海底觀測系統技術進展與發展趨勢①

晏慶 崔浩貴 張曉 劉冰

(91001部隊 北京 100841)

海洋自古以來就與人類的生產、生活及軍事活動密切相關。海底觀測系統作為海洋科學和技術的重要組成部分，在維護海洋權益、開發海洋資源、預警海洋災害、保護海洋環境、加強國防建設、謀求新的發展空間等方面起著十分重要的作用，也是展示一個國家綜合國力的重要標志。

1 海底觀測系統概述

根據不同的技術實現方式，海底觀測系統可以分成海底觀測站、觀測鏈和海底觀測網絡，海底觀測網絡在海底觀測系統中功能最強大、實時性最好、技術含量最高[1]。

海底觀測網絡由岸基站、接駁盒、觀測儀器以及海底光電復合纜組成，可搭載水下傳感器、水聽器陣列和智能錨系等各類探測設備。岸基站是整個海底觀測系統的控制中心，負責實時監控整個系統的正常運行，并為海底觀測設備提供高壓電能，負責接收、分析、處理收集的觀測數據。接駁盒是水下的一個中樞，其功能是將骨干網光電復合纜傳來的電能進行轉換，分配給不同的觀測儀器，同時負責基站和觀測儀器之間數據交換。接駁盒還可為水下觀測設備模塊提供濕插拔接口。觀測儀器可根據系統所承擔的功能來選擇安裝。骨干網光電復合纜不僅用于通信，還負責各設備之間的聯接和電能傳輸。根據實際需要，局部觀測系統還可以通過子網節點形成擴展的觀測系統，通過光纖將接駁盒與骨干網上的某個節點連接起來。

2 海底觀測系統現狀

2.1 國外發展現狀

隨著海洋事業的發展和海洋軍事戰略地位的提高，世界各國普遍意識到水下信息網的重要作用，也陸續建設了一些項目。比較有代表性的主要有：日本的ARENA計劃、DONET、S-net觀測網，加拿大的VENUS、NEPTUNECanada，美國的LEO-15、MVCO、MARS、OOI和歐洲的EMSO觀測網。

2.1.1 日本海底觀測系統

2003 年，日本提出建造先進實時海底區域監測網（Advanced Real-time Earth monitoring Network in the Area,ARENA），計劃使用3600km光電復合纜，每隔50km設置1個觀測節點，將66個觀測節點呈交織網狀敷設在海底，涉及到水深6000米地海域。整個系統拓撲結構為網狀，具有擴展性。

后來日本又提出在日本以南海域分期建造地震和海嘯海底觀測密集網絡（Dense Oceanfloor Network System for Earthquakes and Tsunamis,DONET）觀測網取代了日本的ARENA計劃，主要用于地震、海嘯等自然災害的監測和預警。2011年，第一期DONET1在日本以南海域建網完成。該系統采用海底光電復合纜連接組網，包含5個分支單元、5個科學節點，提供了40個觀測接口，目前連接了20個觀測點，觀測點之間相距為15～20km。目前第二期DONET2也已基本完成，具有2個海岸基站、7個海底主基站和29個觀測節點，并在DONET1上增加了兩個觀測節點，已與DONET系統組成網狀拓撲結構[2]。

此外，2011年東京大地震后，日本立項建設的海溝海底地震海嘯觀測網(Seafloor observation network for earthquakes and tsunamis along the Japan Trench, S-net）也即將全部建成并投入使用，其具有6個海岸基站，共150個相距30～50km的地震海嘯觀測節點，海纜總長達5700km，其采用DONET類似的組網技術。S-net為目前全球規模最大的海底地震海嘯觀測網。

2.1.2 加拿大海底觀測系統

加拿大維多利亞海底試驗網(Victoria Experimental Network Under the Sea, VENUS)是加拿大維多利亞大學建設的纜系海底觀測網絡。它主要包括2個獨立的觀測系統部分組成，Saanich灣部分包含1個節點，位于水深96m處，由3km光電復合纜同岸站連接，于2006年建成；Georgia海峽部分共包含2個節點，分別位于水深170m和300m處，由40km光電復合纜同岸站連接，于2008年建成。該觀測網的目的主要集中在海洋動力環流模式；大洋變化的修復；次級生產力對環境的反應；鯨的行為和聲學污染；底棲生物群落的反應；海底穩定性、侵蝕和沉積；生態系統反應的早期預警等[4]。

加拿大西北太平洋時間序列觀測網(North-East Pacific Time-Series Underwater Networked Experiment, NEPTUNECanada)是目前全球最大纜系深海海底觀測網絡，也是全球第一個區域性觀測網絡。它通過800km的海底光電復合纜連接形成環路，共包含5個海底主節點，主節點可拓展出多個次節點，目前觀測設備數量超過138個。

2.1.3 美國海底觀測系統

1996 年，美國的伍茲霍爾海洋研究所（WHOI）在距美國新澤西州塔克頓9km處設計建造的長期生態觀測站(Long-term Ecosystem Observatory at 15 meters, LEO-15)的運行，標志著現代由海底光電復合纜連接海底觀測網絡時代的開始。該系統水下包含2個節點，節點部署在水深15m的海底，相距約1.5km，節點與岸基設備通過9.6km的海底光電復合纜連接。節點上掛接了CTD、ADCP、光學背反探頭等各種傳感器，實現了連續實時的海洋環境觀測。

2000 年，伍茲霍爾海洋研究所（WHOI）建立的馬薩葡萄園島海岸觀測站(Martha’s Vineyard Coastal Observatory,MVCO)，以觀測近岸風浪作用下沉積搬運和海岸侵蝕等物理過程為主，水下包含2個節點，采用海底光電復合纜同岸站連接，距岸約1.5km，水深分別為12m和15m[5]。MVCO使科學家可以直接連續觀測海岸帶區域在各種環境條件下的環境參數，包括北大西洋強烈風暴的觀測、海岸侵蝕、沉積物輸運和海岸帶生物過程[6]。

2007年3 月，蒙特雷灣水生研究所（MBARI）成功建立了蒙特雷灣加速研究系統（Monterey Accelerated Research System, MARS）。MARS是一個布放在水深約891m的科學節點網絡，主纜長約52km，共提供8個濕插拔端口用來連接海底觀測設備[7]。MARS的建設目的是為試驗新的觀測設備、傳感器技術和ROV作業能力，為美國海洋觀測計劃（OOI）提供測試基礎。2008年維修后，MARS正式運行。目前該觀測網由MBARI管理和維護。

2016 年，美國國家科學基金會正式啟動運行大型海洋觀測計劃(Ocean Observatory Initiative, OOI)。美國OOI觀測網由83個實驗平臺、830多個儀器組成，可提供10萬多個科學與工程數據，其主要科學主題是海氣交換、氣候變化、大洋循環、生態系統、湍流混合、水巖反應、洋中脊的各種過程、地球內部構造和地球動力學等[8]。OOI可分為區域網（RSN）、近岸網（CSN）和全球網（GSN）三大部分。其RSN為纜系觀測網，是OOI中技術難度最大的部分。現階段RSN總長約為900km，在3000m水深范圍內共布設7個海底主基站。

2.1.4 歐洲國家海底觀測系統

本世紀初歐洲提出的歐洲多學科海底及水體觀測系統(European Multidisciplinary Seafloor Observatory, EMSO)觀測網計劃包含十多個觀測子網，將覆蓋北冰洋、大西洋、地中海和黑海等，其科學目標是監測巖石圈、生物圈、水圈以及自然災害等[9]。EMSO觀測網的最大水深超過5000m，初步估計海纜總長達5000km以上，包含11個深海節點和4個淺海試驗節點，節點部署覆蓋歐洲主要水域，從北冰洋穿過大西洋和地中海，一直到黑海[10]。

2.2 國內發展現狀

我國在海底觀測這方面的工作起步很晚，相關技術研究基礎相對薄弱，不過我國緊跟國際發展趨勢，也開展海底觀測技術的研究，取得了一些成果。

2009 年，同濟大學在我國東海建立了首個單節點纜系海底觀測系統小衢山實驗系統，采用1.1km光電復合纜與水下節點連接，水下節點包含3個端口，掛接的海底設備為CTD、ADCP和濁度儀。

近年，我國臺灣地區提出并已開始建設媽祖（MArine Cable Hosted Observatory，MACHO）觀測網。它的最初建設目標是監測外海地震、海嘯和緊鄰臺灣的南沖繩海槽海底火山活動，實現災害預警和防災減災[11]。2011年建成的MACHO觀測網一期工程，海纜長約為45km，水深300m處有一個海底主基站，海底儀器有寬頻海底地震儀、加速度地震儀、水聽器、海嘯壓力計傳感器和CTD。未來MACHO觀測網將逐漸延伸，形成環型拓撲，并將增加至4個海底主基站。

2013年5 月，中科院南海海洋所聯合沈陽自動化所和聲學研究所在海南三亞海域共同建成南海海底觀測實驗示范網。這是我國海底觀測網絡建設的一次先導性實驗，該項目在海底觀測網技術、裝備、運維等方面積累了一定經驗。

“十二五”期間，中科院聲學所也在南海進行了海底觀測網試驗系統的建設，該系統主要用于對南海海底的探測，以及水中目標的監視。

2017年3月，國家發改委批復《海底科學觀測網國家重大科技基礎設施項目建議書》。該項目由同濟大學牽頭進行統籌協調，同濟大學和中國科學院聲學研究所共同作為項目法人單位完成。建設目標是在我國東海和南海關鍵海域建設基于光電復合纜連接的海底科學觀測網，實現對我國邊緣海典型海域從海底到海面全方位、綜合性、實時的高分辨率立體觀測；在上海臨港建設監測與數據中心，對整個海底科學觀測系統進行監測與數據存儲和管理。

3 海底觀測系統的關鍵技術

3.1 海底接駁技術

海底接駁技術是海底觀測系統中一項至關重要的技術，它是在海底光電復合纜和各觀測儀器中對電能和數據信號進行集中處理和管理的中間環節。海底接駁關鍵技術包括水下濕插拔接口技術、電能的轉換分配技術、內部通信技術和小型化設計等。

3.2 電能供給技術

電能供給就是要通過基站將電能輸送到海底觀測網絡中，為水下儀器供電。在整個海底觀測系統中，電能供給系統的設計和建造舉足輕重。在海底觀測系統中，一般采用高壓直流輸配電技術，有利于減少電能的損耗。電能供給技術是海底觀測系統必須解決的關鍵技術之一。

3.3 海底觀測系統布放與維護技術

鑒于海洋的特殊工作環境，水下設備容易受到漁船作業或船只拋錨等人為外力影響和自然因素影響而受到破壞，如何提高水下設備的生存性和安全性是目前遇到的最迫切需要解決的問題。因此，海底觀測系統的布放及維護施工技術是必須解決的關鍵技術。在深海海域中，海底光電復合纜一般采用直接敷設的方式施工。在淺海海域，海底光電復合纜一般采用埋設方的方式施工。埋設施工的方法主要有開溝法、水噴式埋設施工法、多刀犁式埋設施工法和ROV沖埋法。接駁盒是海底觀測系統的核心組件之一，將其安全、可靠地投放并且安裝在幾千米的海底也是一項非常重要而且必須認真對待的工作。

4 發展趨勢和面臨的挑戰

我國是一個海洋大國，有300多萬平方公里的經濟專屬區和18000多公里的海岸線、海洋環境監測技術，特別是海底觀測系統技術具有廣泛的應用前景。它不僅擁有巨大的經濟價值，還有重要的軍事利益。海底觀測系統是一個系統工程，涉及的技術領域很多。我國的海底觀測系統正處于起步階段，應逐步開展工作。首先，應重點突破幾項核心關鍵技術，進行系統研究，然后建設1～2個比較大的海底觀測系統，為以后的運行和維護積累經驗，為我國海底觀測系統發展奠定堅實的基礎。

目前，我國的海底觀測系統技術應重點關注以下幾個方面：

（1）加強水下設備的可靠性研究，重點是水下接駁盒和濕插拔組件可靠性；

（2）突破遠程電能傳輸關鍵技術，主要是海底負高壓直流輸配電技術和遠程電力監控和故障隔離技術；

（3）加強海底遠距離信息傳輸技術和數據挖掘、信息融合關鍵技術研究；

（4）加強海底觀測系統工程施工和維護問題研究，主要是海底光電復合纜的故障探測與定位，修復后的再埋設問題，還有ROV技術的研究。