孫秀軍, 王 雷, 桑宏強(qiáng)

“黑珍珠”波浪滑翔器南海臺(tái)風(fēng)觀測(cè)應(yīng)用

孫秀軍1, 2, 3, 王 雷1, 桑宏強(qiáng)4

（1. 河北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 天津, 300130; 2. 中國海洋大學(xué) 物理海洋教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島, 266100; 3. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國家實(shí)驗(yàn)室 海洋動(dòng)力過程與氣候功能實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島, 266237; 4. 天津工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 天津, 300387)

波浪滑翔器的臺(tái)風(fēng)觀測(cè)技術(shù)在國外已經(jīng)十分成熟并獲得廣泛應(yīng)用, 但在國內(nèi)仍處于技術(shù)層面。為拓展波浪滑翔器的應(yīng)用范圍, 國內(nèi)學(xué)者利用“黑珍珠”波浪滑翔器在南海進(jìn)行了為期17天的海試試驗(yàn),首次對(duì)波浪滑翔器進(jìn)行了臺(tái)風(fēng)觀測(cè)應(yīng)用嘗試。文中介紹了“黑珍珠”波浪滑翔器的結(jié)構(gòu)組成、工作原理及試驗(yàn)情況, 利用搭載的波浪傳感器和聲學(xué)多普勒流速剖面儀(ADCP)獲取了臺(tái)風(fēng)經(jīng)過時(shí)的波高、波周期和剖面流速等海洋動(dòng)力環(huán)境數(shù)據(jù), 并與浮標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析, 發(fā)現(xiàn)兩者數(shù)據(jù)吻合度好、誤差低、相關(guān)度高, 驗(yàn)證了波浪滑翔器所測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性, 證明了我國自主研制的“黑珍珠”波浪滑翔器具備極端海況觀測(cè)的潛能, 填補(bǔ)了我國波浪滑翔器在臺(tái)風(fēng)觀測(cè)應(yīng)用領(lǐng)域的空白。

波浪滑翔器; 臺(tái)風(fēng)觀測(cè); 波浪傳感器; 聲學(xué)多普勒流速剖面儀; 相關(guān)度

0 引言

波浪滑翔器是一種新型的海洋移動(dòng)觀測(cè)平臺(tái), 它能夠?qū)⒑Ｑ笾袩o窮無盡的波浪能轉(zhuǎn)化為自身前進(jìn)的動(dòng)能, 并具有長(zhǎng)航時(shí)、智能化及清潔零排放等突出優(yōu)點(diǎn)。它可長(zhǎng)期、自主地執(zhí)行水文調(diào)查、氣象預(yù)報(bào)、通信中繼及環(huán)境監(jiān)測(cè)等作業(yè)任務(wù), 具有巨大的應(yīng)用前景, 已成為滑翔器領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

美國的Liquid Robotics公司對(duì)波浪滑翔器技術(shù)的研發(fā)已經(jīng)十分成熟, 其研發(fā)的SV2和SV3兩種型號(hào)波浪滑翔器實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品化, 在海洋科學(xué)、海洋工程甚至軍事領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在2007~2014年間, 美國使用波浪滑翔器對(duì)臺(tái)風(fēng)進(jìn)行了多次觀測(cè)[1-3]。波浪滑翔器不僅在臺(tái)風(fēng)“弗洛西”、“桑迪”及“安娜”經(jīng)過的途中存活了下來, 還將與臺(tái)風(fēng)相關(guān)的重要數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的回傳到了陸地, 為科研人員對(duì)臺(tái)風(fēng)的解析提供了寶貴的數(shù)據(jù), 驗(yàn)證了波浪滑翔器在極端海況條件下的應(yīng)用潛力。

近年來, 國內(nèi)學(xué)者也陸續(xù)對(duì)波浪滑翔器技術(shù)開展了相關(guān)研究, 主要有孫秀軍[4]、吳小濤[5]和廖煜雷[6]等, 在波浪滑翔器負(fù)載能力、航行速度、航行精度、定點(diǎn)錨泊及海洋環(huán)境探測(cè)等方面取得了一定的研究成果, 但這些研究仍處于技術(shù)層面, 對(duì)臺(tái)風(fēng)觀測(cè)的應(yīng)用領(lǐng)域仍處于空白狀態(tài)。文中介紹了新近完成的我國自主研制的“黑珍珠”波浪滑翔器臺(tái)風(fēng)觀測(cè)應(yīng)用試驗(yàn), 通過對(duì)有關(guān)試驗(yàn)結(jié)果的分析, 證明了該波浪滑翔器具備極端海況觀測(cè)的潛能, 擬為我國臺(tái)風(fēng)觀測(cè)技術(shù)提供一種新的研究方向。

1 “黑珍珠”波浪滑翔器

“黑珍珠”波浪滑翔器是由中國海洋大學(xué)聯(lián)合天津工業(yè)大學(xué)研發(fā)的一種具有自主導(dǎo)航能力的海洋移動(dòng)觀測(cè)平臺(tái)[7-9], 其優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在: 前進(jìn)的動(dòng)力來自波浪; 測(cè)量、控制、導(dǎo)航和通信系統(tǒng)的能源來自太陽能; 可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)海大洋的長(zhǎng)時(shí)期大范圍觀測(cè); 可攜帶聲吶、氣象站、水下攝像機(jī)、溫鹽深儀、水聽器、生物或化學(xué)檢測(cè)儀器等多種傳感設(shè)備, 以完成各種觀測(cè)任務(wù)[10-16]; 具有銥星通信、全球定位系統(tǒng)(global positioning system, GPS)定位和自主導(dǎo)航控制功能, 可實(shí)現(xiàn)大范圍、遠(yuǎn)距離的海氣界面環(huán)境數(shù)據(jù)觀測(cè), 具有廣泛的應(yīng)用前景。目前, 該滑翔器已經(jīng)完成了多項(xiàng)長(zhǎng)航程測(cè)試試驗(yàn), 在青島千里巖海域刷新了運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)(近100天)、航行里程最遠(yuǎn)(達(dá)3 600 km)的自主觀測(cè)記錄, 并在南海海域經(jīng)歷了臺(tái)風(fēng)極端海況測(cè)試(8.5 m浪高)?！昂谡渲椤辈ɡ嘶杵骶哂袝r(shí)間長(zhǎng)、航程大、耐受極端海況等特點(diǎn), 在海洋觀測(cè)中具有極大的應(yīng)用潛能。

1.1 結(jié)構(gòu)組成

“黑珍珠”波浪滑翔器整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。它由以下3部分組成了特殊的雙體結(jié)構(gòu):

1) 水面母船, 設(shè)計(jì)有低阻外形輪廓, 用作傳感、控制及通信的搭載平臺(tái)并為整體提供浮力;

2) 水下牽引機(jī), 它是整體的動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng), 采用純機(jī)械傳動(dòng)的工作模式, 使得水下牽引機(jī)具有無驅(qū)動(dòng)、零排放的特點(diǎn);

3) 柔性鎧裝纜, 它是水下牽引機(jī)與水面母船動(dòng)力和信號(hào)的主要傳遞者。其結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

圖1 “黑珍珠”波浪滑翔器整體結(jié)構(gòu)

1.2 工作原理

如圖2所示, 波浪滑翔器通過柔性鎧裝纜將母船隨波浪的起伏運(yùn)動(dòng)傳遞到水下牽引機(jī), 使其上升與下降的過程中迫使水翼產(chǎn)生擺角[17], 同時(shí), 海水的振幅在越靠近海面處就越大[1], 利用這一特性可讓母船與水下牽引機(jī)產(chǎn)生較大的振幅差, 將水翼所受水動(dòng)力轉(zhuǎn)化為推力, 推動(dòng)著牽引機(jī)向前運(yùn)動(dòng), 并通過鎧裝纜拉拽母船前進(jìn)。

表1 “黑珍珠”波浪滑翔器結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖2 波浪滑翔器工作原理

1.3 搭載傳感器

“黑珍珠”波浪滑翔器作為一個(gè)海洋移動(dòng)觀測(cè)平臺(tái), 可根據(jù)具體的任務(wù)需求搭載不同的高精密傳感設(shè)備, 通過配置測(cè)量和信息傳輸?shù)裙δ苣K獲取海洋環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)。為了探測(cè)南海海域的水文數(shù)據(jù), “黑珍珠”搭載了聲學(xué)多普勒流速剖面儀 (acoustic Doppler current profilers, ADCP)、波浪傳感器等海洋環(huán)境觀測(cè)傳感器, 具體參數(shù)指標(biāo)如表2和表3所示。

表2 聲學(xué)多普勒流速剖面儀傳感器參數(shù)

表3 波浪傳感器參數(shù)

2 南海試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)過程

為保證波浪滑翔器可應(yīng)用于臺(tái)風(fēng)觀測(cè)中, 需對(duì)其生存能力進(jìn)行驗(yàn)證。由于無法人工模擬出臺(tái)風(fēng)時(shí)相對(duì)應(yīng)的海況、風(fēng)速、風(fēng)向及氣壓等試驗(yàn)條件, 故直接將波浪滑翔器投入到真實(shí)環(huán)境, 通過海試得出一個(gè)真實(shí)、有效的結(jié)論?？紤]到夏季正值臺(tái)風(fēng)多發(fā)時(shí)段, 決定將海試地點(diǎn)選取在南海東沙群島附近海域與臺(tái)風(fēng)進(jìn)行“偶遇”, 對(duì)“黑珍珠”波浪滑翔器的生存能力進(jìn)行考驗(yàn)。

2017年8月17日晚7點(diǎn), 試驗(yàn)船搭載“黑珍珠”波浪滑翔器從汕頭經(jīng)濟(jì)特區(qū)碼頭出發(fā), 前往180 km東沙群島海域(經(jīng)度118.000°、緯度22.000°)布放, 見圖3和圖4。設(shè)定波浪滑翔器航行路徑, 并對(duì)其進(jìn)行航行速度、環(huán)境參數(shù)、波浪數(shù)據(jù)及可生存浪高等性能指標(biāo)試驗(yàn)。

2.2 臺(tái)風(fēng)觀測(cè)

2017年8月18日~9月4日海試期間, “黑珍珠”波浪滑翔器先后經(jīng)歷了3次臺(tái)風(fēng)(201713“天鴿”(Hato)、201714“帕卡”(Pakhar)及201716“瑪娃”(Mawar)), 從圖5可知, 3次臺(tái)風(fēng)從生成至結(jié)束的運(yùn)動(dòng)軌跡均掠過東沙群島海域, 并在該海域風(fēng)力逐漸上升, 臺(tái)風(fēng)等級(jí)均達(dá)到10~13級(jí), 為“黑珍珠”波浪滑翔器的性能測(cè)試提供了天然的試驗(yàn)條件。

圖3 波浪滑翔器布放海域及設(shè)定路徑點(diǎn)

圖4 布放現(xiàn)場(chǎng)

圖5 臺(tái)風(fēng)路徑

試驗(yàn)中, 在“黑珍珠”波浪滑翔器行進(jìn)軌跡 80 km處布置有臺(tái)灣東沙群島浮標(biāo), 其位置也在臺(tái)風(fēng)的影響范圍之內(nèi), 在臺(tái)風(fēng)經(jīng)過的途中記錄下了準(zhǔn)確的波浪數(shù)據(jù), 為搭載的波浪傳感器所測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性驗(yàn)證提供了依據(jù)。圖6給出了浮標(biāo)、波浪滑翔器行進(jìn)路線及臺(tái)風(fēng)路徑軌跡的相對(duì)位置, 可看出臺(tái)風(fēng)“天鴿”、“瑪娃”與波浪滑翔器和浮標(biāo)位置靠得最近, 對(duì)其造成的影響也最大。

2.3 設(shè)備回收

2017年9月4日, 途經(jīng)東沙群島的“科學(xué)號(hào)”科考船回收了“黑珍珠”波浪滑翔器(見圖7), 經(jīng)檢查, 滑翔器結(jié)構(gòu)保持完好, 通信及數(shù)據(jù)采集運(yùn)行正常。

圖6 浮標(biāo)、波浪滑翔器與臺(tái)風(fēng)的相對(duì)位置

圖7 波浪滑翔器回收

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

“黑珍珠”波浪滑翔器在試驗(yàn)期間穩(wěn)定運(yùn)行了17天, 累計(jì)航程約722.5 km, 并在臺(tái)風(fēng)極端惡劣海況中成功將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳到陸地, 為科研工作提供了數(shù)據(jù)支撐。

3.1 平臺(tái)狀態(tài)

圖8給出了“黑珍珠”波浪滑翔器各項(xiàng)機(jī)能在海試中的運(yùn)行狀態(tài)。從圖3中可知設(shè)定的路徑點(diǎn)為直線型, 但由于臺(tái)風(fēng)和海流的干擾, 使得波浪滑翔器的航行軌跡與目標(biāo)點(diǎn)之間產(chǎn)生偏移, 出現(xiàn)如圖8(a)所示的曲線軌跡;為保證波浪滑翔器能準(zhǔn)確到達(dá)設(shè)定位置, 導(dǎo)航控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)GPS實(shí)時(shí)回傳的坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行航位推算, 得出朝目標(biāo)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的期望航向, 通過與羅盤反饋的當(dāng)前航向進(jìn)行對(duì)比, 其擬合程度可作為波浪滑翔器的航行是否精準(zhǔn)的依據(jù), 從圖8(b)中可看出兩者擬合程度大體上相同, 在圖8(d)中的相關(guān)度達(dá)到了0.976 5, 誤差標(biāo)準(zhǔn)差為16.2°, 說明牽引機(jī)的響應(yīng)速度很快, 可及時(shí)調(diào)整到正確航向; 另外, 圖8(c)的相對(duì)誤差大多在小范圍內(nèi)波動(dòng), 在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)發(fā)生較大的突變, 通過對(duì)比牽引機(jī)的工作狀態(tài)(見圖8(e)~(f))可知, 當(dāng)遇到較大海流干擾時(shí), 牽引機(jī)會(huì)產(chǎn)生較大的運(yùn)動(dòng)幅度, 使得航向調(diào)節(jié)及位姿保持能力變?nèi)? 其航向精度也會(huì)受到較大影響, 導(dǎo)致誤差突增; 波浪滑翔器通過攜帶太陽能電池板及可充電鋰電池包來滿足其導(dǎo)航、控制、通信和有效載荷的電源需求, 其規(guī)格如表4所示。圖8(g)顯示了電池包在充放電狀態(tài)下的電壓變化, 從圖中電壓周期性的變化可看出, 充電系統(tǒng)狀態(tài)穩(wěn)定, 其各種參數(shù)如表4所示。另外, 從圖中可看出, 電壓的最低值為16.5 V左右, 距離欠壓恢復(fù)電壓14.4 V仍有一定的利用空間, 因此可以根據(jù)傳感器的耗能情況在船體上進(jìn)行搭載。

圖8 “黑珍珠”波浪滑翔器運(yùn)行狀態(tài)

表4 波浪滑翔器充放電系統(tǒng)參數(shù)

3.2 浪高分析

圖9給出了臺(tái)風(fēng)從開始到結(jié)束浪高變化的全過程, 其中3次凸起對(duì)應(yīng)的時(shí)刻與臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)間(“天鴿”于2017年8月23日登陸南海東北部海面、“帕卡”于8月27日進(jìn)入南海東部海面、“瑪娃”于9月3日進(jìn)入南海海面)剛好吻合, 并在此時(shí)達(dá)到最大波高。另外, 從圖中可知, “黑珍珠”波浪滑翔器在近9 m的浪高下仍能正常工作, 證明了我國研制的波浪滑翔器應(yīng)用于臺(tái)風(fēng)觀測(cè)的可行性。

圖9 波浪滑翔器載波浪傳感器測(cè)量的最大波高曲線圖

有效波高是按一定規(guī)律統(tǒng)計(jì)的實(shí)際波高值, 具有較好的海面波高代表性。圖10為波浪傳感器與浮標(biāo)有效波高的數(shù)據(jù)對(duì)比。如圖10(a)所示, 兩者的曲線擬合程度較好, 從圖10(c)中可看出相關(guān)度達(dá)到了0.930 2, 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差在0.5 m附近, 說明波浪傳感器所測(cè)數(shù)據(jù)具有較高的準(zhǔn)確性。同時(shí), 從圖10(b)中的有效波高誤差曲線中得知, 當(dāng)浪高較小時(shí)對(duì)應(yīng)的浪高誤差也很小, 標(biāo)準(zhǔn)差在0.5 m左右, 當(dāng)浪高變大時(shí)浪高誤差也會(huì)隨之增大, 最大誤差達(dá)到了3.7 m。這是因?yàn)楦?biāo)可一直處于波峰位置, 而波浪滑翔器的母船與波峰之間會(huì)因海況的不同而拉開一段距離。由于波浪滑翔器會(huì)因牽引機(jī)的重力及所受水動(dòng)力而潛入水中, 當(dāng)海況很小時(shí), 母船與波峰距離很小, 兩者所測(cè)數(shù)據(jù)誤差也相對(duì)較小; 但當(dāng)海況較大時(shí), 母船與波峰之間的距離會(huì)隨之加大, 使得兩者所測(cè)數(shù)據(jù)誤差變大, 同時(shí), 波浪滑翔器與浮標(biāo)之間的距離相距較遠(yuǎn), 波浪的起伏情況也會(huì)有所不同, 加大了兩者的數(shù)據(jù)誤差。

通過圖11(a)給出的浮標(biāo)與波浪滑翔器所測(cè)波周期的數(shù)據(jù)對(duì)比可知, 波浪滑翔器與浮標(biāo)所測(cè)波周期曲線擬合情況較好, 起伏一致, 圖11(c)中的數(shù)據(jù)相關(guān)度有0.879 4, 數(shù)據(jù)誤差標(biāo)準(zhǔn)差在0.5 s, 可看出波浪傳感器所測(cè)波周期數(shù)值具有一定的參考價(jià)值。另外, 從圖11(b)誤差曲線上來看, 臺(tái)風(fēng)經(jīng)過的前后時(shí)間段內(nèi)兩者的誤差范圍大多保持在±1 s的區(qū)間內(nèi), 標(biāo)準(zhǔn)差為0.5 s; 在最大浪高附近的波周期誤差較大, 有2.6 s, 說明臺(tái)風(fēng)的出現(xiàn)會(huì)局部導(dǎo)致誤差突增, 雖然傳感器波周期測(cè)量較為穩(wěn)定, 但測(cè)量精度仍需進(jìn)一步提高。

3.3 海流分析

海流在劇烈臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)迫力場(chǎng)作用下, 流速發(fā)生異常變化, 繞著臺(tái)風(fēng)中心呈環(huán)狀流動(dòng)。圖12給出了海流不同流層流速、方向及密集程度的ADCP實(shí)測(cè)數(shù)據(jù), 可作為臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度、尺度分析研究基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖12 聲學(xué)多普勒流速剖面儀剖面測(cè)流

圖13 船速矢量分解

圖14 航行軌跡上的流向變化

4 結(jié)束語

“黑珍珠”波浪滑翔器在我國南海歷經(jīng)為期17天的海試試驗(yàn), 是我國波浪滑翔器近距離臺(tái)風(fēng)觀測(cè)的首次嘗試, 填補(bǔ)了臺(tái)風(fēng)觀測(cè)應(yīng)用領(lǐng)域的空白。該試驗(yàn)經(jīng)歷了3 次臺(tái)風(fēng)海況, 創(chuàng)下了8.5 m的浪高記錄, 并成功獲取了海洋動(dòng)力環(huán)境數(shù)據(jù), 環(huán)境測(cè)量數(shù)據(jù)可信, 驗(yàn)證了“黑珍珠”波浪滑翔器在極端海況下的生存能力及臺(tái)風(fēng)觀測(cè)的可行性, 標(biāo)志著我國自主研制的波浪滑翔器已具備了一定的極端海況觀測(cè)能力。由于該試驗(yàn)過程中未搭載氣象站及水面溫鹽等傳感器, 無法全方位描述臺(tái)風(fēng)特征。后續(xù)研究中, 將根據(jù)臺(tái)風(fēng)觀測(cè)需要, 針對(duì)“黑珍珠”波浪滑翔器做進(jìn)一步改進(jìn)。

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Application of Wave Glider “Black Pearl” to Typhoon Observation in South China Sea

SUN Xiu-jun, WANG Lei, SANG Hong-qiang

(1.School of Mechanical Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China; 2. Physical Oceanography Laboratory, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 3. Laboratory of Marine Dynamics and Climate Function,Pilot National Laboratory for Marine Science and Technology(Qingdao), Qingdao 266237, China; 4. School of Mechanical Engineering, Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387, China)

Typhoon observation technology of wave glider has been widely used abroad, however this technology is still at technical level in China. In order to expand the application scope of wave glider, the Chinese scholars carried out a 17-day sea trial of the wave glider “Black Pearl” in the South China Sea for typhoon observation. In this paper, the structure, working principle and test of the wave glider are introduced. The oceanic dynamic environment data such as wave height, wave period and cross-section velocity are acquired through the wave sensor and acoustic Doppler current profilers(ADCP). By comparing and analyzing the measured data with the buoy data, it is found that they agree well with low error and high correlation degree, verifying the measurement accuracy of the wave glider. This study proves that the wave glider “Black Pearl” developed independently by Chinese has potential application in extreme sea condition observation, and fills the gap of applying wave glider to typhoon observation in China.

wave glider; typhoon observation; wave sensor; acoustic Doppler current profilers(ADCP); correlation degree

TJ630; U674.941; O353.2

A

2096-3920(2019)05-0562-08

10.11993/j.issn.2096-3920.2019.05.012

孫秀軍, 王雷, 桑宏強(qiáng). “黑珍珠”波浪滑翔器南海臺(tái)風(fēng)觀測(cè)應(yīng)用[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2019, 27(5): 562-569.

2018-10-25;

2018-12-18.

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)專項(xiàng)(2017YFC0305902); 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)室“問海計(jì)劃”項(xiàng)目(2017WHZZB 0101); 天津市自然科學(xué)基金重點(diǎn)基金(18JCZDJC40100).

孫秀軍(1981-), 男, 教授, 主要研究方向?yàn)楹Ｑ笠苿?dòng)觀測(cè)平臺(tái)技術(shù).

(責(zé)任編輯: 楊力軍)