[其他] 潜标~海洋水文测量不可缺少的装备

潜标系统介绍

潜标作为目前海洋环境监测中应用最广泛的装备之一,其主要结构包括主浮球、多种海洋观测仪器、声学释放器、重力锚和串联仪器的缆绳,大规模布放潜标已成为远洋综合科考船的常规作业内容。

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潜标示意图

卫通设备1:可与卫星通信,在海中处于休眠状态,出水后处于工作状态,负责把潜标的主浮体的坐标经纬度发送给回调查人员;

主浮体2:提供整套潜标系统的主要浮力,其上可绑漂流绳便于回收;

xm接收阵3:潜标搭载的记录设备(如水听器和深度记录仪(td)),具体固定位置根据海域情况和水文条件决定;

xm过渡绳4:用于连接接收阵和底部设备的缆绳;

浮球5:提供整套系统的部分浮力以及释放器上浮所需要的浮力,个数和单位浮力需要具体计算;

声学释放器6:潜标回收的主要设备,通过与调查船甲板单元的通信,可返回甲板单元到释放器的距离数据,并可触发释放模式断开与重块的连接,使整套系统上浮;

钢缆7:连接释放器与重块,长度不宜过短;

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重块8:使整套系统能沉入海底,重量需具体计算,一般应大于系统浮力的二至三倍,其上可加减速伞降低沉底速度。

潜标 CTD 是长期定点测量的典型方案,是潜标系统中必不可少的设备,可以为科研人员提供不同深度下精确的海水温度、盐度等参数,对大洋暖池形成机制、热盐环流效应等研究有重要意义。

潜标整体位于水面以下,通过锚系固定在特定位置,通过架装在不同深度的传感器可实现全水深、定点、长期、连续、多层次、多要素同步观测,具有隐蔽性好、不易被破坏等优点。

然而,潜标通常以自容方式存储观测数据,需在观测周期(一般为数月至数年)结束并对潜标实施回收后方能获取观测数据,信息时效性较差。

潜标发展历程

美国从 20 世纪 50 年代开始研究潜标技术,前苏联、英国、加拿大等国家迅速跟进。经过几十年的发展,国外的实时传输潜标技术日臻成熟。

1994 年,美国“百慕大试验站锚泊系统”(BTM)实现了潜标数据远程无线传输,其潜标挂载的水下仪器通过感应耦合传输,利用一根单芯锚泊缆将数据传输到海面浮标,浮标通过Argos 卫星将数据传送至岸站,也可在调查船靠近BTM 浮标时通过无线电通信下载数据。

美国国家科学基金会 2009 年启动OOI(Ocean Observatories Initiative)观测网,其潜标准实时通讯方式有 2 种:一种是通过海底电缆传输;另一种是通过水下滑翔机中继传输。前者仅适用于近岸观测,后者则适用于密集分布的潜标阵列,对于单套潜标或空间距离较大的阵列则不适用。

加拿大 ODIM Brooke Ocean 公司研制了 SeaCycler 升降式潜标系统,利用水下绞车控制卫星通信浮子的上下运动,在设定的通信时间将浮子释放浮至水面进行数据传输,在其它时间由水下绞车带动浮子下沉至海面以下。

日本 NGK OCEAN 公司研制的海洋潜标观测系统图 1(b)具有锚系和座底 2 种状态,使用了流线形浮体及水下绞车技术,可以控制浮标上浮出水后通过卫星将数据传送到岸站。美国 InterOcean Systems 公司也开发了应用于潜标的水下绞车图 1(c)。

我国潜标研制工作起步较晚,但发展迅速,开展潜标研制的单位主要有中国船舶七一〇所、国家海洋技术中心、海洋局一所、中科院海洋所、山东省科学院海洋仪器仪表所和中国海洋大学等。我国已基本掌握潜标观测的核心关键技术,并在数据实时传输方面有了较大突破。

2002 年,中国船舶七一〇所研发了浮子式实时/准实时潜标观测系统。该潜标配有多台卫星通信浮子,通过释放浮子至海面进行实时卫星数据传输,一旦浮子信号传输发生故障,主控单元控制水下切割信号缆将失灵的浮标抛弃,再释放另外一个通信浮标,实现观测数据的接力传输 。“十一五”期间,中国海洋大学与中国船舶七一〇所合作对该型实时/准实时潜标进行了优化,并在南海成功开展了海试。

2015 年起,中科院海洋所研发了浮子式实时/准实时潜标观测系统并在西太平洋海域开展了规模化应用,于 2019 年实现了深海 6 000 m 实时数据传输。中国海洋大学在“十二五”期间研制了深水定时卫星通信潜标系统,2015-2016 年在西太平洋成功完成了系列海试,实现了观测数据的定时回传。该潜标主浮体上架装多个弹射抛弃式卫星通信浮标,按设定时序定时释放至海面,通过卫星进行数据传输。

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水下实时观测系统方案和应用案例

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随着卫星、无线电和水声等通信技术的发展及应用,目前已能够实现潜标观测数据的实时﹑长距离传输。实时传输潜标的数据传输链路通常为:

1)由传感器到数据采集器,一般在水下水密仪器舱中完成;

2)由水下数据采集器传输到水面通信设备,可通过线缆或水声通信方式传输;

3)由水面通信设备传输到岸站数据接收终端,一般通过卫星通信方式实现。

以潜标技术为基础,通过水下绞车控制卫星通信浮标的方式可实现水下观测数据实时传输;自升降通信浮标也可作为水面通信中继设备;还可利用水下滑翔机/波浪滑翔器作为传输中继节点,实现观测数据的机动实时传输(图 2)。

结合上述技术途径,设计了 4 型水下实时观测系统,为水下环境实时定点长期观测提供综合解决方案。图 2 中:a 为基于水下绞车的水下实时观测系统,b 为基于自升降通信浮标的水下实时观测系统,c 为基于水下滑翔机的水下实时观测系统,d 为基于波浪滑翔器的水下实时观测系统。

海洋动力过程与气候功能实验室(以下简称“功能实验室”)科考团队在西北太平洋黑潮延伸体顺利布放我国自主研发的中纬度大型浮标观测系统,并成功完成深海潜标系统的实时化升级工作,标志着海洋试点国家实验室在“两洋一海”(西太平洋-南海-印度洋)关键海区深海实时观测能力建设实现了跨越式发展。

1、西太平洋 最深观测深度5800米

西北太平洋黑潮延伸体海区是全球海洋和大气动力过程最活跃的区域,也是影响整个太平洋乃至全球气候变化的关键区域。该海区一直以来是太平洋周边国家最为关注的区域,但也是海洋观测数据最为匮乏的区域之一。受海区复杂的海洋环境和恶劣的天气条件影响,目前只有美国在此海域维持着1套大型浮标观测系统。功能实验室研发人员在海洋试点国家实验室“鳌山科技创新计划”的大力支持下,通过多年努力实现了一系列的技术突破,自主研发的大型浮标成功布放在海况更为恶劣的黑潮延伸体主轴北侧区域,目前经历了多次台风之后仍稳定运行,实时地回传中纬度海气界面关键数据,为科学家研究中纬度海气相互作用提供了最为关键的数据支撑。

海洋动力过程与气候功能实验室科研人员经过5年多的努力,构建完善热带西太平洋实时科学观测网,目前拥有20套深海潜标和3套大型浮标,共计1000余件观测设备,已成功获取最深观测深度达5800米、连续5-6年的温度、盐度和海流等数据,不断刷新我国观测网获取深海数据的最长时间记录。

2、南海 构建最大规模潜标观测网

海洋试点国家实验室从2009年起,逐渐在南海构建了国际上规模最大的区域海洋观测系统——南海潜标观测网,规模远超KESS、OSNAP等国际上其它区域海洋潜标观测网,形成了南海海洋环境长期观测能力。由于长期处于高盐、强流以及内波等极端动力过程等复杂海洋环境下,潜标观测的风险极高,潜标设计、研制、布放及回收等任何一个环节出现差错均有可能导致高价值的观测仪器设备及宝贵观测数据的丢失。

“东方红3”号在此前的南海调查航次中,已成功完成8套实时潜标观测系统的升级工作。目前,我国已经具备了对南海多尺度动力过程的系统长期连续观测能力,为南海环境安全保障、资源开发利用、生态环境保护、气候变化应对提供了重要的平台和数据支撑。按照海洋试点国家实验室“透明海洋”计划实施方案,在“两洋一海”关键海域(南海、热带西太平洋、西北太平洋、印尼贯穿流及印度洋)布放并回收了近500余套深海浮、潜标观测系统。截至目前,仍有超过100套深海定点观测系统正在稳定运行。

3、印度洋 布放自主研制“白龙”浮标

在印度洋关键海域,海洋试点国家实验室依托我国自主研制的“白龙”浮标技术为基础,实现深水大洋水下感应耦合传输和特种尼龙绳国产化,优化系统集成,发展新一代高国产化率的深海气候观测浮标系统,在大于4000米海域实现海面气象、海气通量和水下0-700米的温度、盐度、海流剖面测量数据从现场到全球电信系统的实时、无缝传输,支持我国和国际社会的海洋观测、研究与服务。围绕国家“一带一路”战略,我国已经分别和澳大利亚、印度尼西亚、马来西亚、泰国和肯尼亚等国家合作,在印度洋布放了系列“白龙”浮标,深度参与全球海洋治理,大大提高了我国在国际上的影响力。特别值得一提的是,南纬8度东经100度的白龙浮标站位,被世界气象组织WMO赋予编号53041,实时数据上传全球电信网络GTS,这是目前唯一实现我国深海浮标实时数据上传至GTS并进行全球共享的深海浮标,是我国积极参与全球海洋观测和气候变化领域国际合作的重要代表。

“透明海洋”是由中国海洋科学家发起并主导的科学计划。自发起以来,取得了一系列重要成果。“透明海洋”科学计划面向全球海洋,围绕国家海洋战略以及助力构建人类海洋命运共同体进行规划、实施,通过突破海洋观测、探测与预测一批核心关键技术,以实现海洋状态透明、过程透明、变化透明。


                               
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茶江鱼
活跃在2022-7-14
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