自動剖面浮標研究現狀及展望

陳 鹿 ，潘彬彬，曹正良，崔維成

（1.上海海洋大學 海洋科學學院 深淵科學與技術研究中心，上海 201306；2.上海深淵科學工程技術研究中心，上海 201306）

自動剖面浮標研究現狀及展望

陳 鹿 ，潘彬彬，曹正良，崔維成*

（1.上海海洋大學 海洋科學學院 深淵科學與技術研究中心，上海 201306；2.上海深淵科學工程技術研究中心，上海 201306）

回顧了自動剖面浮標的發展歷程，自動剖面浮標由Swollow提出的中性浮子發展而來，演變到現在的PROVOR型、APEX型、SOLO型等自動剖面浮標。文中介紹了Argo計劃中幾種主要的自動剖面浮標，其浮力調節原理主要是通過改變浮標在水中的排水體積實現自動沉浮，從而測量水的溫度、鹽度、深度等數據。對常規(＜2 000 m)和深海(＞2 000 m)自動剖面浮標進行比較，大部分深海自動剖面浮標耐壓結構已經采用球形設計，浮標受壓后變形小且可減輕浮標自重；單沖程柱塞泵改變為體積較小的液壓泵，提供超高壓的同時可以充分利用球體空間。目前，常規自動剖面浮標已廣泛應用到海洋環境數據的調查、收集，而深海自動剖面浮標仍處于研發與試驗階段，面臨諸多的技術挑戰，對浮標的可靠性提出了更高的要求。

自動剖面浮標；發展歷程；浮力調節；技術挑戰；發展方向

自動剖面浮標也就是“自律式拉格朗日環流剖面觀測浮標”或“自持式剖面自動循環探測儀”，是一種可以在海洋中自由漂移，采用拉格朗日環流法自動測量海面到一定水深的海水溫度、電導率（鹽度）和壓力，并跟蹤其漂流軌跡來獲取海流的速度和方向的測量儀器[1]。

美國和日本等國家的大氣、海洋科學家在1998年提出了全球海洋實時觀測計劃，構想用3～5 a時間（2000-2004年）在全球大洋中每隔300 km布放一個衛星跟蹤浮標，由總計為3 000個的自動剖面浮標組成一個龐大的全球海洋觀測網，該計劃稱之為“Argo計劃”，在該計劃中使用的自動剖面浮標稱為“Argo浮標”[1]。“Argo計劃”促進了自動剖面浮標的發展。

自動剖面浮標組網后可以快速、準確、大范圍地收集全球海洋上層的海水溫度、電導率（鹽度）、壓力等剖面資料，這些資料的應用有利于提高對全球海洋熱儲存總量的估算精度，提高對全球溫室效應引起的全球氣候變暖與海平面上升的預報精度，幫助預測未來發展趨勢，在改進季節性氣候預報和加深對颶風、臺風活動的認識中起到了關鍵作用。提高氣候預報的精度，能夠有效防御全球日益嚴重的氣候災害[2]。

此外，自動剖面浮標獲取的資料對預測開闊大洋上溢油的影響以及幫助和指導遠洋漁業生產等都具有極高的應用價值。在印度洋已經開始用Argo浮標監測次表層溫度與鹽度的變化，監測結果將有助于分析這種變化是自然變異的一部分，還是由于人類活動所引發的。

在北大西洋，2 000 m深處的溫、鹽度關系變化較快，對剖面浮標獲取的資料采用延時模式校正十分困難，將自動剖面浮標的觀測深度從目前的2 000 m延伸到更大深度上，獲取更深的觀測資料非常必要[3]。

自動剖面浮標使用的雙向通信系統改變其剖面深度、循環時間以及其他參數等，新傳感器的使用可增加重要的地球化學和生物學信息，將自動剖面浮標延伸到更大的觀測深度、季節性冰區、邊緣海和邊界流采樣，使其覆蓋范圍和測量范圍更廣，隨著自動剖面浮標資料數量的增加和質量的提高以及應用研究領域的不斷擴大和深入，自動剖面浮標所獲取的資料在氣候監測和氣候變化預測、災害性天氣事件的預報、漁業和海洋生態系統的監測和管理以及交通運輸和軍事等領域的應用成果將會越來越多[3]。

1 自動剖面探測浮標

1.1 自動剖面浮標的發展歷程

浮標雛形是利用歐拉法和拉格朗日法探測海表面和深層海流而制作的一種測量儀器。自動剖面浮標是在中性漂流浮標的基礎上發展而來的，綜合了傳感器技術、衛星定位和通信技術。

1955 年，英國國家海洋研究所的John C Swallow提出了中性浮標的概念，與此同時Stommel也提出了直接測量深海海流中性浮標的概念。隨著水聲技術的成熟，利用中性浮標實現了對深層海流的測量[5-8]，如北大西洋東部海盆的深層流，墨西哥灣流，馬尾藻海深層渦流等。自從Swallow等在1961年成功測量墨西哥灣流之后，人們對大洋環流的認識很大一部分來自中性浮標。

在20世紀60年代末70年代初，海洋浮標的研制進程因海洋石油開發為主導的海洋資源開發的興起得到了加速。

Swollow中性浮標由鋁質圓柱外殼、電池、聲學脈沖發送器、通訊設備等組成，通過船載聲學設備接收數據，可以用來測量深層流與幾百千米直徑的渦流和環流，但浮標布放深度和漂流范圍受聲學信號的接收范圍限制。

Rossby和Webb[9]于1970開發的基于高能量250 Hz聲源的SOFAR型浮標（sound fixing and ranging），可實現大范圍跟蹤，使用壽命長達數年。但SOFAR型浮標體積龐大，重達430 kg，操作不方便。

1986 年，Rossby等[10]對這些問題進行了改進，也就是沿用到現在的RAFOS型浮標[11]。其工作方式的改進大大減小了浮標的體積和重量，并延長了水下作業時間。

1992 年，Russ Davis和Dou g Webb[12]開始著手研制自動剖面浮標(ALACE)，該型浮標具有多年使用壽命，可以在無冰海域對次表層流速進行測量，用Argos衛星系統通信和定位，擺脫了聲學定位系統的制約，減少了布放成本，提高了布放作業的機動性，使得應用范圍更加廣泛。ALACE型浮標改變了RAFOS和SOFAR使用的拋載重物上浮，使用油囊式浮力調節系統，通過改變浮標的排水體積來改變浮力大小，實現了重復從水下到水面的自主上浮下潛。法國的MARVOR型浮標[23]也沿用了該方法。隨著法爾茅斯科學儀器和海鳥電子聯合開發的高穩定性能CTD的使用，將ALACE型浮標改進為PALACE型浮標[13]。

1996 年，D’Asaro等[14]開發的自動剖面浮標成功地對紊流區域三維海水的運動進行了跟蹤，結合壓力和溫度測量垂直水通量和評估垂直熱通量。

1.2 常規自動剖面浮標

常規自動剖面浮標的觀測深度小于2 000 m[15]。

PALACE型浮標技術的成熟和成功應用加快了科學家們探索海洋的步伐，并首次提出了全球海洋次表層溫、鹽剖面觀測Argo計劃[16]，同時也促進了自動剖面浮標的研制。美國、法國、加拿大相繼開發和生產出自動剖面浮標，支持國際Argo計劃的實施，Argo浮標的測量過程，如圖1所示。法國IFREMER研究所與加拿大MetOcean公司共同研制了PROVOR型剖面浮標、美國Teledyne Webb公司研制的APEX型剖面浮標、Scripps海洋研究所研制的SOLO型剖面浮標均用到海洋溫、鹽、深的剖面觀測中[17-18]。

圖1 Argo浮標的測量過程[19]

與此同時，Argo核心觀測區域也擴大到高緯度海區[3]。隨著傳感器技術的發展，高緯度浮標裝備有探冰傳感器，可以等到在無冰海區浮出水面時再發送觀測資料，或將觀測資料儲存起來，等夏天冰蓋融化后再把資料發回地面，與銥衛星通訊相結合的高緯度浮標其失效率與無冰海區相當。圖2為高緯度浮標的測量過程。

圖2 裝備有探冰傳感器的浮標測量過程[20]

截至2016年4月份，大約有18種類型的剖面浮標處于正常運行狀態，主要以美國和法國為主[21]。其中早期使用的PALACE型剖面浮標已被淘汰，美國產APEX型剖面浮標最多，占4月份月總數的50%左右，其次為法國產APVOR型剖面浮標，約占12%。在18種浮標中，超過100個以上的有8種，約占總數的96%。其中美國產6種（如APEX，SOLO_Ⅱ，NAVIS_A，S2A，SOLO和SOLO_W），占總數的80%左右；法國產2種（如APVOR和PROVOR），占總數的16%左右。表1所列Argo計劃中使用的主要浮標性能。

表1 Argo計劃中主要使用到的2 000 m浮標性能指標

截至2016年5月底，全球海洋范圍內布放的Argo浮標已有3 918個，如圖3所示。

圖3 全球布放的Argo浮標[4]

自動剖面浮標資料傳輸的方式也由原來單一的Argos單向通訊，擴展到可選的Iridium、Argos-2或北斗雙向通訊，全球Argo實時海洋觀測網提供觀測信息和數據傳輸服務的衛星系統中利用Argos衛星系統的浮標最多，約占總數的53%；其次為Iridium衛星系統，約占46%左右[21]。

自動剖面浮標攜帶的傳感器除了測量溫度、電導率和壓力等物理海洋環境參數之外，傳感器開始向生物地球化學領域拓展，一些加裝了如溶解氧[22-23]、葉綠素、生物光學、硝酸鹽和pH等生物化學要素傳感器的剖面浮標正逐年增多，呈快速發展趨勢[20]。

我國剖面浮標的研究工作始于“九五”計劃末期，期間解決了剖面浮標的若干關鍵技術。“十五”期間正式立項研制自動剖面浮標。

2003 年，國產自動剖面探測浮標COPEX（China Ocean Profiling Explorer）成功進行了布放試驗[8,10]。

我國自動剖面浮標研制雖然起步較晚，但自行研制的北斗衛星導航定位系統具備為用戶確定其地理位置的能力。在中國及其周邊區域，北斗用戶機系統中用戶與用戶、用戶與中心控制系統間均可實現雙向簡短數字報文通信，用戶終端具有雙向數字報文通信能力[24-25]，已經成功應用在自動剖面浮標上。

目前，我國投向市場的常規自動剖面浮標主要有國家海洋技術中心研制的COPEX浮標和中船重工710所研制的HM2000浮標，其主要性能如表2所示。

表2 國產2 000 m常規自動剖面浮標主要性能指標

1.3 深海自動剖面浮標

深海的水文觀測往往受限于船載水文儀器或者海底錨鏈觀測裝備。雖然常規自動剖面浮標為科學研究提供了大量的數據，獲得更高的時間和空間分辨率，但海洋系統的復雜性和不確定性，以及海洋要素變化導致的氣候變化等。使得獲取更深的觀測資料非常必要。因此，獲得深海更密集的采樣需求被科學家們廣泛認可，這樣不僅可以幫助人們建立更加完整的模型來研究海洋中某些因素之間的相互關聯和影響，在某種程度上，還可以通過一套復雜的因素在大范圍的空間和時間尺度下對地球物理，化學，生態生物量同時產生影響，利用多學科方法綜合分析，有效地評估氣候變化和人類活動的影響等。深層海水的變化與輸送，對全球氣候變化的作用和影響甚至更大。因此，國際Argo計劃啟動深海（大于2 000 m）Argo觀測，發起對深海Argo剖面浮標的研制。深海自動剖面浮標可以滿足大尺度測量溫度、鹽度、深度以及觀測大洋環流的需求，結合其它觀測系統技術，是對常規浮標大尺度觀測的補充[15]。

表3 國外深海自動剖面浮標

目前，國際上的深海自動剖面浮標主要有Scripps Institution of Oceanography開發的 Deep SOLO和Teledyne Webb開發的Deep APEX型浮標[26-27]，這兩款浮標最大下潛深度可達6000m，DeepAPEX型浮標已經推向市場。由日本海洋科技研究中心和Tsurumi Seiki Co.Ltd.(TSK)公司聯合開發的Deep NINJA型浮標、由IFREMER開發并由生產商NKE制造的Deep Arvor型浮標的下潛深度已經到達4 000 m[15]。然而，我國在深海自動剖面浮標上仍然是空白。圖4為深海自動剖面浮標。

2 自動剖面浮標的組成

縱觀常規型自動剖面浮標，外觀基本都是圓柱形耐壓殼體設計。主要由水密耐壓殼體、機芯、液壓驅動裝置、傳感器、控制/數據采集/存儲電路板、數據傳輸終端（PTT）和電源等部分組成。

圖4 深海自動剖面浮標[15]

頂部是半球形上蓋，裝載剖面測量CTD、通訊定位天線、抽真空密封結構件等。圓柱殼體底部為半球形下蓋,下端裝一碟形雙腔皮囊（如圖5所示），一個為氣囊，一個為油囊。

浮標內部機芯為一矩形底板,該底板上裝有柱塞泵、氣泵、液壓管路、控制電路板、電池組、電機等。機芯將浮標兩端半球形端蓋連結成體并使其密封,浮標外觀如圖6所示。

圖5 自動剖面浮標蝶形雙腔皮囊

圖6 機芯及圓柱形外殼

浮標控制系統主要由CTD測量模塊、數據存儲模塊、定位通訊模塊、電源模塊、浮力調節模塊和艙內傳感器組成[28-30,24-25]，其控制系統組成如圖7所示。

圖7 自動剖面浮標控制系統模塊圖

3 自動剖面浮標浮力調節系統

物體在水中實現沉、浮運動通常有3種途徑：（1）改變物體的體積而不改變重量；（2）改變重量而體積不變；（3）增加或減少所施加的外力[1,30]。

3.1 可調壓載式浮力調節裝置

可調壓載式浮力調節裝置，即在體積不變的情況下，通過改變自身重量來調節凈浮力的大小。此種調節方式的調節能力強、浮力變化范圍大，多用于大型潛水設備。一般采用可棄壓載物或者可調壓載水艙兩種方式來實現。

可棄壓載調節，調節方式結構簡單，實現成本較低，但是不能對浮力重復調節。在水下固體壓載物被拋棄后，就無法重新獲得壓載，因此隨著壓載物不斷的減少，其調節能力也在逐漸的喪失[31]。

可調壓載水艙式的浮力調節裝置，則是通過改變水艙注水量的大小來調節水艙重量，從而調節凈浮力的大小[32]。由于潛水設備處于水中，將水作為壓載物就可以實現壓載的可重復調節。當需要上浮時，向水艙中充入高壓氣體將水壓出水艙，當需要下潛時，則向水艙中加水。這種調節方式可以實現凈浮力的大范圍變化，且相比于固體可拋式壓載可以實現重復調節。

目前，由于高壓海水泵耐腐蝕等一系列問題亟待解決，隨著高壓海水泵體積小型化的實現，耐腐蝕和可靠性增強等問題的解決，未來可以用此方法設計自動剖面浮標的浮力調節系統。

3.2 可變體積式浮力調節裝置

可變體積式浮力調節裝置，通過改變自身體積來調節浮力大小，在重量不變的情況下實現凈浮力的調節，一般采用可變形油囊、活塞或者氣囊來實現[33-34]。此種調節方式的浮力調節范圍較小，但更易于實現浮力的精確控制，多用于中小型的水下設備。

可變形油囊調節裝置是利用油囊的柔性，對油囊充入或吸出液壓油就可以實現油囊體積的改變，從而調節浮力大小。按照泵油方式又可以分為單柱塞式、液壓泵式、溫差驅動式[1]。

水下滑翔機的浮力調節裝置[35-36]與自動剖面浮標的浮力調節原理相同。除了利用油囊或液囊來改變體積的方式以外，中船重工710研究所[37]還提出了利用活塞直接改變體積的浮力調節裝置，其活塞一端與海水相通，另一端由推桿驅動，利用活塞的進退實現體積的改變。

此外，利用氣囊來改變體積，相比油囊式和活塞式更能夠有效減輕系統的重量，減少空間的占用。但由于氣體的可壓縮性，在水下不同的深度壓力環境下的體積壓縮量不同，難以實現對于氣囊體積的精確控制，目前采用氣囊式結構的浮力調節裝置尚不多見。

3.3 自動剖面浮標浮力調節系統

Swollow中性浮標通過拋載重物減輕浮標自重獲得浮力。ALACE浮標改變了RAFOS和SOFAR浮標使用的拋載重物的方式，通過油囊式浮力調節系統改變浮標的排水體積來實現上浮下潛運動，這種方式不僅降低了成本，而且對環境友好。

常規自動剖面浮標依靠改變其自身體積來調節浮力[38]。其浮力調節裝置為單柱塞式供油，通過與電機連接的螺旋副帶動柱塞往復運動，實現油囊油液的注入和排出。該裝置用于改變浮標體積的關鍵部件是一臺單活塞單沖程柱塞泵和置于浮標體之外的可變形油囊。當柱塞正向運行時，柱塞缸內的液壓油被推入油囊，浮標體積就增大。反之，柱塞回程時，油囊內的油被抽回柱塞缸，體積就縮小。

現在超過3 000 m的大深度剖面探測浮標的浮力調節主要通過單沖程泵和液壓泵實現。由于深度大，深海剖面探測浮標所承受的壓力也會隨著水深的增加而增大，APEX[26,39]和SOLO型 6 000 m級的浮標均采用球形設計，承壓效果更好，且能減小浮標的重量。該球形剖面探測浮標沉浮功能的實現與2 000 m級剖面浮標的原理相似，但液壓系統存在較大差異，如圖8～圖9所示。由于玻璃球耐壓殼體體積所限，超高壓小體積的液壓泵，配套的直流電機，輸出轉矩足以克服外壓使皮囊漲大，改變體積；而按照常規2 000 m自動剖面浮標設計，要產生大推力將使得自動剖面浮標變得十分笨重。

圖8 常規自動剖面浮標的液壓系統[38]

圖9 Deep APEX型自動剖面浮標液壓調節系統[26]

4 問題與展望

4.1 遇到的問題及解決方法

（1）電池能量。增大電池能量的一種有效方式就是將堿性電池換成鋰電池，增大電池的能量密度。電池的放電容量和放電倍率是功率型鋰離子動力電池的重要特性指標，鋰離子動力電池的高倍率放電容量隨溫度的降低而迅速下降，低溫下的放電電壓明顯下降[43]。然而，自動剖面浮標大多時候工作的環境溫度都在2℃左右，因此電池組中電池的內部阻抗可能出現突然增大很多的現象。

為了保護電池，延長鋰電池的使用壽命，可以適當地改變漂流深度，使得鋰電池工作的環境溫度稍高。鋰電池高能量密度的突破，使得體積更小、重量更輕，有利于改善浮標的整體性能。另一方面，采用低功耗控制器，如低功耗的MSP430單片機；在控制程序設計過程中，優化算法，也可適當減少能量消耗。

（2）核心部件依賴國外。雖然我國常規自動剖面浮標的總體集成取得了一定的成功，然而就浮標的關鍵部件仍然受制于國外，如現在自動剖面浮標中使用最廣泛的SBE-41和SBE-61 CTD傳感器，均由美國的海鳥公司提供；而自動浮標中的電機和液壓泵等均由國外公司提供，核心部件完全依賴國外進口。我國應加快基礎部件的研發投入，提高核心部件的可靠性。

（3）雖然我國已經有自己的北斗衛星定位通訊系統，然而北斗的通訊范圍僅限我國及東南亞的部分區域，且短報文通訊1 min只能發送77個字節。目前使用的短報文通訊屬于民用通道，通訊速度較慢，采用數據壓縮方法，可以減少數據傳輸時間；或通過軍用通道，提高數據傳輸速率。

（4）自動剖面浮標壽命和穩定性出現衰退，原因尚不清楚，例如在整個Argo計劃中浮標的穩定性是非常不均勻的。浮標技術上的改進，將有助于提高浮標的穩定性。從深海自動剖面浮標的布放情況來看，CTD傳感器均存在偏差[15]，具體偏差原因可以會同CTD傳感器廠商聯合解決。

4.2 展望

Argo計劃中使用的自動剖面浮標主要以歐美國家為主。雖然我國的COPEX和HM2000A浮標滿足Argo計劃提出的測量要求[44]，但國產自動剖面浮標的性能仍是落后于歐美國家。隨著我國海洋強國戰略的推進，深海自動剖面浮標的研制也必將是一個備受關注的話題，未來自動剖面浮標將在以下幾個方面獲得突破：

（1）隨著當前人類對海洋研究領域的逐步擴展，很多新技術、新材料不斷涌現，并使用到自動剖面浮標上，降低成本、提高可靠度、使用新的節能方法來延長工作壽命，使用新能源等是未來海洋新技術應用和發展的趨勢。

（2）隨著科學研究的需要，海洋剖面觀測不再僅僅局限于溫度、鹽度、深度、溶解氧、葉綠素等傳感器，更多新功能的傳感器必將大量出現，用來測量特性的生物化學參數，以及檢測海洋污染等，使得自動剖面浮標的測量參數更多。

（3）由于海洋環境的復雜多變，除了降低浮標的丟失概率之外，就是研究環境友好型的可降解材料，一旦浮標丟失，一定時間后可自動降解。

（4）減小剖面浮標關鍵部件體積，從而減小浮標總體體積和重量，不僅方便布放，也可降低成本和能耗。

5 結語

隨著Argo計劃的提出，目前Argo浮標的種類繁多，性能更加優越。現在Argo浮標中主要還是以歐美國家占絕對優勢，我國處于相對落后的狀態。雖然我國的COPEX和HM2000A浮標滿足Argo計劃提出的測量要求，但國產浮標的性能和使用壽命等還是不及歐美國家的浮標產品。國外的深海自動剖面浮標已有部分投向市場，而國內的深海自動剖面浮標仍然處于空白，因此，發展我國的深海自動剖面浮標迫在眉睫。

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Research Status and Prospects of Automatic Profiling Floats

CHEN Lu,PAN Bin-bin,CAO Zheng-liang,CUI Wei-cheng
1.Hadal Science and Technology Research Center,College of Marine Science,Shanghai Ocean University,Shanghai 201306,China; 2.Shanghai Engineering Research Center of Hadal Science and Technology,Shanghai 201306,China

This paper reviews the development process of automatic profiling floats,which has evolved from neutral floats proposed by Swollow to currently used PROVOR,APEX and SOLO type automatic profiling floats. Then this paper introduces several major automatic profiling floats of the Argo Plan.Their buoyancy regulation principles is mainly based on changing the displacement volumes of the floats to control the motion,so as to measure the water temperature,salinity,depth and other data.Compared with the design of deep-sea automatic profiling float(＞2000 m)and conventional float(＜2000 m),most of the pressure-proof structures of deep-sea automatic profiling floats have been designed in a spherical shape,the float thus has small deformation and lighter weight under enormous pressure;The single stroke plunger pump is replaced by a smaller hydraulic pump, in order to provide ultrahigh pressure and make full use of the sphere space.At present,the conventional automatic profiling floats have been widely used in the investigation and collection of marine environmental data, while the deep-sea automatic profiling floats are still in the development and testing stage.The floats still face many technical challenges,and more strict requirements have been put forward for the reliability of the automatic profiling floats.

automatic profiling floats;development process;buoyancy regulation;technoligical challenge; development direction

P715.2

A

1003-2029（2017）02-0001-09

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.02.001

2016-06-27

上海市科委科技創新行動計劃資助項目（14DZ1205500，15DZ1207000）；上海深淵科學工程技術研究中心籌建項目（14DZ2250900）；上海深淵科學工程技術研究中心（籌）開放基金資助項目——大深度剖面浮標浮力調節系統研究；國家自然科學基金資助項目（41374147）。

陳鹿（1987-），男，博士研究生，主要研究方向為水下工程裝備可靠性及多學科優化設計。

崔維成（1963-），男，教授，博士生導師，主要從事船舶極限承載能力計算新方法研究、船舶疲勞壽命預報的統一方法研究、大型海洋浮體的流固耦合分析及多學科優化設計。E-mail：wccui@shou.edu.cn