海床基海洋環境自動監測系統的研究

齊爾麥，張 毅，常延年

（國家海洋技術中心，天津 300112）

海床基海洋環境自動監測系統的研究

齊爾麥，張 毅，常延年

（國家海洋技術中心，天津 300112）

介紹了一種適用于在淺海（水深100 m以內）工作的海床基海洋環境自動監測系統的工作原理和組成。對水下集成監測平臺、數據采集和傳輸、系統布放回收等關鍵技術進行了深入研究并開發了海床基監測系統工程樣機。系統結合水聲通訊與衛星通訊技術實現了水下監測數據的實時傳輸；在水下集成平臺的設計上采取了防拖網、防泥沙等安全性和環境適應性措施；提出了便于實施海上作業的基于自由下落方式的布放方法和基于聲學釋放技術的回收方法。經過海上長期試驗表明該系統能夠穩定可靠地在惡劣的海底環境中完成長期監測工作。

海床基；監測系統；數據實時傳輸

海床基海洋環境自動監測系統（以下簡稱海床基監測系統）是布放在海底對海洋環境進行定點、長期、連續測量的綜合自動監測裝置，具有長時間自動監測、隱蔽性好等特點，是獲取水下長期綜合觀測資料的重要技術手段。隨著世界范圍內對海洋資源的開發利用、海洋災害的監測與預防、海洋環境保護等工作的重視，許多發達國家正努力在本國沿海及全球大洋建立海洋立體監測系統。海底成為繼海面/地面觀測、空中遙測遙感之后地球科學的第三個觀測平臺[1]，海底觀測系統正逐步成為海洋技術領域的研究熱點[2]。

國際上已開展了許多用于不同目的海床基監測系統技術研究，例如美國自20世紀90年代開始建設的生態環境海底觀測站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，對海水溫度和海流等數據進行長期監測；美國NOAA的DART系統利用坐底式監測設備和水面氣象浮標進行海嘯監測與預警；美國NeMO海底觀測系統[5]布放在1 600 m水深的火山熱液口附近監測海底火山活動現象。在國家863計劃的支持下，國家海洋技術中心從“九五”開始開展坐底式多參數集成監測系統的研制。在“九五”期間研制的自容式海床基監測系統主要用于采集水樣并監測懸浮泥沙濃度剖面和粒徑譜，同時監測浪、潮、流等動力環境背景，可在50 m水深的海底連續工作1個月；“十五”期間進一步研制了具有實時傳輸功能的海床基動力要素綜合自動監測系統[6]，可在水深100 m以內的海底連續工作3個月，對波浪、水位、海流剖面、溫度、鹽度等海洋動力要素進行監測。本文的研究工作是在“十一五”863計劃項目的支持下進行的，通過對海床基系統的多參數集成監測、數據實時傳輸、系統布放回收等技術進行深入研究，提高海床基監測系統的安全性和環境適應性，使其更適應于在惡劣的海洋環境下進行長期坐底監測。

1 系統總體設計

1.1 系統工作原理

本文研究的海床基監測系統是一種適用于在淺海（水深100 m以內）工作的坐底式離岸監測裝置。在水下集成平臺上安裝了各種測量儀器和系統工作設備，水下系統用蓄電池供電。各測量儀器在中央控制機的控制下按照預設的時間間隔加電工作，對海洋環境進行監測，主要監測對象包括海流剖面、水位、鹽度、溫度等海洋環境要素。監測數據在中央控制機內進行集中存儲，并可通過水聲通訊的方式將最新數據實時傳輸至水面浮標系統，再由浮標通過衛星通訊或無線通訊轉發至地面站。系統回收時，可在水面船只上發射聲學指令遙控水下系統上浮水面。其工作過程如圖1所示。

圖1 海床基監測系統工作示意圖

1.2 系統的組成

海床基監測系統整體組成方案如圖2所示，包括水上和水下兩個部分：

圖2 海床基觀測系統框圖

1.2.1 水上部分

（1）聲學應答釋放器水上機：用于在系統回收時發射應答和釋放控制指令。

（2）聲通訊機接收機：安裝在水面浮標系統上，在接收到水下系統傳送的數據后，將數據送入浮標數據采集模塊。

1.2.2 水下部分

（1）水下集成安裝平臺：包括浮體、儀器艙、配重支撐架和釋放機構等，是各種儀器設備的工作平臺；

（2）測量儀器：包括聲學多普勒海流剖面儀（ADCP）、壓力式波潮儀、溫鹽測量儀；

（3）系統設備：包括中央控制機、聲學應答釋放器水下機、定時釋放器、安全報警器（當水下設備上浮水面時，通過手機短信或衛星通訊發出警報信息）、電池艙及聲通訊發射機。

1.3 主要功能與技術指標

(1）最大工作水深：100 m；

(2）水下連續工作時間：90 d；

(3）工作方式：水下定點監測,正點采樣，每天24次；

(4）測量參數技術指標如表1所示。

表1 海床基監測系統測量參數表

2 關鍵技術的研究

2.1 水下集成平臺的設計

水下系統整體結構如圖3所示。其外形呈封閉的梯臺狀且表面無易勾掛的結構部件。其結構布局總體上可分成上下兩部分，由釋放機構連接。上部為儀器艙，安裝多種傳感器和設備，其頂部安裝浮體；下部為配重支撐架，配置重物。聲通訊機、聲學海流剖面儀及聲學應答釋放器等聲學儀器和安全預警器安裝在儀器艙上部，上覆透聲罩防止拖網勾掛并起到保護作用；溫鹽儀、中央控制機、水位計和兩個電池艙安裝在儀器艙下部。

系統的主要結構物理特性如下：

圖3 海床基觀測系統結構示意圖

（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：系統在空氣中的總重量約為600 kg，在水中的凈重量為184 kg。回收時自動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：系統重心和浮心基本位于結構中軸線上，偏離量不超過1 cm。重心距離底板645 mm，浮心距離底板755 mm。

在水下平臺的結構設計上采取了防拖網、防掩埋、防傾覆和防污損等安全性和環境適應性措施：

（1）結構平穩性：系統的結構布局保證了重浮心配置的合理性，在姿態發生傾斜時會產生較大的回復力矩并保持平穩，使得系統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，也不會影響儀器設備的在回收時自動上浮水面。

（3）防拖網設計：系統整體外形呈梯臺狀，底盤較大，頂部用透聲材料制作頂罩。在外形結構較為順滑，無易勾掛的結構，有利于漁船拖網經過時順利滑過。

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

2.2 數據采集和傳輸

2.2.1 數據采集

系統配置的聲學多普勒海流剖面儀（ADCP），工作頻率為470 kHz，可工作在水深100 m的海底，自底向上測量布放點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工作水深小于30 m時可用于測量水位和波高、波周期等參數，當系統工作水深大于30 m時，采用壓力式測量波浪的方法已不適用，故僅提取其水位數據；溫鹽測量儀用于測量海底的溫度和鹽度。

測量儀器在中央控制機的控制下，以預置的采樣周期對海洋環境要素進行監測。測量數據分別在各個測量儀器內部和中央控制機存儲器內進行存儲；數據發送到水面浮標后，在浮標內部和岸站接收端也對數據進行存儲。這種多點存儲、互為備份的方式有利于保障測量數據的完整性，并可通過相互比對來檢驗數據傳輸的有效性和測量數據的質量。

2.2.2 數據實時傳輸

由測量儀器、中央控制機、聲通訊機、浮標數據接收模塊、衛星通訊模塊、地面接收站構成了海床基監測系統數據實時傳輸鏈路。水下系統每間隔1 h（可設置）采集一組測量數據并通過數據實時傳輸鏈路將最新數據傳送回地面站。

在整個傳輸鏈路中，水聲通訊環節是溝通水下和水面系統的關鍵環節。在海洋環境中，水聲通訊是最適宜用于遠距離無纜數據傳輸的方式。但同時，復雜的海洋聲場環境對水聲通訊的效果也有較大影響，在淺海應用時聲場環境更顯惡劣。系統配置的聲傳輸機的最大傳輸距離可以達到3 000 m，在系統設計上采取以下措施保障通訊效果。

（1）聲通訊發射機安裝在水下平臺頂部，水面接收機安裝在浮標底部并探入水下約2 m，盡量避免由于結構干涉、遮擋等原因影響聲通訊效果。

（2）水下系統集成的多種聲學設備選用不同的工作頻率且分時工作（ADCP470 kHz，聲學應答釋放器15 kHz，聲傳輸機12 kHz），避免聲信號之間的干擾影響通訊。

（3）水下系統在對監測原始數據進行存儲并進行必要的處理后，形成特征數據傳送至水面，壓縮聲傳輸數據量以保障數據傳輸的可靠。特征數據中包含水下系統的姿態數據（方向角、傾斜角和搖擺角），可用于判斷水下系統是否平穩坐底。

2.3 系統能源供給

作為一種離岸工作的坐底式觀測系統，無法如水面浮標那樣利用太陽能進行能量補充，如果通過海底電纜從陸地上向水下系統供電，則成本較高且在很多情況下難以實現。現實可行的能源供給途徑就是系統自身配備足夠的儲能電池并進行合理的用電管理，以達到系統在水下長期工作的目標。

根據對水下儀器設備的能耗計算并考慮到水下低溫環境對電池實際可輸出能量的影響，本文研制的海床基監測系統配備了可支持各儀器設備連續工作3個月并留有30%以上余量的儲能電池，其重力負載在整個水下系統的總重量中占據相當大的比重。在系統用電管理方面，水下工作儀器在電路設計上盡量選用低功耗器件，對功耗較高的器件則只在必要時供電以減少耗電量；中央控制機根據系統的工作流程在必要時為系統中的用電設備開通電源，其它時間則停止供電，減少儀器的待機功耗。

2.4 系統布放與回收

2.4.1 系統布放

系統布放時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。這種布放方式簡化了海上布放的作業程序，降低了對作業船只和配套設備的要求，有助于提高系統布放的可操作性。

系統在布放下落過程中受到重力、浮力以及水阻力的作用。通過仿真計算和試驗測試可知，在系統自由下落過程中，下落速度在很短的時間內（t<2s）收斂于一個穩定值，約為0.6 m/s。本文在研究過程中，根據《HY 016.12—1992海洋儀器基本環境試驗方法 沖擊試驗》，對系統上集成的儀器設備進行了沖擊試驗，并在室內水池（水泥底）進行多次布放試驗。試驗結果表明系統可在落底沖擊的條件下，保持機械和電氣性能的完好。在系統下落過程中受到側向海流的干擾而發生姿態傾斜時，系統的重浮力會產生一個將其扶正的回復力矩，保障其姿態不會失控。根據系統的結構物理特性和水阻力特性分析，在側向海流速度為0.5 m/s時，系統結構傾斜角度可控制在15°以內，完全可以安全坐底。

2.4.2 系統釋放回收

系統回收時，在水面船只上通過聲學應答釋放器水上機發出水聲遙控釋放指令，聲學應答釋放器水下機收到指令后控制釋放機構執行脫鉤動作，使儀器艙在浮體帶動下上浮水面。系統內預存高強度繩索，其兩端分別連接到儀器艙和配重基座。當儀器艙浮出水面時，配重支撐架作為一個重錨將上浮部分錨定，使其不會隨海流飄走而丟失。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，若聲學釋放器不能正常工作而使得水下系統無法收到水面釋放指令，可依靠定時釋放器在設定的最后時刻控制釋放機構脫開，使系統上浮并回收。通過采用兩種控制手段對釋放執行機構進行并聯控制有效的提高了系統回收的可靠性。

3 海上試驗與應用

本文研究過程中進行了大量的海上試驗工作對系統技術進行全面的驗證和考核。圖4所示為海床基監測系統在臺灣海峽中線北部海區進行長期試驗過程中，海上布放和回收時的現場情況。該試驗海區水深約為70 m。

通過長期的海上試驗，海床基監測系統獲取了大量監測數據。系統在水下連續工作時間超過90 d，試驗期間多次經受臺風造成的惡劣海況的考驗，在監測任務完成后利用聲學遙控手段安全、順利回收，驗證了系統布放、回收的可靠性和海上長期工作的安全性、環境適應性。

圖4 海上試驗現場情況

4 結論與展望

本文對海床基多參數集成平臺技術、數據實時傳輸及布放回收等關鍵技術進行了深入研究，在此基礎上研發了具有數據實時傳輸功能的多參數海床基監測系統。經過海上長期試驗的驗證，具有較高的可靠性和環境適應性。在實際應用中，還可根據實際需要調整傳感器的配置，構成面向特定任務水下綜合測量系統。在海洋防災減災、海洋工程建設、海洋科學研究及海洋軍事等眾多領域具有廣泛的應用前景。在未來建設海底監測網的工作中，海床基監測系統技術也是一項重要的基礎技術。

[1] 汪品先．走向深海大洋：解開地球的隱秘檔案[J]．科技潮，2005，1：24-27．

[2] 陳鷹，楊燦軍，陶春輝，等．海底觀測系統[M]．北京：海洋出版社，2006：65-69．

[3]Von Alt C J,J F Grassle.LEO-15:An unmanned long-term environmental observatory[C]//Proceedings，Oceans 92，Newport,Rhode Island,1992.

[4]Von Alt，M P Deluca，S M Glenn，et al.LEO-15:Monitoring and Manging Coastal Resources[J]．Sea Technology，1997,38(8):10-16．

[5]陳鷹，潘依雯．深海科考探險日記[M]．杭州：浙江大學出版社，2004：44-65．

[6]孫思萍.海床基海洋動力要素自動監測系統[J].氣象水文海洋儀器,2004,6:26-30．

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

國家高技術研究發展計劃（863計劃）資助項目（2006AA09A301-5）