深海拉曼光譜儀多平臺工作模式的設計與海試

亓夫軍, 葉旺全, 任立輝, 程凱, 郭金家, 鄭榮兒

(中國海洋大學 光學光電子實驗室，山東 青島 266100)

深海拉曼光譜儀多平臺工作模式的設計與海試

亓夫軍, 葉旺全, 任立輝, 程凱, 郭金家, 鄭榮兒

(中國海洋大學 光學光電子實驗室，山東 青島 266100)

為了解決水下觀測平臺的多樣性與搭載儀器工作模式的匹配問題，將深海集成化自容式拉曼光譜儀(deep ocean compact autonomous Raman spectrometer, DOCARS)的工作模式分為配置外圍設備的工作站模式和單一探測功能的傳感器模式。在分析DOCARS系統(tǒng)結構的基礎上，對這兩種工作模式進行了詳細設計。系統(tǒng)先后于2009年和2015年搭載海鳥采水器框架和“發(fā)現(xiàn)號”水下機器人(ROV)進行海試，前者按工作站模式工作，成功獲得了自帶樣品的拉曼光譜和深海工作圖像；后者工作在傳感器模式，隨ROV下潛的4個潛次中，以1 Hz的頻率采集了移動路徑上海水的剖面光譜數(shù)據(jù)。海試結果證明了兩種工作模式在搭載相應觀測平臺時的有效性和穩(wěn)定性。

深海拉曼光譜儀(DOCARS)；工作站模式；傳感器模式；搭載平臺；海試

原位化學傳感器的發(fā)展是研究海洋化學的重要過程[1]，便攜可靠的化學傳感器可以搭載多種固定式或移動式的海洋觀測平臺，如海床基、海底觀測站、水下滑翔機(glider)、AUV、ROV、浮標等[2]進行海洋探測。拉曼光譜技術由于具有非接觸探測多種化學組分的優(yōu)點，成功被應用于多個領域的原位化學分析[3-5]。美國蒙特利灣海洋研究所首次將拉曼光譜技術帶至深海，發(fā)展了兩代深海拉曼原位光譜儀( deep ocean Raman in situ spectrometer, DORISS )，DORISS I[6]和DORISS II[7]，兩代拉曼光譜儀搭載ROV對海水水體成分、天然氣水合物、深海礦物、沉積物孔隙水以及海底熱液等進行探測分析[8-10]。AHMAD及PéRON等也對拉曼技術的深海原位觀測做了一些實驗室研究[11]或甲板測試[12]。

中國海洋大學在試驗完成基于拉曼光譜技術的淺海原理樣機的基礎上[13]，研制成功深海集成化自容式拉曼光譜儀(deep ocean compact autonomous Raman spectrometer, DOCARS)[14-15]。深海系統(tǒng)設計時必須針對不同的應用背景選用合適的搭載平臺，并以此調整系統(tǒng)本身結構，本文對DOCARS系統(tǒng)深海探測的系統(tǒng)結構和工作模式進行設計，以期能夠滿足不同觀測平臺的搭載需求。

1 總體設計

DOCARS系統(tǒng)在設計上采用了統(tǒng)一集成的模塊化設計，兼容不同類型的搭載平臺，便于在不同工作模式之間相互切換，總體設計如圖1所示。

圖1 DOCARS系統(tǒng)的模塊化設計圖Fig.1 Structure diagram showing the main modules of DOCARS

系統(tǒng)可分為圖中所示的九個功能模塊，其中必備模塊為：電源管理模塊、嵌入式主板、微控制器、狀態(tài)監(jiān)控模塊、激光發(fā)射模塊(激光器&出射光路)、信號采集模塊(收集光路&光譜儀)、外部通信模塊。外圍模塊包括環(huán)境監(jiān)測模塊和視頻采集模塊，不同工作模式結構上的主要區(qū)別在于外圍設備。

控制的核心為嵌入式主板和微控制器，嵌入式主板既是各模塊的控制端，進行參數(shù)設置、數(shù)據(jù)采集等操作，又是所有數(shù)據(jù)的內部存儲器，當通信鏈路建立時，嵌入式主板也是該系統(tǒng)的水下通信終端；微控制器實時監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)環(huán)境，在省電狀態(tài)下，長時間處于低功耗待機狀態(tài)，在合適的時機啟動或關閉各模塊電源供給，控制總體任務流程。

圖2 DOCARS系統(tǒng)交互通信示意圖Fig.2 Schematic diagram for the interactive communication of DOCARS

DOCARS系統(tǒng)作為傳感器所獲得的數(shù)據(jù)信息主要為拉曼光譜數(shù)據(jù)，輔助所得到的光譜，需要海水的環(huán)境參數(shù)以及現(xiàn)場視頻圖像數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)驗證，為了監(jiān)控系統(tǒng)內部運行狀態(tài)，在運行的過程中，還需要實時檢測艙內溫度、濕度等狀態(tài)參數(shù)。如圖2所示，當通信鏈路建立的情況下，甲板終端可以對水下系統(tǒng)的運行參數(shù)進行配置，同時，可以獲取水下系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)信息。通信鏈路在不同模式下，所包含的具體部件不同，當系統(tǒng)甲板調試時，只需一條線纜便可建立通信，當系統(tǒng)搭載于某一平臺時，通信鏈路則包括甲板/岸基與搭載平臺、平臺與DOCARS系統(tǒng)、嵌入式主板與各模塊之間的網(wǎng)絡或串口通信。

2 工作模式詳細設計

海洋觀測從海面到海底，可搭載的觀測平臺主要包括固定式平臺和移動式兩大類，根據(jù)不同搭載平臺所能提供的電源、通信及其他外圍設備等條件，DOCARS系統(tǒng)的獨立性程度有所區(qū)別，將其工作模式分為以下兩種：

1)配置外圍設備的工作站模式：DOCARS系統(tǒng)配備較為齊全的外圍設備，如攝像頭、環(huán)境傳感器等，不依賴于搭載平臺，自身作為一個獨立運行的工作站，如海床基。

2)單一探測功能的傳感器模式：DOCARS系統(tǒng)僅執(zhí)行其作為類化學傳感器的功能，依賴搭載平臺提供電力以及現(xiàn)場視頻和環(huán)境參數(shù)等信息。

2.1 工作站模式

系統(tǒng)獨立在深海工作時，難以從水上獲得充足的電力，也難以與水上進行通信，所以在工作站模式下，DOCARS系統(tǒng)一般采用蓄電池供電的自容式運行。

由于依靠蓄電池作為系統(tǒng)電源，為了提高系統(tǒng)的電源使用效率，系統(tǒng)在水下工作大部分時間處于低功耗待機狀態(tài)，在待機狀態(tài)下系統(tǒng)只有微控制器MSP430工作，通過查詢系統(tǒng)時鐘或外部觸發(fā)信號判斷是否觸發(fā)采集任務。

內觸發(fā)情況下采用基于DS1302芯片的時鐘模塊作為系統(tǒng)內觸發(fā)的時鐘基準。DS1302芯片配置有獨立的晶振和電池，在主電源關閉的情況下仍然能保持時鐘的連續(xù)運行。另一方面，微控制器安裝有E2PROM芯片ATMEL24C64專門存儲該模式下在執(zhí)行原位探測的運行時序表。24C64是一種非易失性數(shù)據(jù)存儲器，允許微控制器MSP430靈活讀寫。在甲板調試階段，甲板終端通過向MSP430模塊發(fā)送指令完成與DS1302時鐘的對時，然后將本次探測的運行時序和時間節(jié)點寫入24C64 芯片中。當系統(tǒng)工作在內觸發(fā)方式下時，MSP430模塊在每個控制周期內向DS1302讀取時鐘信息并與24C64內的預設值進行比對，當達到觸發(fā)時間后MSP430自動取出存儲在E2PROM中的對應指令對其他設備進行操作。

外觸發(fā)情況下，系統(tǒng)在低功耗待機狀態(tài)等待簡短的外部觸發(fā)信號，指令傳達后，MSP430根據(jù)預設的指令啟動其他模塊執(zhí)行探測任務。這種情況需要有一定的通信的條件。

工作站模式的流程圖如圖3所示：

圖3 DOCARS系統(tǒng)工作站模式流程圖Fig.3 Flow chart of DOCARS operating as a benthic instrument node

在甲板對系統(tǒng)的觸發(fā)方式、采集參數(shù)和工作時序進行配置后，系統(tǒng)以設定的觸發(fā)方式低功耗運行，觸發(fā)事件響應后，各模塊通電，然后分三個子流程同步執(zhí)行，分別是視頻圖像采集流程(圖中左路)、環(huán)境參數(shù)采集流程(右路)和光譜采集流程(中路)。視頻圖像的作用是為了直觀地觀察所探測的目標區(qū)域，并且可以判斷激光的出射狀態(tài)。環(huán)境監(jiān)測包括系統(tǒng)內部狀態(tài)參數(shù)(電壓、電流、溫濕度、氣壓)及系統(tǒng)外部環(huán)境參數(shù)(溫度、鹽度、深度)的實時監(jiān)控，這些參數(shù)的采集有助于對系統(tǒng)運行安全狀態(tài)進行判斷，也可用于后期的數(shù)據(jù)定標和驗證過程。光譜采集流程是系統(tǒng)工作的主流程，這一過程中，水下系統(tǒng)按照設定的激光能量和積分時間等參數(shù)采集海水拉曼光譜，并將數(shù)據(jù)存儲于本地磁盤。

一段任務執(zhí)行結束后，如果繼續(xù)下一階段，系統(tǒng)會繼續(xù)進入低功耗運行狀態(tài)，否則等待系統(tǒng)回收后，便可從甲板與系統(tǒng)之間聯(lián)結，獲取內部存儲的光譜、圖像、狀態(tài)和環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)。

2.2 傳感器模式

傳感器模式指的是DOCARS系統(tǒng)依賴所搭載的運載平臺執(zhí)行探測任務，這一模式下，搭載平臺可以為系統(tǒng)提供電力，并與系統(tǒng)之間進行通信，共享視頻和環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)。

圖4 DOCARS系統(tǒng)傳感器模式流程圖Fig.4 Flow chart of DOCARS operating as a chemical sensor

系統(tǒng)由搭載平臺供電后自啟動，啟動后首先與平臺之間建立通信，通信的主要目的在于校準系統(tǒng)與平臺的時間，只有采用統(tǒng)一的時間基準，才能確保后期數(shù)據(jù)匹配準確。

時間校準之后，系統(tǒng)按默認的參數(shù)對各模塊進行配置，當系統(tǒng)電力充足時，采集流程可在軟件定時器的觸發(fā)下連續(xù)進行，系統(tǒng)按指定時間間隔采集光譜，每個光譜的采集時間約為秒或分鐘量級，采集周期的設置一般略大于單次采集時間。這種方式可以獲得較高時間和空間分辨的光譜數(shù)據(jù)，經后期反演后，能夠得到搭載平臺移動的路徑上各點海水光譜。

任務結束后，需要提取系統(tǒng)本地數(shù)據(jù)(光譜、狀態(tài)參數(shù))和搭載平臺存儲的數(shù)據(jù)(圖像、環(huán)境參數(shù))，將數(shù)據(jù)整合，以備后期處理。

2.3 調試模式及數(shù)據(jù)提取

DOCARS系統(tǒng)為適應深海惡劣環(huán)境而采用了密封式的結構，對外界只保留了耐壓光學窗口和電學密封插頭。在系統(tǒng)的甲板調試、參數(shù)設置或數(shù)據(jù)提取階段，可以通過線纜直接與密封艙內模塊進行通信，此時，工作流程圖如圖5所示。

該模式情況下，甲板終端與DOCARS系統(tǒng)之間實時交互，通過終端用戶界面對系統(tǒng)發(fā)送指令進行參數(shù)設置和數(shù)據(jù)提取。

系統(tǒng)水下運行，當能夠與甲板無障礙通信(通過深海線纜或搭載平臺中繼)時，也可以運行在調試模式。

圖5 DOCARS調試模式流程圖Fig.5 Debug flow chart of DOCARS

3 系統(tǒng)海試

DOCARS系統(tǒng)先后搭載采水器框架和ROV進行海試，前者運行于工作站模式，后者運行于傳感器模式。

3.1 搭載海鳥采水器海試

2009年9月，DOCARS系統(tǒng)實驗樣機搭載于中國海洋大學所屬“東方紅2號”科學考察船在巴士海峽等海域進行海試。系統(tǒng)采用蓄電池供電，并配備深海攝像頭，與海鳥CTD、采水器框架連體架裝(見圖6)，以工作站模式工作。

DOCARS系統(tǒng)自帶部分深海測試樣品Na2SO4、KNO3等進行深海環(huán)境的模擬測試，海鳥采水器釋放勾的動作觸發(fā)系統(tǒng)內各模塊通電的同時也觸發(fā)釋樣裝置釋放試驗樣品[14]，系統(tǒng)對釋放到海水中樣品的拉曼光譜進行采集。

系統(tǒng)回收后利用甲板終端提取數(shù)據(jù)，圖7為數(shù)據(jù)提取界面，界面分為原始光譜(左上)、預處理光譜(左下)、狀態(tài)環(huán)境參數(shù)區(qū)(中上)、圖像區(qū)(右上)、數(shù)據(jù)反演結果(右下)幾大功能區(qū)。

圖6 DOCARS系統(tǒng)搭載于采水器框架海試工作圖Fig.6 The photograph showing DOCARS deployed on the framework of water sampler in the sea trial

圖7 DOCARS數(shù)據(jù)提取界面Fig.7 The data extracting interface of DOCARS

本次海試同步獲得了系統(tǒng)的深海工作圖像和自帶樣品的拉曼光譜數(shù)據(jù)，如圖7所示，光譜中可以看到明顯的SO42-和NO3-拉曼峰位，更細節(jié)的分辨率有待提高，從這個結果可以判斷，該實驗樣機在提高分辨率后可以作為探測深海陰離子的有效工具。

海試結果也表明，DOCARS系統(tǒng)可以作為獨立模塊搭載于海床基、潛標等平臺對深海水體多化學參數(shù)進行探測，同時也可作為海底觀測網(wǎng)的一個獨立儀器節(jié)點進行長期連續(xù)觀測。

3.2 搭載ROV海試

2015年5月至7月，DOCARS系統(tǒng)經內部元件升級后搭載于中國科學院海洋所的“科學”號科考船進行海試，整個海試階段，DOCARS系統(tǒng)搭載ROV分別在中國南海(South China Sea，SCS)和俾斯麥海區(qū)(Bismarck Sea，BS)一共下潛4次，試驗深度最深達到2 000 m(見表1)。

表1 搭載ROV海試情況匯總

本次海試中，DOCARS系統(tǒng)通過ROV由母船進行供電，并且能夠通過ROV內部交換機與甲板進行通信，系統(tǒng)僅作為傳感器做光譜探測，由ROV提供現(xiàn)場視頻圖像及海水水體參數(shù)等信息。系統(tǒng)艙體懸掛在ROV一側，如圖8所示，在ROV執(zhí)行其他任務時仍可自行工作，且相互無干擾。

圖8 DOCARS系統(tǒng)搭載于“發(fā)現(xiàn)號”ROV工作圖Fig.8 The photograph showing DOCARS deployed on the ROV of “Faxianhao”

系統(tǒng)4次下潛中，僅第1次運行在調試交互模式，甲板通過通信線路實時操控水下系統(tǒng)，控制光譜采集，由于每次操作有一定的響應時間，所以采集的光譜較少；后3次在ROV執(zhí)行海底探測任務的整個過程中，系統(tǒng)以1 s間隔采集海水水體光譜，連續(xù)工作。

DOCARS系統(tǒng)在ROV移動路徑上連續(xù)采集，當ROV上浮或下潛的過程中便獲得了海水從海底到水面的剖面光譜數(shù)據(jù)。由于前3次采集頻率遠高于第1次，因此獲得的剖面數(shù)據(jù)具有更高的空間分辨率，以第2次與第1次為例，圖9所示為水的拉曼頻移為3 220左右的峰強隨深度的變化圖，從圖中可以看出兩次采集分辨率的差別。

圖9 兩次ROV下潛過程中水峰拉曼散射強度剖面圖Fig.9 Depth profiles of Raman scattering from sea water obtained on ROV’s dives of SCS#1 and BS#1

4 結束語

本文對DOCARS系統(tǒng)所設計的工作模式使其在搭載采水器框架進行海試時獲得了深海工作圖像和自帶樣品的拉曼光譜數(shù)據(jù)，搭載ROV海試時則獲得了多次下潛過程中移動路徑上間隔為1 s的剖面光譜數(shù)據(jù)。兩種工作模式在實際使用中并非完全獨立，配備齊全的外圍設備是更為保險的方案，當所依賴的平臺無法工作時，也可使用蓄電池增加續(xù)航。而工作站模式的主要問題在于負荷會大大增加，所以在一般移動型的小型觀測平臺上，都會采用更為緊湊的傳感器模式。

DOCARS系統(tǒng)可搭載的海底觀測平臺在不斷擴展，未來無論對于固定式的平臺如海床基、海底觀測網(wǎng)等，還是對移動式的平臺如ROV、Glider等，都可在本文所設計的兩種工作模式的基礎上進行補充和完善。

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Multi-platform-based operating schemes of DOCARS and the performance in sea trials

QI Fujun, YE Wangquan, REN Lihui, CHENG Kai, GUO Jinjia, ZHENG Ronger

(Key Laboratory of Optics and Optoelectronics, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

A newly developed system called deep ocean compact autonomous Raman spectrometer (DOCARS) can be deployed on various underwater observation platforms. To meet the diversity requirement of the underwater observation platform and solve the matching problem of the working modes of the deployed instrument, two operation schemes were developed for DOCARS on the basis of deployment conditions and specific applications to function as either a benthic instrument node or a chemical sensor. Several peripheral units were operated in the instrument-node scheme. In another scheme, DOCARS operated only as a Raman spectrometry-based sensor. In sea trials in 2009, the first developed DOCARS, which operated as an instrument node, was mounted on the framework of a Seabird water sampler. The Raman spectra from the releasing samples and the monitoring images of performance were obtained. In the summer of 2015, the upgraded DOCARS was deployed on the remotely operated vehicle (ROV)Faxian, performing well as a chemical sensor with a detection rate of 1 Hz. Depth profiles of Raman spectra were received along the ROV’s moving path on its four dives. The sea trials prove the effectiveness and stability of the two operation schemes on specific platforms.

DOCARS; instrument-node scheme; chemical sensor scheme; deployed platform; sea trial

2016-01-10.

時間：2016-12-12.

國家863計劃資助項目(2006AA09Z243, 2012AA09A405).

亓夫軍(1964-), 男, 副教授; 鄭榮兒(1959-), 女, 教授，博士生導師.

鄭榮兒,E-mail:rzheng@ouc.edu.cn.

10.11990/jheu.201601036

TP273.5; P716.5

A

1006-7043(2017)01-0147-06

亓夫軍, 葉旺全, 任立輝,等. 深海拉曼光譜儀多平臺工作模式的設計與海試[J]. 哈爾濱工程大學學報， 2017, 38(1): 147-152. QI Fujun, YE Wangquan, REN Lihui, et al. Multi-platform-based operating schemes of DOCARS and the performance in sea trials[J]. Journal of Harbin Engineering University,2017, 38(1): 147-152.

網(wǎng)絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20161212.1631.030.html