王德亮 張素偉

研究論文

極區(qū)冰下溫鹽剖面實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王德亮 張素偉

(宜昌測(cè)試技術(shù)研究所, 湖北 宜昌 443003)

極區(qū)冰下溫鹽剖面的觀測(cè)是極區(qū)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)的重要方面。大量浮冰的存在是極區(qū)海洋環(huán)境的主要特點(diǎn), 常規(guī)的Argo浮標(biāo)、水下滑翔機(jī)等海洋觀測(cè)設(shè)備無(wú)法透過(guò)冰層完成定位和衛(wèi)星通信傳輸, 這也是極區(qū)冰下溫鹽剖面資料數(shù)量少、時(shí)空不連續(xù)的主要原因。為實(shí)現(xiàn)對(duì)極區(qū)浮冰下0~200 m深度范圍進(jìn)行溫鹽剖面觀測(cè), 基于國(guó)產(chǎn)HM2000型剖面浮標(biāo)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì), 增加冰面通信設(shè)備、錨系平臺(tái)等設(shè)備, 組成溫鹽剖面實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)。研制過(guò)程中突破感應(yīng)耦合通信關(guān)鍵技術(shù), 創(chuàng)新性地建立岸站控制中心—冰面通信中繼—冰下剖面浮標(biāo)的雙向通信鏈路。本系統(tǒng)于2018年8月在中國(guó)第9次北極科學(xué)考察任務(wù)中順利完成布放和應(yīng)用。

極區(qū) Argo剖面浮標(biāo) HM2000剖面浮標(biāo) 實(shí)時(shí)觀測(cè)

0 引言

極區(qū)是地球系統(tǒng)的重要組成部分, 極區(qū)海洋環(huán)境要素的測(cè)量對(duì)研究全球海洋環(huán)境的變化具有重要意義[1]。大量浮冰的存在是極區(qū)海洋環(huán)境的主要特點(diǎn), 極區(qū)冰下溫鹽剖面的探測(cè)成為極區(qū)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)的重要方面。海冰生成時(shí)鹽分的析出及海冰融化時(shí)表面海水的淡化使得全球溫鹽環(huán)流受到較大影響, 其增長(zhǎng)和衰退不僅強(qiáng)烈影響海氣之間的熱交換, 而且影響海水表面的水平衡, 進(jìn)而影響全球海洋環(huán)流。

2007年11月, “全球Argo實(shí)時(shí)海洋觀測(cè)網(wǎng)”正式建成, 目前在海上正常工作的Argo浮標(biāo)總數(shù)約3 900個(gè), 為國(guó)際社會(huì)提供了100萬(wàn)條以上全球海洋0~2 000 m深度范圍內(nèi)的溫度和鹽度剖面資料[2-3], 這些海洋剖面資料覆蓋了地球絕大部分海域, 已經(jīng)成為全球海洋觀測(cè)系統(tǒng)的重要支柱。但是在極區(qū), 海表冰層厚度達(dá)到3~4 m, 常規(guī)的Argo剖面浮標(biāo)無(wú)法透過(guò)冰層完成定位和衛(wèi)星通信傳輸, 這也是極區(qū)冰下溫鹽剖面資料數(shù)量少、時(shí)空不連續(xù)的主要原因。同時(shí)極區(qū)低溫環(huán)境下, 海洋觀測(cè)設(shè)備的電池壽命也大幅縮短。

近幾年國(guó)外在北極開(kāi)展了冰下潛標(biāo)和冰上剖面儀的布放。美國(guó)伍茲霍爾海洋研究所研制了冰基拖曳式剖面儀(Ice-Tethered Profiler, ITP), 如圖1所示。該系統(tǒng)中位于冰下、水中的剖面儀在一個(gè)低功耗馬達(dá)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制下, 沿一條垂直的纜繩上下移動(dòng), 同時(shí)能夠連續(xù)收集海洋觀測(cè)數(shù)據(jù), 并通過(guò)衛(wèi)星通信的方式將數(shù)據(jù)傳回至岸基。日本JAMSTEC 公司與加拿大METOCEAN Data Systems公司于2004年合作研制極地海洋剖面浮標(biāo)(POPS), 主要由一個(gè)冰上平臺(tái)和水下CTD剖面儀組成, 測(cè)量的海洋、大氣數(shù)據(jù)通過(guò)銥衛(wèi)星通信傳回到岸基。冰上平臺(tái)由一個(gè)直徑20 cm的鋁管龍骨外圍包裹離聚物泡沫組成的浮力系統(tǒng), 在冰破裂或者融化的情況下能夠提供足夠的浮力, 還包含氣象傳感器、銥衛(wèi)星通信系統(tǒng)和GPS定位系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和鋰電池。冰上部分與水下剖面浮標(biāo)通過(guò)美國(guó)海鳥(niǎo)公司的感應(yīng)式調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。在國(guó)際極地年期間, 美國(guó)、加拿大、日本等國(guó)家的海洋科研單位, 在北冰洋大規(guī)模地布放帶有剖面儀的錨系潛標(biāo)和冰基海洋自動(dòng)剖面系統(tǒng)觀測(cè)設(shè)備, 獲取了大量冰下海洋要素剖面數(shù)據(jù)。法國(guó)的NKE公司基于PROVOR CTS3型Argo浮標(biāo), 通過(guò)增加錨系及冰面通信設(shè)備推出了應(yīng)用于極區(qū)的PROVOR SPI型Argo浮標(biāo), 并已成功地布放在Barneo地區(qū)。國(guó)內(nèi)相關(guān)科研人員也開(kāi)展了一系列的極區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè), 但是國(guó)內(nèi)尚沒(méi)有成熟地應(yīng)用于極區(qū)冰下上層海洋的溫鹽剖面觀測(cè)設(shè)備。袁凱琪[4]利用電容式冰厚傳感器技術(shù)開(kāi)展了極地海冰厚度監(jiān)測(cè)研究。李智剛等[5]介紹了水下機(jī)器人在極地考察中的應(yīng)用情況,對(duì)極地考察水下機(jī)器人的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)做了分析。方賀等[6]設(shè)計(jì)了一種用于觀測(cè)北極海冰側(cè)邊界融化的水下超聲波測(cè)距系統(tǒng)。章恒等[7]設(shè)計(jì)了一款基于Pt1000的多點(diǎn)低溫低功耗高精度鉑電阻柔性溫度鏈,用于極地環(huán)境下對(duì)冰川冰雪的溫度場(chǎng)剖面檢測(cè)。國(guó)家海洋技術(shù)中心早期研究過(guò)冰下定點(diǎn)溫鹽測(cè)量系統(tǒng), 系統(tǒng)水下部分錨系固定, 與冰面部分通過(guò)水聲傳感器進(jìn)行通信。該系統(tǒng)通信距離受水聲通信設(shè)備的限制, 通信距離短, 系統(tǒng)成本價(jià)格高, 系統(tǒng)工作時(shí)間短, 溫鹽測(cè)量受限為定點(diǎn)測(cè)量, 無(wú)法跟隨浮冰測(cè)量。

圖1 美國(guó)伍茲霍爾海洋研究所研制的冰基拖曳式剖面儀

Fig.1. Schematic of Ice-Tethered Profiler of Woods Hole Oceanography Institute

本極區(qū)冰下溫鹽剖面實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)基于HM2000型剖面浮標(biāo)技術(shù), 針對(duì)極區(qū)環(huán)境特點(diǎn)進(jìn)行一系列改進(jìn)設(shè)計(jì), 突破(低溫)冰面通信設(shè)備、水中耦合通信等關(guān)鍵技術(shù), 建立岸站控制中心—冰下剖面浮標(biāo)的雙向通信鏈路, 解決了極區(qū)浮冰下0~200 m深度范圍的溫鹽剖面實(shí)時(shí)觀測(cè)的難題。本文就其系統(tǒng)組成、工作原理、模塊設(shè)計(jì)及實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)分析。

1 極區(qū)溫鹽剖面觀測(cè)系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成

極區(qū)冰下溫鹽剖面觀測(cè)系統(tǒng)由岸站控制中心、冰面通信設(shè)備、冰下剖面浮標(biāo)和鋼纜錨塊等設(shè)備組成, 系統(tǒng)連接如圖2所示。

岸站控制中心由用戶計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)組成, 通過(guò)網(wǎng)絡(luò)線纜連接互聯(lián)網(wǎng)。冰面通信設(shè)備由銥星通信單元(含通信天線)、通信控制單元、耦合通信單元和電池組成。由于極地冰層在冬季時(shí)溫度可以達(dá)到–20℃, 對(duì)整個(gè)系統(tǒng), 尤其是電池容量帶來(lái)不利影響, 因此本系統(tǒng)在進(jìn)行冰面通信設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí), 僅將通信天線置于冰面, 將通信控制單元、電池、耦合通信單元封裝成獨(dú)立的密封艙, 置于冰層下方, 全部浸泡在海水中, 其環(huán)境溫度在–2℃左右, 可最大限度降低低溫環(huán)境對(duì)電池容量和電子元件的影響。

冰下剖面浮標(biāo)由耦合通信單元和剖面浮標(biāo)組成, 剖面浮標(biāo)完成冰下溫鹽剖面的測(cè)量, 將測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)耦合通信單元傳輸給冰面通信設(shè)備; 冰面通信設(shè)備下端通過(guò)轉(zhuǎn)環(huán)連接鋼纜, 冰下測(cè)量設(shè)備通過(guò)導(dǎo)向裝置連接鋼纜, 并沿鋼纜進(jìn)行升降。鋼纜下端連接錨塊。系統(tǒng)組成框圖如圖3所示。

1.2 工作原理

冰下剖面浮標(biāo)自主改變浮標(biāo)的體積, 實(shí)現(xiàn)上升和下潛, 在上浮過(guò)程中完成冰下200 m至水面的溫鹽剖面數(shù)據(jù)采集。當(dāng)冰下剖面浮標(biāo)上浮至冰面附近, 通過(guò)耦合通信單元將剖面數(shù)據(jù)傳輸給冰面通信設(shè)備, 由冰面通信設(shè)備通過(guò)銥星通信模塊傳輸給岸站控制中心。岸站控制中心連接互聯(lián)網(wǎng), 實(shí)時(shí)接收銥衛(wèi)星網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù), 將數(shù)據(jù)解析后獲得實(shí)時(shí)溫鹽剖面數(shù)據(jù)。

圖2 系統(tǒng)連接圖

Fig.2. System connection diagram

圖3 系統(tǒng)組成框圖

Fig.3. System block diagram

1.3 工作流程

系統(tǒng)工作流程如圖4所示。

①設(shè)備通信: 剖面浮標(biāo)初始布放或上浮到水面后, 上浮至水下5 m處, 冰下剖面浮標(biāo)與冰面通信設(shè)備進(jìn)行耦合通信, 將冰下設(shè)備的狀態(tài)信息和剖面測(cè)量的溫鹽深數(shù)據(jù)上傳, 冰面通信設(shè)備通過(guò)銥衛(wèi)星將信息傳輸給岸站控制中心。

②剖面浮標(biāo)下潛: 通信傳輸完成后, 耦合通信單元斷電, 冰下剖面浮標(biāo)內(nèi)浮力調(diào)節(jié)模塊進(jìn)行抽油運(yùn)動(dòng), 浮標(biāo)體下端的油囊體積變小, 浮標(biāo)沿著包塑鋼纜自主下潛, 下潛至鋼纜底端200 m處的擋塊, 停止下潛, 等待設(shè)置的剖面周期時(shí)間到, 冰下剖面浮標(biāo)進(jìn)入休眠狀態(tài)。

③剖面浮標(biāo)上浮測(cè)量: 剖面周期時(shí)間到, 冰下剖面浮標(biāo)退出休眠, 冰下剖面浮標(biāo)內(nèi)浮力調(diào)節(jié)模塊進(jìn)行充油運(yùn)動(dòng), 浮標(biāo)沿包塑鋼纜上浮。在上浮過(guò)程中按照深度間隔依次進(jìn)行溫鹽剖面測(cè)量并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。當(dāng)上浮到達(dá)上端擋塊, 冰下剖面浮標(biāo)停止上浮, 完成剖面測(cè)量, 并轉(zhuǎn)入與冰面通信設(shè)備耦合通信階段, 通信完成后, 再次開(kāi)始下潛, 進(jìn)行周期循環(huán)。

圖4 系統(tǒng)工作流程

Fig.4. System flowchart

2 系統(tǒng)主要模塊設(shè)計(jì)

2.1 冰面通信設(shè)備

冰面通信設(shè)備主要作用為通過(guò)耦合通信方式接收冰下剖面浮標(biāo)測(cè)量數(shù)據(jù), 并將當(dāng)前GPS定位數(shù)據(jù)和冰下數(shù)據(jù)打包成完整剖面數(shù)據(jù), 通過(guò)銥星通信模塊上傳至岸站控制中心。

冰面通信設(shè)備由通信控制單元、耦合通信單元和電池組成。這些單元安裝在密封倉(cāng)體內(nèi), 置于冰下1~2 m海水中, 并通過(guò)鋼管固定在冰面浮體上。

2.1.1 通信控制單元

通信控制單元以超低功耗的MSP430微處理器為核心, 內(nèi)部集成嵌入式的銥星9602型終端模塊和GPS定位模快, 增加數(shù)據(jù)融合處理單元電路, 并配備標(biāo)準(zhǔn)RS232串口。為保證良好的通信效果, 將銥星天線封裝在塑料外殼中, 通過(guò)水密電纜伸出冰面0.5 m高。電路板采用“防潮”、“防震”及“防鹽霧”設(shè)計(jì), 完全滿足極區(qū)惡劣環(huán)境工作要求。

通信控制單元作為冰面通信中繼, 通過(guò)銥星、耦合通信模塊, 建立起岸站控制中心—冰面通信控制單元—冰下剖面浮標(biāo)的雙向通信鏈路。通信控制單元利用銥星9602型終端模塊的突發(fā)短消息(Short Burst Data, SBD)業(yè)務(wù), 可實(shí)現(xiàn)與岸站控制中心的雙向通信功能[8], 銥星9602型終端模塊如圖5所示。通信控制單元通過(guò)RS232串口與耦合通信單元連接, 實(shí)現(xiàn)與冰下剖面浮標(biāo)的感應(yīng)耦合雙向通信, 接收冰下剖面浮標(biāo)測(cè)量數(shù)據(jù), 并向冰下剖面浮標(biāo)發(fā)送控制指令。通信控制單元接口關(guān)系如圖6所示。

圖5 銥星9602 SBD模塊

Fig.5. The 9602 SBD module

圖6 通信控制單元接口關(guān)系圖

Fig.6. Interface diagram of communication control unit

2.1.2 耦合通信單元

耦合通信是目前水下設(shè)備進(jìn)行雙向通信的常用方式, 如美國(guó)海鳥(niǎo)公司生產(chǎn)的SBE44UIM水下感應(yīng)調(diào)制解調(diào)器, 加拿大RBR公司生產(chǎn)的MLM-1000型錨系感應(yīng)耦合數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)等。但這些產(chǎn)品均為進(jìn)口, 價(jià)格昂貴, 體積較大。為此, 在研制過(guò)程中對(duì)水下耦合通信單元進(jìn)行了技術(shù)攻關(guān), 完成了基于非接觸的FSK感應(yīng)耦合通信的耦合通信模塊研制, 在降低產(chǎn)品成本的同時(shí), 實(shí)現(xiàn)了技術(shù)自主可控。

耦合通信模塊主要由感應(yīng)耦合天線和調(diào)制解調(diào)單元電路組成。感應(yīng)耦合天線由感應(yīng)線圈及密封外殼組成, 通過(guò)繼電器控制感應(yīng)線圈與調(diào)制電路、解調(diào)電路之間的連接。調(diào)制解調(diào)單元以XR2206和XR2211為調(diào)制解調(diào)芯片, 中心頻率f1、f2分別為24.7KHz和27.4KHz。耦合通信時(shí)先將數(shù)字信號(hào)進(jìn)行頻移調(diào)制, 利用不同頻率的正弦波代表數(shù)字信號(hào)“1”和“0”, 載波的頻率隨二進(jìn)制基帶信號(hào)在f1和f2兩個(gè)頻點(diǎn)間變化。其表達(dá)式和波形見(jiàn)圖7。

Fig.7. Waveform of inductive coupling communication

本系統(tǒng)在冰面通信設(shè)備和冰下剖面浮標(biāo)均安裝FSK感應(yīng)耦合通信單元, 成功實(shí)現(xiàn)了冰面通信設(shè)備和冰下剖面浮標(biāo)的非接觸式通信(圖8), 相比水聲通信, 具有功耗低、誤碼率低的優(yōu)勢(shì)。

2.1.3 電池

由于極地冰層在冬季時(shí)溫度可以達(dá)到–20℃, 對(duì)電池容量帶來(lái)不利影響, 因此本系統(tǒng)的電池艙位于冰層以下海水中, 其環(huán)境溫度在–2℃左右, 可最大限度減少低溫對(duì)電池容量帶來(lái)的影響。極區(qū)特殊的環(huán)境溫度對(duì)電池的抗低溫性能有極大的要求。在電池選型過(guò)程中, 對(duì)兩種鋰電池進(jìn)行了低溫放電對(duì)比測(cè)試。選取目前在海洋裝備中應(yīng)用廣泛的ER34615M鋰亞硫酰氯和鋰二氧化錳兩種一次性鋰電池。

在進(jìn)行放電測(cè)試時(shí), 充分考慮了實(shí)際工作溫度、工作電流及系統(tǒng)工作電壓等因素。將實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)溫度設(shè)置為0℃。電池的初始電壓為DC 25V左右, 系統(tǒng)正常工作電壓范圍為DC 18~30V, 因此放電截止電壓設(shè)置為DC 18V。根據(jù)系統(tǒng)循環(huán)工作流程, 設(shè)置最大放電電流為1.25A, 縮短休眠周期, 進(jìn)行加密周期性放電。兩種電池參數(shù)如表1所示。

圖8 觀測(cè)系統(tǒng)中耦合通信連接方式

Fig.8. Connection mode of inductive coupling communication

表1 兩種鋰電池參數(shù)表

根據(jù)兩種鋰電池放電曲線(圖9、圖10)及放電測(cè)試結(jié)果(表2)可得出以下結(jié)論: (1)在相同的0℃環(huán)境溫度和放電測(cè)試條件下, 兩種電池在整個(gè)放電過(guò)程中都保持明顯的平穩(wěn)性, 電壓穩(wěn)定; (2)當(dāng)環(huán)境溫度為0℃時(shí), ER34615M鋰亞硫酰氯電池放電量為常溫下標(biāo)稱容量的61%, 鋰二氧化錳電池放電量為常溫下標(biāo)稱容量的91%, 可見(jiàn)在低溫狀態(tài)下鋰二氧化錳一次性電池可用電量明顯多于ER34615M鋰亞硫酰氯電池。因此系統(tǒng)最終選用鋰二氧化錳電池。值得說(shuō)明的是, 此次測(cè)試為了縮短電池放電試驗(yàn)時(shí)間, 采取了加大電流和加密周期進(jìn)行測(cè)試, 兩種電池放電分別持續(xù)了21天和32天。根據(jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行推算, 系統(tǒng)正常工作時(shí)間可達(dá)6個(gè)月。

2.2 冰面浮體

冰面浮體由固體浮力塊、固定三根支架和尼龍板等組成(圖11)。其中三根支架長(zhǎng)度為1 m左右的鋼管通過(guò)螺紋旋緊固定在中間的支撐塊上, 支架下端為圓形淺色尼龍板, 尼龍板通過(guò)連接螺栓與固體浮力塊固定連接, 固體浮力塊選用密度為0.5 g·cm–3的固體浮力材料加工而成, 當(dāng)出現(xiàn)浮冰融化或破裂時(shí), 為整個(gè)系統(tǒng)提供足夠浮力。

圖9 ER34615M鋰亞硫酰氯電池放電曲線

Fig.9. Discharge curve of ER34615M lithium battery

圖10 鋰二氧化錳電池放電曲線

Fig.10. Discharge curve of Li-MnO2battery

表2 兩種鋰電池放電測(cè)試結(jié)果

圖11 冰面浮體

Fig.11. Floating body on the ice

2.3 冰下剖面浮標(biāo)

冰下剖面浮標(biāo)基于國(guó)產(chǎn)HM2000型剖面浮標(biāo)進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)設(shè)計(jì)(圖12)。HM2000型剖面浮標(biāo)由宜昌測(cè)試技術(shù)研究所自主研制, 于2015年10月正式被國(guó)際Argo信息中心(AIC)接納, 是國(guó)內(nèi)唯一被國(guó)際Argo組織認(rèn)可的國(guó)產(chǎn)剖面浮標(biāo)[9]。HM2000型剖面浮標(biāo)與國(guó)外同類型Argo浮標(biāo)一樣, 投放入水后根據(jù)預(yù)先設(shè)定參數(shù), 自動(dòng)完成下潛—定深漂流—上浮CTD測(cè)量—水面通信—下潛的剖面循環(huán), 可在海洋中連續(xù)工作2—3年。

冰下剖面浮標(biāo)搭載傳感器為美國(guó)海鳥(niǎo)公司生產(chǎn)的SBE41CP型溫鹽深傳感器, 主要技術(shù)參數(shù)如表3所示。

圖12 冰下剖面浮標(biāo)

Fig.12. Profiling float under ice

表3 SBE41CP型溫鹽深傳感器技術(shù)參數(shù)

為適應(yīng)極地冰下及錨系系留使用要求, 冰下剖面浮標(biāo)主要改進(jìn)設(shè)計(jì)如下: (1)將HM2000型剖面浮標(biāo)的衛(wèi)星通信模塊更換為耦合通信單元, 天線腔體配裝通信耦合線圈, 并同步完成控制軟件優(yōu)化改進(jìn), 實(shí)現(xiàn)剖面浮標(biāo)與冰面通信設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸, 線圈耦合通信為自主研發(fā), 擺脫了國(guó)外鋼纜耦合通信的技術(shù), 極大降低了設(shè)備成本; (2)在HM2000型剖面浮標(biāo)的耐壓殼體上設(shè)計(jì)配裝固定支架和導(dǎo)輪(圖13), 采用兩部分圓筘, 中間通過(guò)螺釘固定, 安裝方便, 在浮標(biāo)上端和下端各安裝1組, 浮標(biāo)上浮和下降通過(guò)導(dǎo)輪沿鋼纜滑行, 減小摩擦力。

圖13 剖面浮標(biāo)上的固定支架和導(dǎo)輪

Fig.13. Fixing bracket and guide wheel of profiling float

2.4 岸站控制中心

岸站控制中心主要由網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、用戶計(jì)算機(jī)和控制軟件組成。控制軟件通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)連接互聯(lián)網(wǎng), 實(shí)時(shí)接收銥衛(wèi)星網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù), 將數(shù)據(jù)解析后獲得實(shí)時(shí)溫鹽剖面數(shù)據(jù)?？刂栖浖饕鞑僮鹘缑妗?shù)設(shè)置、浮標(biāo)態(tài)勢(shì)顯示、數(shù)據(jù)處理等界面。

控制軟件將銥星數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼、顯示, 并實(shí)時(shí)繪制溫鹽深曲線、浮標(biāo)漂移軌跡, 自動(dòng)生成每個(gè)剖面的數(shù)據(jù)文件, 存放在本地計(jì)算機(jī), 文件名為“通信IMEI號(hào)碼_剖面序號(hào)”的.txt文件, 方便用戶調(diào)用。

3 水池及湖上試驗(yàn)

為適應(yīng)極區(qū)和海冰應(yīng)用環(huán)境, 先后對(duì)冰下溫鹽剖面實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了水池以及湖上試驗(yàn), 并對(duì)系統(tǒng)布放流程、水下耦合通信測(cè)試、冰下剖面浮標(biāo)剖面循環(huán)、冰面通信等進(jìn)行重點(diǎn)驗(yàn)證。

2018年6月15日, 在室內(nèi)水池進(jìn)行了首次水池試驗(yàn)(圖14), 進(jìn)行了20個(gè)剖面的工作測(cè)試, 冰下剖面浮標(biāo)上浮下潛功能正常, 水下耦合通信正常, 剖面數(shù)據(jù)傳輸正常, 并初步積累了系統(tǒng)布放流程經(jīng)驗(yàn)。

圖14 水池試驗(yàn)

Fig.14. Pool test

2018年7月4日—7月10日, 在湖北省巴東縣水布埡試驗(yàn)基地進(jìn)行湖上試驗(yàn)(圖15), 對(duì)冰下剖面浮標(biāo)剖面循環(huán)、冰面通信功能進(jìn)行了充分驗(yàn)證。湖上試驗(yàn)完成了布放演練, 進(jìn)一步完善系統(tǒng)布放流程。湖上試驗(yàn)過(guò)程中進(jìn)行了15個(gè)剖面的工作測(cè)試, 冰下剖面浮標(biāo)工作正常, 水下耦合通信正常, 系統(tǒng)能夠與岸站控制中心通過(guò)銥星通信系統(tǒng)進(jìn)行雙向通信, 剖面數(shù)據(jù)傳輸正常, 系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

圖15 湖上試驗(yàn)

Fig.15. Lake test

4 極區(qū)布放與應(yīng)用

4.1 極區(qū)布放

本系統(tǒng)于2018年8月18日在中國(guó)第9次北極科學(xué)考察任務(wù)中搭載“雪龍”號(hào)順利完成布放, 布放于167°11′41″W, 84°09′15″N。由于極區(qū)環(huán)境惡劣, 為了減少布放時(shí)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度, 現(xiàn)場(chǎng)采用工裝輔助布放(圖16)。

布放的方法和步驟如下:

1)布放錨塊和鋼纜: 用專用工具在冰上開(kāi)一個(gè)直徑為300 mm的孔, 固定絞車(chē)(布放輔助工裝), 連接錨塊, 逐一布放錨塊和包塑鋼纜;

2)剖面浮標(biāo)通電測(cè)試: 通過(guò)絞車(chē)逐一放鋼纜至上擋塊處, 放纜停止; 取出剖面浮標(biāo), 按照步驟開(kāi)電, 用測(cè)試工裝測(cè)試剖面浮標(biāo)工作狀態(tài)正常后, 直立剖面浮標(biāo), 安裝浮標(biāo)上的固定支架, 確認(rèn)安裝無(wú)誤后, 將浮標(biāo)沿包塑鋼纜從冰洞中逐漸緩慢滑于水中;

3)鋼管連接固定: 將鋼管穿過(guò)三腳架, 安裝轉(zhuǎn)環(huán)在鋼管上, 將鋼纜接頭安裝在轉(zhuǎn)換上, 檢查確認(rèn); 將冰面通信艙固定安裝在鋼管上;

4)安裝冰面浮體: 將冰面浮體缺口位置穿過(guò)鋼管, 對(duì)準(zhǔn)尼龍板上的連接螺栓位置, 將連接螺栓固定, 確認(rèn)螺栓旋緊固定。將冰面浮體放置于冰面, 設(shè)備布放完成。

布放過(guò)程提前演練, 實(shí)際在北極浮冰上進(jìn)行布放時(shí), 布放較順利, 設(shè)備工作正常。

圖16 系統(tǒng)在北極布放

Fig.16. System deployed in the Arctic

4.2 實(shí)際應(yīng)用

2018年8月18日—2019年1月18日, 本系統(tǒng)持續(xù)工作153天, 獲得104個(gè)剖面數(shù)據(jù)。根據(jù)使用要求, 最大采樣深度為210 m, 按照深度間隔每剖面共100個(gè)采樣點(diǎn)。在布放初期, 系統(tǒng)觀測(cè)頻率設(shè)定為6小時(shí)/剖面, 運(yùn)行穩(wěn)定后系統(tǒng)將觀測(cè)頻率改為5、10天/剖面。系統(tǒng)完成104個(gè)剖面, 剖面位置信息、剖面鹽度數(shù)據(jù)傳輸正常, 滿足70個(gè)剖面的指標(biāo)要求, 工作壽命符合預(yù)期。首次在極地實(shí)際應(yīng)用, 雖然本系統(tǒng)能夠滿足基本觀測(cè)要求, 但其性能和使用壽命等還是不及歐美國(guó)家的產(chǎn)品, 尤其在穩(wěn)定性、可靠性和布放流程等方面需要改進(jìn)。例如布放后, 剖面儀上傳的溫度剖面數(shù)據(jù)為0, 溫度數(shù)據(jù)缺失, 導(dǎo)致系統(tǒng)觀測(cè)數(shù)據(jù)僅有鹽度剖面數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)對(duì)剖面儀的各組成部分和接口協(xié)議的分析, 發(fā)現(xiàn)冰下剖面浮標(biāo)對(duì)0度以下的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮編碼時(shí), 軟件處理存在缺陷, 溫度編碼函數(shù)返回值為0, 進(jìn)而導(dǎo)致出現(xiàn)岸站解析溫度數(shù)據(jù)為0的故障現(xiàn)象。項(xiàng)目組對(duì)問(wèn)題充分分析, 進(jìn)行了準(zhǔn)確的故障定位, 并對(duì)故障進(jìn)行復(fù)現(xiàn); 制定糾正措施, 完善數(shù)據(jù)壓縮編碼, 解決了該問(wèn)題。并在溫度箱內(nèi)進(jìn)行了溫度循環(huán)(–5~5℃)測(cè)試驗(yàn)證, 充分解決了該問(wèn)題。

系統(tǒng)運(yùn)行軌跡如圖17所示, 圖中紅色菱形為系統(tǒng)布放點(diǎn), 紅色五角星為系統(tǒng)漂移終點(diǎn)。系統(tǒng)使用的CTD傳感器為美國(guó)海鳥(niǎo)公司生產(chǎn)的SBE41型CTD傳感器, 根據(jù)美國(guó)海鳥(niǎo)公司發(fā)布的SBE41型CTD傳感器的參考指令集, 該型CTD傳感器數(shù)據(jù)輸出格式為工程格式, 包含溫度、鹽度和深度三種數(shù)據(jù), 電導(dǎo)率數(shù)據(jù)并不對(duì)用戶輸出, 其鹽度數(shù)據(jù)為傳感器本身根據(jù)溫度、深度、電導(dǎo)率計(jì)算得出。雖然溫度數(shù)據(jù)由于系統(tǒng)軟件問(wèn)題出現(xiàn)缺失, 但傳回的鹽度數(shù)據(jù)為傳感器原始數(shù)據(jù), 因此對(duì)其所有鹽度剖面數(shù)據(jù)進(jìn)行分析, 對(duì)傳感器工作狀態(tài)判定具有一定意義, 尤其是分析CTD傳感器是否存在漂移現(xiàn)象。將系統(tǒng)回傳的104個(gè)鹽度剖面數(shù)據(jù)繪制成鹽度曲線簇進(jìn)行分析(圖18)。

圖17 系統(tǒng)漂移軌跡

Fig.17. Drifting trajectory map

在極地布放時(shí), 沒(méi)有在布放點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)CTD觀測(cè)以及水樣采集, 同時(shí)由于溫度數(shù)據(jù)的缺失也無(wú)法對(duì)溫度和T-S曲線進(jìn)行分析, 因此對(duì)該系統(tǒng)觀測(cè)的鹽度剖面數(shù)據(jù)無(wú)法進(jìn)行有效比測(cè)。但從圖18來(lái)看, 該系統(tǒng)本身測(cè)量的各個(gè)鹽度剖面之間吻合程度較好, 沒(méi)有出現(xiàn)明顯的毛刺或異常數(shù)據(jù)。鹽度愈往海面, 其離散越明顯, 而在200 m深度反而出現(xiàn)一定的聚集趨勢(shì)。圖18呈現(xiàn)的0~200 m深度的鹽度變化規(guī)律也符合海洋上層海水溫鹽特性, 越往海水表層, 越容易收到風(fēng)、太陽(yáng)輻射等外界因素影響。這也為該系統(tǒng)后續(xù)改進(jìn)和實(shí)際應(yīng)用敲響了警鐘, 利用船載CTD儀、采水器和實(shí)驗(yàn)室鹽度計(jì)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)比測(cè), 以便于對(duì)系統(tǒng)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行真實(shí)、客觀的質(zhì)量評(píng)價(jià)。

圖18 鹽度剖面曲線簇

Fig.18. Salinity profile curves

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了極區(qū)冰下溫鹽剖面實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)的系統(tǒng)組成及主要模塊設(shè)計(jì)?；趪?guó)產(chǎn)HM2000型剖面浮標(biāo)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì), 增加冰面通信設(shè)備、錨系平臺(tái)等設(shè)備, 組成溫鹽剖面實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)。本系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)在于突破感應(yīng)耦合通信關(guān)鍵技術(shù), 實(shí)現(xiàn)了水下非接觸通信技術(shù)的自主可控; 創(chuàng)新性地將冰面通信控制單元作為冰面通信中繼, 建立岸站控制中心—冰面通信控制單元—冰下剖面浮標(biāo)的雙向通信鏈路, 實(shí)現(xiàn)了極區(qū)浮冰下0~200 m深度范圍的溫鹽剖面實(shí)時(shí)觀測(cè)。

本系統(tǒng)于2018年8月18日在中國(guó)第9次北極科學(xué)考察任務(wù)中順利完成布放。本系統(tǒng)首次在極地實(shí)際應(yīng)用, 雖然能夠滿足基本觀測(cè)要求, 但其性能和使用壽命等還是不及歐美國(guó)家的產(chǎn)品, 尤其在穩(wěn)定性、可靠性和布放流程等方面需要改進(jìn), 力爭(zhēng)早日填補(bǔ)我國(guó)自主研發(fā)的極區(qū)冰下海洋測(cè)量裝備產(chǎn)品化的空白, 使我國(guó)冰下海洋觀測(cè)邁上新臺(tái)階。

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DESIGN AND APPLICATION OF A REAL-TIME TEMPERATURE AND SALINITY PROFILE OBSERVATION SYSTEM UNDER ICE FOR POLAR REGIONS

Wang Deliang, Zhang Suwei

(Yichang Testing Technique Research Institute, Yichang 443003, China)

The observation of temperature and salinity profiles under ice is an important aspect of polar marine environmental monitoring. The large number of ice floes is the main feature of the polar ocean environment. Conventional ocean observation equipment such as Argo buoys and underwater gliders cannot fixed positions and transfer satellite observations under the ice, which is also the main reason for the relative scarcity of temperature and salinity profile data and space–time discontinuity in the polar regions. To observe temperature and salinity profiles in the depth range of 0–200 m under the ice, we developed a real-time observation system based on the domestic HM2000 profiling buoy, which integrated the ice surface communication equipment and anchor platform. A breakthrough was achieved in the key technology of inductive coupling communication, and a two-way communication link between the shore station and profile buoy was established. In August 2018, the system was successfully deployed and applied in the ninth Arctic scientific expedition of China.

polar region, Argoprofiling buoy, HM2000 profiling buoy, real-time observation

2019年12月收到來(lái)稿, 2020年5月收到修改稿

王德亮, 男, 1983年生。高級(jí)工程師, 主要從事海洋工程裝備、測(cè)控技術(shù)研究。E-mail: wdl710103@126.com

10. 13679/j.jdyj.20190073