基于移動式溫度鏈實時監(jiān)測系統(tǒng)測量內(nèi)波方法研究

劉彬華

(深圳大學(xué) 電子與通信工程學(xué)院,廣東 深圳 518060)

0 引言

我國南海北部是全球內(nèi)波最強的海區(qū)之一,內(nèi)潮和內(nèi)孤立波在呂宋海峽生成并向西傳播到南海北部,是南海北部深海區(qū)(水深＞200 m)海洋動力環(huán)境的最重要組成因素。 內(nèi)孤立波會引起極端的海流(1 ～2 m/s)[1-2],對海上的生產(chǎn)平臺和水下作業(yè)造成較大災(zāi)害性影響。因此,對內(nèi)波尤其是內(nèi)孤立波的研究和預(yù)警是非常重要的一個海洋科學(xué)和工程問題。

目前,南海北部內(nèi)波的測量方法主要是采用布放座底式錨系潛標[3],在不同深度布放ADCP 和CTD 進行流場、溫度和鹽度的測量。 經(jīng)過一段時間觀測后,回收潛標,對數(shù)據(jù)進行分析。 潛標觀測無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時回傳,只能用于研究內(nèi)波的規(guī)律和特征,因此無法完成內(nèi)波的實時預(yù)警。 有研究者采用衛(wèi)星遙感技術(shù)的方式來研究和測量內(nèi)波,以目前衛(wèi)星遙感的資料,像水色和海表粗糙度(SAR)產(chǎn)品可以從海表信息中提取內(nèi)孤立波信號,但是目前SAR 主要是涉及軍方的衛(wèi)星,定制價格昂貴,海表水色傳感器受到天氣(特別是云層)的干擾較大。

海洋內(nèi)波發(fā)生時,溫躍層的界面發(fā)生上下起伏,內(nèi)孤立波引起的起伏可達上百米。 因此,如果能夠?qū)Ｑ鬁剀S層處不同深度的溫度進行準確、有效測量,就可以清晰地觀測到內(nèi)波的運動。

以往測量內(nèi)波的監(jiān)測系統(tǒng)的潛標或浮標[4-5],多為定點式觀測,部分可以隨海洋天然動力進行被動式移動,但不能夠主動式的移動,且對現(xiàn)場采樣的數(shù)據(jù)缺乏一套完整的在線式穩(wěn)定、實時傳輸?shù)奈锢硗ǖ?對數(shù)據(jù)分析研究、內(nèi)波預(yù)警具有滯后性,不能真實反映內(nèi)波運動的發(fā)生、傳播、演變、衰亡的全過程。

已有的測量海洋垂直剖面溫度監(jiān)測系統(tǒng)主要存在以下問題和缺陷。

(1)垂直溫度剖面實時監(jiān)測系統(tǒng)主要工作在近海淺水區(qū)(水深≤50 m),對特定海域的海洋牧場有一定實用價值,但對于內(nèi)波活躍的深海區(qū)(水深150 ～300 m特殊的應(yīng)用場景)沒有可行的解決方案。

(2)垂直溫度剖面實時監(jiān)測系統(tǒng)討論支持的傳感器鏈是單組的A/D 數(shù)據(jù)輸入,采用的RS232 接口發(fā)送數(shù)據(jù)的方案,并沒有形成真正意義上的傳感器鏈組網(wǎng),對水下數(shù)據(jù)的傳輸沒有形成有效的解決方案。

(3)在遠海,垂直溫度剖面實時監(jiān)測系統(tǒng)對數(shù)據(jù)有效、實時傳輸沒有形成有效方法,因此對內(nèi)波的預(yù)警并不能夠起到應(yīng)有作用。

(4)目前,垂直溫度剖面實時監(jiān)測系統(tǒng)多為定點式的潛標或浮標,對于移動式的研究不多,可以借用的方法有限。

為了對內(nèi)波形成機制、原理、分析、預(yù)警進行有效的研究,本研究試圖從移動式、在線實時、溫躍層溫度變化等幾個因素進行考慮,自研一套應(yīng)用于海洋的移動式溫度鏈實時監(jiān)測系統(tǒng),記錄內(nèi)波來臨時海洋垂直剖面溫度的變化,從而實現(xiàn)對內(nèi)波有效觀測、實時預(yù)警,并進行相應(yīng)研究工作。

1 移動式溫度鏈實時監(jiān)測系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

自主設(shè)計用于研究內(nèi)波的移動式溫度鏈實時監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[6],主要包括自主設(shè)計的300 m 動態(tài)纜、溫度(溫深)傳感器鏈、控制系統(tǒng)和在線數(shù)據(jù)實時處理系統(tǒng)3 部分。 移動式平臺未來考慮采用AUV 或者波浪滑翔機,初期試驗暫時采用試驗?zāi)复扒逖泻Ｔ?”替代。

自主設(shè)計的300 m 動態(tài)纜作為數(shù)據(jù)傳輸通道,也可用來承載水下溫度(溫深)傳感器鏈和調(diào)節(jié)動態(tài)纜的錨系裝置。 溫度(溫深)傳感器鏈主要包括溫深傳感器和溫度傳感器[7],分別對海洋垂直剖面的不同深度的溫度進行測量,并對動態(tài)纜的彎曲度進行校準、修正。控制系統(tǒng)和在線數(shù)據(jù)實時處理系統(tǒng)對測試到的溫度和深度數(shù)據(jù)進行采集、計算、處理、傳輸。 移動式溫度鏈實時監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 移動式深海溫度鏈實時監(jiān)測系統(tǒng)

移動式溫度鏈實時監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)說明如下:試驗?zāi)复扒逖泻Ｔ?”號主要為整個系統(tǒng)的移動提供動力支撐。 船總長49.8 m,型寬13 m,排水量1 020 t,續(xù)航力不小于2 000 n mile,自持力不小于30 d,配有四錨定位和動力定位,主甲板設(shè)矩形月池和10 t 吊機。

300 m 動態(tài)纜:自主設(shè)計的動態(tài)纜總長300 m,從10 m 處開始每隔10 m 做一個分支,共29 個;主纜上端做承重頭,通過連接器將主纜連接在試驗?zāi)复扒逖泻Ｔ?”號上,下端做承重頭,連接配重(或錨鏈)。 動態(tài)纜接線方式采用每個分支端頭接一個微型4 芯連接器,共兩種接線分支:“A”分支與“B”分支。 主纜上端與微型8 芯連接器相連,主纜下端線芯不接出,接頭處雙絞線屏蔽與地線相接,保證主纜的線芯不斷,分支按“A/B/A/B…”排布,共15 個“A”分支與14 個“B”分支。 然后,將接頭位置進行硫化,分支長度為0.2 m。

溫度(溫深)傳感器鏈:負責(zé)水下整個動態(tài)纜剖面溫度數(shù)據(jù)和溫深數(shù)據(jù)的采集,包括溫度傳感器組、溫深傳感器組。

控制系統(tǒng)和在線數(shù)據(jù)實時處理系統(tǒng):對測試到的溫度和深度數(shù)據(jù)進行采集、計算、處理、傳輸、接收,通過岸基接收單元實時收發(fā)數(shù)據(jù),并監(jiān)測內(nèi)波的形成,并對數(shù)據(jù)實時分析、從而對內(nèi)波進行預(yù)警。

1.2 控制系統(tǒng)和在線數(shù)據(jù)實時處理系統(tǒng)

控制系統(tǒng)和在線數(shù)據(jù)實時處理系統(tǒng)是移動式溫度鏈實時監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的核心,按照功能不同,主要包括4 部分。

數(shù)據(jù)采集單元:包括6 個溫深傳感器和13 個溫度傳感器。 分布在動態(tài)纜不同位置的13 個溫度傳感器分別對海洋垂直剖面的不同深度的溫度進行測量,6 個溫深傳感器主要對分布在動態(tài)纜各個不同位置的溫深傳感器的深度和溫度進行測量,并對動態(tài)纜的彎曲度進行校準、修正。 溫度傳感器溫度測量范圍為:(-5 ～35) ℃;測量精度:±0.01 ℃;分辨率:0.001 ℃;響應(yīng)時間:100 ms。

水面數(shù)據(jù)處理及銥星傳輸單元:主要是對測量到的溫度數(shù)據(jù)進行初步預(yù)處理并傳輸,要求數(shù)據(jù)傳輸實時、可靠。 它主要包括數(shù)據(jù)處理模塊、銥星模塊及天線系統(tǒng)、GPS 和北斗二合一模塊。 GPS 和北斗二合一模塊主要用來定位,給出監(jiān)測系統(tǒng)實時位置信息,銥星通信模塊用于實時傳輸系統(tǒng)監(jiān)測的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)傳輸單元:數(shù)據(jù)傳輸單元主要作用是把采集到的數(shù)據(jù)從水下部分傳輸?shù)剿嫔系目刂坪蛿?shù)采單元,包括數(shù)據(jù)中繼器、RS485 轉(zhuǎn)網(wǎng)口數(shù)據(jù)模塊、數(shù)據(jù)隔離器。

岸站接收單元:是控制系統(tǒng)和在線實時處理系統(tǒng)的重要組成部分,主要功能是準確、可靠、實時接收和處理控制單元采集到的數(shù)據(jù),具有即時報警、數(shù)據(jù)查詢和統(tǒng)計、遠程控制等基本功能,可以給用戶研究提供方便,同時系統(tǒng)能通過銥星收發(fā)傳輸數(shù)據(jù),岸站接收單元能夠?qū)?shù)據(jù)進行相應(yīng)的處理、顯示和存儲。

1.3 系統(tǒng)軟件及數(shù)據(jù)處理流程

1.3.1 系統(tǒng)軟件及工具

系統(tǒng)軟件使用Visual C#開發(fā),用于對移動式溫度鏈實時監(jiān)測系統(tǒng)[8]的遠程控制以及數(shù)據(jù)分析、處理,同時可以根據(jù)需要生成預(yù)警信息并發(fā)送到指定郵箱。 軟件將接收到移動式溫度鏈實時監(jiān)測系統(tǒng)返回的數(shù)據(jù)保存在電腦中,方便對數(shù)據(jù)分析、處理和查看。 工具包括郵箱設(shè)定、收發(fā)郵件、發(fā)送命令、內(nèi)波預(yù)警、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)保存等基本功能。 左邊的列表為接收到的郵件列表,右邊是對選中的郵件的內(nèi)容進行實時解析,系統(tǒng)軟件工具界面如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)軟件工具界面

1.3.2 數(shù)據(jù)處理流程

用于內(nèi)波實時預(yù)警的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)流程如圖4 所示。 數(shù)據(jù)處理分為水面和岸站處理兩個部分,水面數(shù)據(jù)處理流程是將低頻率采集的溫度值、深度值在控制系統(tǒng)和在線數(shù)據(jù)實時處理系統(tǒng)的控制主系統(tǒng)進行預(yù)處理,按照溫度、溫深傳感器模型,將參數(shù)解析成測量的溫度和溫深數(shù)據(jù),判斷溫度參數(shù)是否超過閾值,對疑似有內(nèi)波發(fā)生的處理后的數(shù)據(jù)通過銥星收發(fā)系統(tǒng)發(fā)送到地面岸站接收單元,岸站接收單元按照數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)比對,從而對疑似內(nèi)波進行判斷,對確認發(fā)生的內(nèi)波發(fā)送預(yù)警信息到郵箱,從而實現(xiàn)一次內(nèi)波循環(huán)的判斷。

圖2 控制系統(tǒng)和在線數(shù)據(jù)實時處理系統(tǒng)

圖4 數(shù)據(jù)處理流程

研究人員可對低頻采集的溫度值、深度值的數(shù)據(jù)預(yù)處理后,通過銥星收發(fā)系統(tǒng)全部發(fā)送到岸站接收單元存儲、處理、分析,以便實時調(diào)用數(shù)據(jù)。 由于此次海試時間較短,主要完成了監(jiān)測系統(tǒng)搭建,系統(tǒng)軟件工具界面有關(guān)數(shù)據(jù)處理部分的功能有待完善。

2 海上試驗

2.1 海上試驗過程

海試團隊采用清華大學(xué)試驗?zāi)复扒逖泻Ｔ?”號,于2020 年9 月6 日至9 月10 日在南海東沙附近海域,流花油田16-2 以東(北緯20°25′01″,東經(jīng)115°24′30″,水深500 m)開展了為期5 d 海試。

在目標油田附近海區(qū),內(nèi)波大致為每天早晚各一次,此次海上試驗任務(wù)多且繁重,試驗期間完成移動式溫度鏈實時監(jiān)測系統(tǒng)布放兩次,每次時間在2 小時左右。 其中,9 月9 日上午的布放成功對內(nèi)波進行完整的監(jiān)測工作。 內(nèi)波來臨前表層海流的水平流速＜0.2 m/s,深處的流速＜0.07 m/s。

2.2 試驗數(shù)據(jù)處理

本研究截取了內(nèi)波來臨前與內(nèi)波發(fā)生過程中兩組數(shù)據(jù),對深度傳感器讀取的原始深度值進行校準,得到反映動態(tài)鏈上傳感器組實際深度值和測試到的溫度值數(shù)據(jù)。 在內(nèi)波來臨前、內(nèi)波發(fā)生過程中,各溫度、溫深傳感器組的數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 內(nèi)波來臨前與內(nèi)波發(fā)生過程中溫度與深度數(shù)據(jù)對照

通過表1 內(nèi)波來臨前、內(nèi)波發(fā)生過程中溫度與深度數(shù)據(jù)對照,對兩組數(shù)據(jù)插值擬合,得到內(nèi)波來臨前與內(nèi)波發(fā)生過程中溫度隨深度變化對比曲線如圖5 所示(a 曲線為內(nèi)波發(fā)生前,b 曲線為內(nèi)波經(jīng)過期間)。 通過曲線圖對比發(fā)現(xiàn):溫躍層50～100 m 溫度傳感器采集的溫度數(shù)據(jù)變化明顯,且內(nèi)波到來后對動態(tài)纜的影響比較大,動態(tài)纜在水中傾斜彎曲比較厲害,這與內(nèi)波來臨前與內(nèi)波發(fā)生過程中實際情況相吻合。

圖5 內(nèi)波來臨前與內(nèi)波發(fā)生過程中溫度隨深度變化對比曲線

比對分析通過移動式溫度鏈實時監(jiān)測系統(tǒng)采集到的內(nèi)波到來前后全時間段的所有溫度、深度數(shù)據(jù),形成圖6 和圖7 內(nèi)波發(fā)生時各深度剖面溫度隨時間變化曲線圖。 結(jié)果顯示,內(nèi)波到來前后時間段,動態(tài)纜所處各深度的溫度傳感器采集到的溫度數(shù)據(jù)隨深度不同發(fā)生劇烈變化,曲線圖很好反映了內(nèi)波到來前后的溫度變化規(guī)律和內(nèi)波演進過程中溫度變化梯度。

全部6 個溫深傳感器的壓力數(shù)據(jù)隨時間變化數(shù)據(jù)如圖6 所示(6 條曲線表示6 個不同溫深傳感器,a,b,c,d,e,f 曲線依次表示50 m,100 m,150 m,200 m,250 m,280 m 的不同深度隨時間變化的溫度數(shù)據(jù))。在內(nèi)孤立波經(jīng)過時(9.38 ～9.40),由于水平流速較大(可達2 m/s),溫度鏈發(fā)生嚴重傾斜,最底部的傳感器只觀測到了深度100 m 左右的位置。 不過這幾個傳感器的傾斜狀況正好與內(nèi)孤立波的強弱對應(yīng),基本上可以看出,最初顯示一個主內(nèi)孤立波經(jīng)過(0.02 d 即28 min),然后緊接著又一個弱點的波峰經(jīng)過(9.44 d 左右)。

圖6 6 個溫深傳感器的時間序列

經(jīng)過深度校準和處理之后,得到了溫度隨時間和深度的變化情況(見圖7)。 內(nèi)孤立波經(jīng)過時,混合層底部(60 m 深處)的等溫線被明顯下壓(9.385 d),下壓的深度大概為40 m。 內(nèi)孤立波經(jīng)過之后,混合層底部的等溫線明顯變稀疏,表明內(nèi)孤立波引起了較強的垂直混合。 此圖說明,內(nèi)孤立波對混合層底部的溫度層造成較大改變,導(dǎo)致混合層底部發(fā)生明顯再層化的現(xiàn)象。

圖7 校準后得到內(nèi)波發(fā)生前后溫度(橫軸)和深度(縱軸)剖面隨時間變化曲線

2.3 海上試驗分析

(1)基于300 m 動態(tài)纜移動式溫度鏈實時監(jiān)測系統(tǒng),能夠通過溫度傳感器和溫深傳感器實時采集到海洋剖面各溫度層的溫度和深度數(shù)據(jù),初步分析溫度值和深度值有效且可靠。

(2)基于300 m 動態(tài)纜移動式溫度鏈實時監(jiān)測系統(tǒng)整套方案在內(nèi)波到來前后及整個發(fā)生過程中,溫度鏈上的溫度、傳感器上的溫度值有較為明顯的變化,能夠?qū)崟r監(jiān)測到整個溫度鏈在海洋剖面各溫度層的變化梯度。 系統(tǒng)能夠很好地在內(nèi)波到來前進行預(yù)警。 其分析曲線反映了內(nèi)波到來前后的溫度變化規(guī)律和內(nèi)波演進過程中溫度變化梯度。

3 結(jié)語

采用特殊設(shè)計定制的300 m 動態(tài)纜為物理通道,通過溫度(溫深)傳感器鏈測量溫度、深度的數(shù)值,利用自主研發(fā)的控制系統(tǒng)和在線數(shù)據(jù)實時處理系統(tǒng)分析數(shù)據(jù),組合成的整套移動式溫度鏈實時監(jiān)測系統(tǒng)能夠有效、可靠觀測內(nèi)波演進過程中溫度變化的梯度,以單一溫度數(shù)據(jù)反映內(nèi)波的應(yīng)用研究簡單而實用,能夠充分反映內(nèi)波發(fā)生、傳播、演變、衰亡的全過程,最終為內(nèi)波預(yù)警提供強有力的技術(shù)支持。 基于移動式溫度鏈實時監(jiān)測系統(tǒng)測量內(nèi)波方法具有廣大的應(yīng)用前景和科學(xué)價值。

通過5 d 南海東沙附近海域試驗,本研究驗證了移動式溫度鏈實時監(jiān)測系統(tǒng)的準確性、有效性、穩(wěn)定性、安全性,同步驗證了算法和整體系統(tǒng)方案可行。 通過移動式溫度鏈實時監(jiān)測系統(tǒng)實時在線獲取的海洋剖面不同溫度層溫度、深度等重要參數(shù),并對海洋剖面不同深度的溫度數(shù)據(jù)進行分析,這些數(shù)據(jù)為后續(xù)開展內(nèi)波研究及海洋科考積累了寶貴經(jīng)驗,對海洋科學(xué)、海洋工程都具有重要的意義。

因試驗前幾天海上風(fēng)浪作業(yè)不理想和受船體作業(yè)的影響及基于移動式溫度鏈實時監(jiān)測系統(tǒng)溫度鏈整體布放復(fù)雜,整套系統(tǒng)設(shè)備試驗時間較短、獲取數(shù)據(jù)有限。 后期工作的重點是對整套系統(tǒng)在海洋不同氣候和條件下進行更多試驗數(shù)據(jù)的采集,以便更好優(yōu)化系統(tǒng),并完成內(nèi)波預(yù)警算法的優(yōu)化。