蔣平+喻劍

摘 要：深海垂直剖面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)潛標(biāo)系統(tǒng)通過升降平臺(tái)的浮力調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)其沿系留鋼纜的上下往復(fù)式運(yùn)動(dòng)，搭載的水文傳感器能夠在設(shè)定的海洋剖面上，對(duì)溫、鹽、深、流等水文數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量和存儲(chǔ)，并可以通過水聲通訊和衛(wèi)星通訊實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)傳輸。本文介紹了潛標(biāo)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，并通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明潛標(biāo)可以滿足使用要求。

關(guān)鍵詞：浮力調(diào)節(jié)；升降平臺(tái)；潛標(biāo)系統(tǒng)

0 引言

海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)和資源調(diào)查中，經(jīng)常需要對(duì)海洋水體中不同剖面參數(shù)（如溫度、鹽度、流速、內(nèi)波和光學(xué)特性量等）的測(cè)量，作為海洋開發(fā)研究與軍事海洋學(xué)研究的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的海洋監(jiān)測(cè)平臺(tái)，一般都是通過建立海洋觀測(cè)站，或是通過海洋調(diào)查船來投放監(jiān)測(cè)潛標(biāo)并保證運(yùn)行，通常只能在較為離散的海洋剖面獲取數(shù)據(jù)，無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)剖面觀測(cè)和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸，并且工作時(shí)間有限，在復(fù)雜的海洋環(huán)境中系統(tǒng)投入、運(yùn)行以及維護(hù)的成本很高，回收難度較大。

1 系統(tǒng)工作方式

深海垂直剖面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)潛標(biāo)的組成主要有：主浮體、錨泊系留裝置、升降平臺(tái)、水聲通訊機(jī)和通信浮標(biāo)等，其組成及工作狀態(tài)示意圖見圖1。

主浮體為整個(gè)錨泊系統(tǒng)提供正浮力，保證海洋遠(yuǎn)海深水狀態(tài)下的動(dòng)、靜態(tài)穩(wěn)定性；

錨泊系留裝置利用重力錨和抓力錨將系留纜固定在海底，通過主浮體的浮力使系留纜和包塑鋼纜繃直；

升降平臺(tái)沿包塑鋼纜進(jìn)行定點(diǎn)垂向往復(fù)式運(yùn)動(dòng)，搭載海洋環(huán)境測(cè)量傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋水文環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)量；

水聲通訊機(jī)和通信浮標(biāo)的作用是將升降平臺(tái)的運(yùn)行狀態(tài)和測(cè)量傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量到的數(shù)據(jù)，通過水聲通訊和衛(wèi)星通訊方式發(fā)送至岸站接收，實(shí)現(xiàn)潛標(biāo)“實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)”功能。

2 系統(tǒng)功能

深海垂直剖面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)潛標(biāo)系統(tǒng)應(yīng)具備的功能如下：

（1）潛標(biāo)系統(tǒng)應(yīng)保證在海洋遠(yuǎn)海深水狀態(tài)下的動(dòng)、靜態(tài)穩(wěn)定性，具有小阻力水平安裝平臺(tái)特性，能夠?yàn)楹Ｑ髢x器設(shè)備正常工作提供穩(wěn)定的平臺(tái)；

（2）可搭載儀器艙、安全報(bào)警裝置等設(shè)備，能對(duì)外提供電源接口和通訊接口；

（3）能夠根據(jù)深度傳感器數(shù)據(jù)來判斷所處的海區(qū)深度，進(jìn)行升降模式切換、浮力調(diào)節(jié)控制和平臺(tái)在垂直剖面上運(yùn)行速度的自適應(yīng)調(diào)整及定點(diǎn)懸停；

（4）即能夠通過水聲通訊和衛(wèi)星通訊與外界進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，又能夠進(jìn)行大容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；

（5）系統(tǒng)具有低功耗和高可靠度，能在100～1500m深度范圍內(nèi)可靠工作1年或升降運(yùn)行800km行程。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 主浮體

主浮體的主要功能是為整個(gè)系統(tǒng)提供足夠的正浮力，并保證在海洋遠(yuǎn)海深水狀態(tài)下的動(dòng)、靜態(tài)穩(wěn)定性，外形采用流體動(dòng)力學(xué)理論設(shè)計(jì)，頭部為標(biāo)準(zhǔn)的球頭，尾部為圓錐臺(tái)，為低阻力帶翼細(xì)長水滴形和水平系留方式，采用在金屬框架上填充玻璃微珠浮力材料，耐壓強(qiáng)度大于10MPa。

3.2 錨泊系留裝置

潛標(biāo)系統(tǒng)采用單點(diǎn)繃緊型系留裝置，利用重力錨和抓力錨將系留纜固定在海底，通過主浮體及玻璃浮球的浮力使系留纜繃直，升降平臺(tái)沿著此段包塑鋼纜進(jìn)行垂向往復(fù)式運(yùn)動(dòng)。

錨泊系留裝置由包塑鋼纜、Kevlar纜、三叉系留索、阻擋裝置、錨裝置、玻璃浮球、聲學(xué)釋放器及連接卸扣、轉(zhuǎn)環(huán)、錨鏈等組成。包塑鋼纜與三叉系留索相連，聲答釋放器串聯(lián)在系留索靠近錨的位置，距海底適當(dāng)距離。

3.3 升降平臺(tái)

升降平臺(tái)是潛標(biāo)系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制中樞，即要為海洋環(huán)境測(cè)量傳感器提供搭載平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋水文環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)量，又要通過浮力調(diào)節(jié)功能實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)垂向往復(fù)式運(yùn)動(dòng)，提供剖面測(cè)量路徑。升降平臺(tái)外部為低水阻、密封的耐壓殼體，能實(shí)現(xiàn)水下工作時(shí)對(duì)內(nèi)部設(shè)施設(shè)備的保護(hù)。

升降平臺(tái)如圖3所示，分為浮力調(diào)節(jié)平臺(tái)和能源供給平臺(tái)兩部分。浮力調(diào)節(jié)平臺(tái)為整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制中樞，主要包括浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)、方向翼和RCM，其中浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)是升降平臺(tái)的核心，由電機(jī)、控制器、電磁閥、傳感器、液壓泵、油箱、耐壓殼體和油囊等組成，其功能是按照既定的工作流程，在設(shè)定的工作深度，通過控制液壓系統(tǒng)動(dòng)作，使油囊密閉空腔充油或排油來改變平臺(tái)的浮力，從而實(shí)現(xiàn)平臺(tái)低功耗的升降運(yùn)動(dòng)。

能源供給平臺(tái)的主要功能是給整個(gè)平臺(tái)提供電源，內(nèi)含高能量密度的亞硫酰氯柱式電池，確保平臺(tái)能在海上運(yùn)行不小于1年，升降運(yùn)動(dòng)總行程不低于800km。兩部分通過導(dǎo)索件固連在一起；導(dǎo)索件中間有導(dǎo)索座，保證升降平臺(tái)可以沿包塑鋼纜靈活上下移動(dòng)。

4 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件的主要功能是控制平臺(tái)根據(jù)預(yù)置的的海區(qū)深度參數(shù)，在該深度范圍內(nèi)進(jìn)行往返的垂直運(yùn)動(dòng)，當(dāng)平臺(tái)運(yùn)行到到達(dá)指定的剖面時(shí)，進(jìn)行水文數(shù)據(jù)采集并記錄，一個(gè)周期內(nèi)的軟件工作時(shí)序由圖4所示。

系統(tǒng)軟件編譯環(huán)境為KEIL UVISION 4，采用C語言和匯編語言混合編寫。在軟件實(shí)現(xiàn)方面，因?yàn)榛赟TM32的嵌入式芯片是面向應(yīng)用層的成熟芯片，具有功能齊全的庫函數(shù)，因此在USART通信、AD轉(zhuǎn)換、SPI、SD存儲(chǔ)等軟件接口均可直接調(diào)用庫函數(shù)，經(jīng)過簡單的配置就可實(shí)現(xiàn)軟件功能。

5 工作情況

深海垂直剖面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)潛標(biāo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，為了檢驗(yàn)整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，2016年2月在南海進(jìn)行了功能性試驗(yàn)，實(shí)際布放的海區(qū)深度約為1600m，考慮工作安全性，通過錨系配置，使?jié)摌?biāo)實(shí)際工作水深為200～1500m。

試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過長時(shí)間多個(gè)剖面的工作，潛標(biāo)系統(tǒng)按既定流程垂直上浮、下潛，整個(gè)平臺(tái)運(yùn)行速度較為穩(wěn)定，主要功能部件工作正常，搭載的水文測(cè)量儀器等設(shè)備工作正常、可靠，未出現(xiàn)故障，可有效進(jìn)行水文數(shù)據(jù)采集和海洋監(jiān)測(cè)，滿足深海垂直剖面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)潛標(biāo)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。

6 結(jié)束語

對(duì)于我國這樣一個(gè)有著300萬平方公里的海洋領(lǐng)土的國家而言，海洋監(jiān)測(cè)有著非同一般的的戰(zhàn)略意義和經(jīng)濟(jì)意義，只有通過建立起一整套覆蓋多海域、不同深度、立體的觀測(cè)體系，才能獲得準(zhǔn)確、全面的水文觀測(cè)數(shù)據(jù)。目前，在定點(diǎn)水文觀測(cè)站、水下滑翔機(jī)等已經(jīng)初步具備工程應(yīng)用條件的監(jiān)測(cè)平臺(tái)中，深海垂直剖面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)潛標(biāo)優(yōu)勢(shì)明顯，其功耗低，可承擔(dān)長時(shí)間工作任務(wù)，可在不同深度進(jìn)行懸停測(cè)量，且無人值守，不易受氣候、洋流影響，并可搭載多種儀器設(shè)備、布放回收可靠，是獲得海洋環(huán)境要素?cái)?shù)據(jù)的有效手段。隨著我國海洋科研的發(fā)展，垂直剖面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)潛標(biāo)的需求將不斷增長，將在資源勘探、氣象監(jiān)測(cè)、軍事等領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 徐良波，朱旭，郭文生.定點(diǎn)垂直升降剖面測(cè)量系統(tǒng) [J]. 數(shù)據(jù)采集與處理.，2008（z1）：54-59.

[2] 鄧云，姜飛等.實(shí)時(shí)傳輸潛標(biāo)平臺(tái)中的深海海流觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].氣象水文海洋儀器，2012（12）： 69-72.

[3] 李飛權(quán)，張選明等.海洋潛標(biāo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用[J]. 海洋技術(shù)，2004，23（1）：17-21.