)際上已開展了許多用于不同目的海床基監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)研究，例如美國(guó)自20世紀(jì)90年代開始建設(shè)的生態(tài)環(huán)境海底觀測(cè)站LEO-15[3-4]布放在離岸16 km，水深15 m的大陸架上，通過電纜/光纜與岸站連接，對(duì)海水溫度和海流等數(shù)據(jù)進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)；美國(guó)NOAA的DART系統(tǒng)利用坐底式監(jiān)測(cè)設(shè)備和水面氣象浮標(biāo)進(jìn)行海嘯監(jiān)測(cè)與預(yù)警；美國(guó)NeMO海底觀測(cè)系統(tǒng)[5]布放在1 600 m水深的火山熱液口附近監(jiān)測(cè)海底火山活動(dòng)現(xiàn)象。在國(guó)家863計(jì)劃的支持下，國(guó)家海洋技術(shù)中心從“九五”開始開展坐底式多參數(shù)集成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制。在“九五”期間研制的自容式海床基監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要用于采集水樣并監(jiān)測(cè)懸浮泥沙濃度剖面和粒徑譜，同時(shí)監(jiān)測(cè)浪、潮、流等動(dòng)力環(huán)境背景，可在50 m水深的海底連續(xù)工作1個(gè)月；“十五”期間進(jìn)一步研制了具有實(shí)時(shí)傳輸功能的海床基動(dòng)力要素綜合自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[6]，可在水深100 m以內(nèi)的海底連續(xù)工作3個(gè)月，對(duì)波浪、水位、海流剖面、溫度、鹽度等海洋動(dòng)力要素進(jìn)行監(jiān)測(cè)。本文的研究工作是在“十一五”863計(jì)劃項(xiàng)目的支持下進(jìn)行的，通過對(duì)海床基系統(tǒng)的多參數(shù)集成監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸、系統(tǒng)布放回收等技術(shù)進(jìn)行深入研究，提高海床基監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的安全性和環(huán)境適應(yīng)性，使其更適應(yīng)于在惡劣的海洋環(huán)境下進(jìn)行長(zhǎng)期坐底監(jiān)測(cè)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)工作原理

本文研究的海床基監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一種適用于在淺海（水深100 m以內(nèi)）工作的坐底式離岸監(jiān)測(cè)裝置。在水下集成平臺(tái)上安裝了各種測(cè)量?jī)x器和系統(tǒng)工作設(shè)備，水下系統(tǒng)用蓄電池供電。各測(cè)量?jī)x器在中央控制機(jī)的控制下按照預(yù)設(shè)的時(shí)間間隔加電工作，對(duì)海洋環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，主要監(jiān)測(cè)對(duì)象包括海流剖面、水位、鹽度、溫度等海洋環(huán)境要素。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在中央控制機(jī)內(nèi)進(jìn)行集中存儲(chǔ)，并可通過水聲通訊的方式將最新數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至水面浮標(biāo)系統(tǒng)，再由浮標(biāo)通過衛(wèi)星通訊或無線通訊轉(zhuǎn)發(fā)至地面站。系統(tǒng)回收時(shí)，可在水面船只上發(fā)射聲學(xué)指令遙控水下系統(tǒng)上浮水面。其工作過程如圖1所示。

圖1 海床基監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作示意圖

1.2 系統(tǒng)的組成

海床基監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體組成方案如圖2所示，包括水上和水下兩個(gè)部分：

圖2 海床基觀測(cè)系統(tǒng)框圖

1.2.1 水上部分

（1）聲學(xué)應(yīng)答釋放器水上機(jī)：用于在系統(tǒng)回收時(shí)發(fā)射應(yīng)答和釋放控制指令。

（2）聲通訊機(jī)接收機(jī)：安裝在水面浮標(biāo)系統(tǒng)上，在接收到水下系統(tǒng)傳送的數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)送入浮標(biāo)數(shù)據(jù)采集模塊。

1.2.2 水下部分

（1）水下集成安裝平臺(tái)：包括浮體、儀器艙、配重支撐架和釋放機(jī)構(gòu)等，是各種儀器設(shè)備的工作平臺(tái)；

（2）測(cè)量?jī)x器：包括聲學(xué)多普勒海流剖面儀（ADCP）、壓力式波潮儀、溫鹽測(cè)量?jī)x；

（3）系統(tǒng)設(shè)備：包括中央控制機(jī)、聲學(xué)應(yīng)答釋放器水下機(jī)、定時(shí)釋放器、安全報(bào)警器（當(dāng)水下設(shè)備上浮水面時(shí)，通過手機(jī)短信或衛(wèi)星通訊發(fā)出警報(bào)信息）、電池艙及聲通訊發(fā)射機(jī)。

1.3 主要功能與技術(shù)指標(biāo)

(1）最大工作水深：100 m；

(2）水下連續(xù)工作時(shí)間：90 d；

(3）工作方式：水下定點(diǎn)監(jiān)測(cè),正點(diǎn)采樣，每天24次；

(4）測(cè)量參數(shù)技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 海床基監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量參數(shù)表

2 關(guān)鍵技術(shù)的研究

2.1 水下集成平臺(tái)的設(shè)計(jì)

水下系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。其外形呈封閉的梯臺(tái)狀且表面無易勾掛的結(jié)構(gòu)部件。其結(jié)構(gòu)布局總體上可分成上下兩部分，由釋放機(jī)構(gòu)連接。上部為儀器艙，安裝多種傳感器和設(shè)備，其頂部安裝浮體；下部為配重支撐架，配置重物。聲通訊機(jī)、聲學(xué)海流剖面儀及聲學(xué)應(yīng)答釋放器等聲學(xué)儀器和安全預(yù)警器安裝在儀器艙上部，上覆透聲罩防止拖網(wǎng)勾掛并起到保護(hù)作用；溫鹽儀、中央控制機(jī)、水位計(jì)和兩個(gè)電池艙安裝在儀器艙下部。

系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)物理特性如下：

圖3 海床基觀測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

（1）外形尺寸：整體高度為1.3 m,基座底部的最大尺寸為 2.2 m×2.2 m；

（2）重量和浮力：系統(tǒng)在空氣中的總重量約為600 kg，在水中的凈重量為184 kg?；厥諘r(shí)自動(dòng)上浮的部分凈浮力為76 kg，基座配重部分在水中的凈重為260 kg；

（3）重浮心：系統(tǒng)重心和浮心基本位于結(jié)構(gòu)中軸線上，偏離量不超過1 cm。重心距離底板645 mm，浮心距離底板755 mm。

在水下平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采取了防拖網(wǎng)、防掩埋、防傾覆和防污損等安全性和環(huán)境適應(yīng)性措施：

（1）結(jié)構(gòu)平穩(wěn)性：系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布局保證了重浮心配置的合理性，在姿態(tài)發(fā)生傾斜時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的回復(fù)力矩并保持平穩(wěn)，使得系統(tǒng)具有良好的抗傾覆性。

（2）防泥沙掩埋：基座底部的配重板起到防沉阻尼板的作用,配重支撐架和儀器艙之間具有較大的空間，作為海流通道。由于系統(tǒng)儀器艙被支撐到一定高度，即使基座部分受到一定程度的掩埋，也不會(huì)影響儀器設(shè)備的在回收時(shí)自動(dòng)上浮水面。

（3）防拖網(wǎng)設(shè)計(jì)：系統(tǒng)整體外形呈梯臺(tái)狀，底盤較大，頂部用透聲材料制作頂罩。在外形結(jié)構(gòu)較為順滑，無易勾掛的結(jié)構(gòu)，有利于漁船拖網(wǎng)經(jīng)過時(shí)順利滑過。

（4）防腐蝕和污損：為防止受到海水腐蝕和海生物附著而導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)部件的的損毀，系統(tǒng)采取了“三防”處理措施，在結(jié)構(gòu)部件表面涂敷防腐蝕和防生物附著涂料，在不同金屬材質(zhì)的結(jié)構(gòu)件之間采取絕緣隔斷；在重要部位安裝犧牲陽極。

2.2 數(shù)據(jù)采集和傳輸

2.2.1 數(shù)據(jù)采集

系統(tǒng)配置的聲學(xué)多普勒海流剖面儀（ADCP），工作頻率為470 kHz，可工作在水深100 m的海底，自底向上測(cè)量布放點(diǎn)海底至海表面的多層海流速度和方向，典型情況下剖面層間距為1 m；壓力式波潮儀在系統(tǒng)工作水深小于30 m時(shí)可用于測(cè)量水位和波高、波周期等參數(shù)，當(dāng)系統(tǒng)工作水深大于30 m時(shí)，采用壓力式測(cè)量波浪的方法已不適用，故僅提取其水位數(shù)據(jù)；溫鹽測(cè)量?jī)x用于測(cè)量海底的溫度和鹽度。

測(cè)量?jī)x器在中央控制機(jī)的控制下，以預(yù)置的采樣周期對(duì)海洋環(huán)境要素進(jìn)行監(jiān)測(cè)。測(cè)量數(shù)據(jù)分別在各個(gè)測(cè)量?jī)x器內(nèi)部和中央控制機(jī)存儲(chǔ)器內(nèi)進(jìn)行存儲(chǔ)；數(shù)據(jù)發(fā)送到水面浮標(biāo)后，在浮標(biāo)內(nèi)部和岸站接收端也對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。這種多點(diǎn)存儲(chǔ)、互為備份的方式有利于保障測(cè)量數(shù)據(jù)的完整性，并可通過相互比對(duì)來檢驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行院蜏y(cè)量數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

2.2.2 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸

由測(cè)量?jī)x器、中央控制機(jī)、聲通訊機(jī)、浮標(biāo)數(shù)據(jù)接收模塊、衛(wèi)星通訊模塊、地面接收站構(gòu)成了海床基監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸鏈路。水下系統(tǒng)每間隔1 h（可設(shè)置）采集一組測(cè)量數(shù)據(jù)并通過數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸鏈路將最新數(shù)據(jù)傳送回地面站。

在整個(gè)傳輸鏈路中，水聲通訊環(huán)節(jié)是溝通水下和水面系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在海洋環(huán)境中，水聲通訊是最適宜用于遠(yuǎn)距離無纜數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?。但同時(shí)，復(fù)雜的海洋聲場(chǎng)環(huán)境對(duì)水聲通訊的效果也有較大影響，在淺海應(yīng)用時(shí)聲場(chǎng)環(huán)境更顯惡劣。系統(tǒng)配置的聲傳輸機(jī)的最大傳輸距離可以達(dá)到3 000 m，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上采取以下措施保障通訊效果。

（1）聲通訊發(fā)射機(jī)安裝在水下平臺(tái)頂部，水面接收機(jī)安裝在浮標(biāo)底部并探入水下約2 m，盡量避免由于結(jié)構(gòu)干涉、遮擋等原因影響聲通訊效果。

（2）水下系統(tǒng)集成的多種聲學(xué)設(shè)備選用不同的工作頻率且分時(shí)工作（ADCP470 kHz，聲學(xué)應(yīng)答釋放器15 kHz，聲傳輸機(jī)12 kHz），避免聲信號(hào)之間的干擾影響通訊。

（3）水下系統(tǒng)在對(duì)監(jiān)測(cè)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)并進(jìn)行必要的處理后，形成特征數(shù)據(jù)傳送至水面，壓縮聲傳輸數(shù)據(jù)量以保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽?。特征?shù)據(jù)中包含水下系統(tǒng)的姿態(tài)數(shù)據(jù)（方向角、傾斜角和搖擺角），可用于判斷水下系統(tǒng)是否平穩(wěn)坐底。

2.3 系統(tǒng)能源供給

作為一種離岸工作的坐底式觀測(cè)系統(tǒng)，無法如水面浮標(biāo)那樣利用太陽能進(jìn)行能量補(bǔ)充，如果通過海底電纜從陸地上向水下系統(tǒng)供電，則成本較高且在很多情況下難以實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)實(shí)可行的能源供給途徑就是系統(tǒng)自身配備足夠的儲(chǔ)能電池并進(jìn)行合理的用電管理，以達(dá)到系統(tǒng)在水下長(zhǎng)期工作的目標(biāo)。

根據(jù)對(duì)水下儀器設(shè)備的能耗計(jì)算并考慮到水下低溫環(huán)境對(duì)電池實(shí)際可輸出能量的影響，本文研制的海床基監(jiān)測(cè)系統(tǒng)配備了可支持各儀器設(shè)備連續(xù)工作3個(gè)月并留有30%以上余量的儲(chǔ)能電池，其重力負(fù)載在整個(gè)水下系統(tǒng)的總重量中占據(jù)相當(dāng)大的比重。在系統(tǒng)用電管理方面，水下工作儀器在電路設(shè)計(jì)上盡量選用低功耗器件，對(duì)功耗較高的器件則只在必要時(shí)供電以減少耗電量；中央控制機(jī)根據(jù)系統(tǒng)的工作流程在必要時(shí)為系統(tǒng)中的用電設(shè)備開通電源，其它時(shí)間則停止供電，減少儀器的待機(jī)功耗。

2.4 系統(tǒng)布放與回收

2.4.1 系統(tǒng)布放

系統(tǒng)布放時(shí)通過脫鉤裝置與布放船只的吊桿連接并吊放至水面以下，然后脫鉤使其自由下落海底。這種布放方式簡(jiǎn)化了海上布放的作業(yè)程序，降低了對(duì)作業(yè)船只和配套設(shè)備的要求，有助于提高系統(tǒng)布放的可操作性。

系統(tǒng)在布放下落過程中受到重力、浮力以及水阻力的作用。通過仿真計(jì)算和試驗(yàn)測(cè)試可知，在系統(tǒng)自由下落過程中，下落速度在很短的時(shí)間內(nèi)（t<2s）收斂于一個(gè)穩(wěn)定值，約為0.6 m/s。本文在研究過程中，根據(jù)《HY 016.12—1992海洋儀器基本環(huán)境試驗(yàn)方法 沖擊試驗(yàn)》，對(duì)系統(tǒng)上集成的儀器設(shè)備進(jìn)行了沖擊試驗(yàn)，并在室內(nèi)水池（水泥底）進(jìn)行多次布放試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)可在落底沖擊的條件下，保持機(jī)械和電氣性能的完好。在系統(tǒng)下落過程中受到側(cè)向海流的干擾而發(fā)生姿態(tài)傾斜時(shí)，系統(tǒng)的重浮力會(huì)產(chǎn)生一個(gè)將其扶正的回復(fù)力矩，保障其姿態(tài)不會(huì)失控。根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)物理特性和水阻力特性分析，在側(cè)向海流速度為0.5 m/s時(shí)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)傾斜角度可控制在15°以內(nèi)，完全可以安全坐底。

2.4.2 系統(tǒng)釋放回收

系統(tǒng)回收時(shí)，在水面船只上通過聲學(xué)應(yīng)答釋放器水上機(jī)發(fā)出水聲遙控釋放指令，聲學(xué)應(yīng)答釋放器水下機(jī)收到指令后控制釋放機(jī)構(gòu)執(zhí)行脫鉤動(dòng)作，使儀器艙在浮體帶動(dòng)下上浮水面。系統(tǒng)內(nèi)預(yù)存高強(qiáng)度繩索，其兩端分別連接到儀器艙和配重基座。當(dāng)儀器艙浮出水面時(shí)，配重支撐架作為一個(gè)重錨將上浮部分錨定，使其不會(huì)隨海流飄走而丟失。在將儀器艙回收后，可通過連接繩索將配重支撐架一并回收。

在意外情況下，若聲學(xué)釋放器不能正常工作而使得水下系統(tǒng)無法收到水面釋放指令，可依靠定時(shí)釋放器在設(shè)定的最后時(shí)刻控制釋放機(jī)構(gòu)脫開，使系統(tǒng)上浮并回收。通過采用兩種控制手段對(duì)釋放執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行并聯(lián)控制有效的提高了系統(tǒng)回收的可靠性。

3 海上試驗(yàn)與應(yīng)用

本文研究過程中進(jìn)行了大量的海上試驗(yàn)工作對(duì)系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行全面的驗(yàn)證和考核。圖4所示為海床基監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在臺(tái)灣海峽中線北部海區(qū)進(jìn)行長(zhǎng)期試驗(yàn)過程中，海上布放和回收時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)情況。該試驗(yàn)海區(qū)水深約為70 m。

通過長(zhǎng)期的海上試驗(yàn)，海床基監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲取了大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)在水下連續(xù)工作時(shí)間超過90 d，試驗(yàn)期間多次經(jīng)受臺(tái)風(fēng)造成的惡劣海況的考驗(yàn)，在監(jiān)測(cè)任務(wù)完成后利用聲學(xué)遙控手段安全、順利回收，驗(yàn)證了系統(tǒng)布放、回收的可靠性和海上長(zhǎng)期工作的安全性、環(huán)境適應(yīng)性。

圖4 海上試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)情況

4 結(jié)論與展望

本文對(duì)海床基多參數(shù)集成平臺(tái)技術(shù)、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸及布放回收等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究，在此基礎(chǔ)上研發(fā)了具有數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸功能的多參數(shù)海床基監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。經(jīng)過海上長(zhǎng)期試驗(yàn)的驗(yàn)證，具有較高的可靠性和環(huán)境適應(yīng)性。在實(shí)際應(yīng)用中，還可根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整傳感器的配置，構(gòu)成面向特定任務(wù)水下綜合測(cè)量系統(tǒng)。在海洋防災(zāi)減災(zāi)、海洋工程建設(shè)、海洋科學(xué)研究及海洋軍事等眾多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。在未來建設(shè)海底監(jiān)測(cè)網(wǎng)的工作中，海床基監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)也是一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)技術(shù)。

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Research on the Seabed Based Automatic Environmental Monitoring System

QI Er-mai,ZHANG Yi,CHANG Yan-nian
（National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China）

The working principle and construction of a seabed based automatic environmental monitoring system are introduced,which could serve in the shallow sea(＜100 m).Based on the research of key technologies such as underwater monitoring system and data sampling and transmission,the engineering prototype system is developed.Acoustic communication and satellite communication technologies are integrated in this system to realize real-time data transmission of the underwater system.The structural design of the system gives it better security and adaptability in the case of trawling or silt covering.The system could be deployed with free-falling manner and be withdrawn conveniently under the control of an acoustic releaser.Long-term ocean experiments have been carried out to test and verify the technologies mentioned above.

seabed based;monitoring system;real-time data transmission

P715.2

A

1003-2029（2011）02-0084-04

2011-03-23

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）資助項(xiàng)目（2006AA09A301-5）