深淵著陸器技術研究及馬里亞納海溝科考應用

陳 俊，張奇峰，李 俊，張艾群，

（1.中國科學院沈陽自動化研究所,遼寧 沈陽 110016；2.中國科學院大學，北京 100049；3.中國科學院深海科學與工程研究所，海南 三亞 572000）

深淵著陸器技術研究及馬里亞納海溝科考應用

陳 俊1，2，張奇峰1，李 俊3，張艾群1，3

（1.中國科學院沈陽自動化研究所,遼寧 沈陽 110016；2.中國科學院大學，北京 100049；3.中國科學院深海科學與工程研究所，海南 三亞 572000）

海斗深淵是指海洋中深度超過6 000m的區域，占據了海洋底部45%的深度范圍，是海洋生態系統的重要組成部分,海斗深淵科學代表著當前海洋研究最新的前沿領域。面向海斗深淵科學近海底長時探測與采樣應用需求，介紹了我國自主研制的7 000m級“天涯”號、“海角”號深淵著陸器系統，針對深淵著陸器的裝備特點，重點研究了生物原位觀測、微生物富集與固定、生物誘捕及沉積物取樣等技術。描述了深淵著陸器在馬里亞納海溝開展的試驗和科考應用，驗證了著陸器及采樣技術的可行性、有效性及其對深淵科考的適用性，并取得了多項科考成果。

海斗深淵；深淵著陸器；深淵探測；采樣技術；馬里亞納海溝

海斗深淵（Hadal Trench，簡稱深淵）專指海洋中深度超過6 000m的海溝區域，超高壓、黑暗無光、低溫及構造活躍是深淵的主要特征[1]。在如此極端惡劣的環境下仍然孕育著豐富的生命，Beliaev于1989年報道深淵區域已發現的生物近700種，其中56%為深淵環境所特有[2]。另外，深淵生物在水平分布尺度上也存在巨大差異，相鄰海溝之間僅有5%的群落相同[3]，深淵生物群落在垂直和水平分布尺度上表現出了特有的區域專屬性。因此，深淵內部生命現象及演化過程一直是國際學術界熱切關注的問題，然而受到技術條件的制約，深淵一直是人類難以企及和迄今為止認知最少的地球生態體系之一。學術界有關這一領域的知識仍主要來源于20世紀50年代由丹麥和蘇聯科學家組織的研究以及英國和日本于2006年啟動的“HADEEP”研究計劃[4]。

不同于海洋其他領域，深淵領域的研究門檻較高，嚴重依賴于深淵工程技術，一些國家已利用裝備優勢開展了深淵科考工作，并取得了重大突破和發現，其中，深淵著陸器（Hadal Lander）發揮了重要作用。“HADEEP”研究計劃利用2臺深淵著陸器對太平洋內多個海溝進行了科考工作，首次拍攝到深淵特有魚類的視頻影像資料，并捕捉到深淵底棲生物，取得了重要的研究成果[5]；美國國家科學基金會支持的“HADES”計劃聚焦于深淵科學問題的國際合作研究，于2014年組織了克馬德克海溝和馬里亞納海溝的深淵科考航次，使用的裝備中就包括2臺深淵著陸器[6]；2012年，美國導演卡梅隆搭乘“DEEPSEA CHALLENGER”載人潛水器成功潛入馬里亞納海溝的挑戰者深淵底部，同時使用了2臺深淵著陸器協同作業[7]。與傳統的載人或無人潛水器相比，著陸器具有結構簡單、使用方便、成本低以及具備長時連續探測等優勢，在深淵領域的應用前景受到了高度重視。

面向深淵科學近海底長時探測與采樣應用需求，中國科學院沈陽自動化研究所與中國科學院深海科學與工程研究所聯合研制了7 000m深淵著陸器“天涯”號與“海角”號[8-9]，與商用著陸器通用平臺和依賴單元部件集成的著陸器不同，“天涯”號與“海角”號著陸器具有以下技術特點：（1）區別于采用玻璃浮球作為電子器件耐壓密封艙的常規集成設計，采用內部充油的普通艙體，實現了控制和攝像系統硬件的充油耐壓，有效解決了深度擴展帶來的材料耐壓及密封技術；（2）自主研制的微生物原位富集與固定取樣器（簡稱微生物富集裝置）可在原位進行海水過濾，將微生物在濾膜上富集，并使用固定液來穩定和保護極易降解的核糖核酸（RNA），極大地提高了微生物的取樣效率和品質；（3）為提高高清照相機抓拍生物的效率，設計了基于低功耗“誘餌-攝像”系統運動目標檢測算法，在獲得海底影像資料的同時，實現了對視場內出現生物的實時檢測及對高清照相機拍攝的智能觸發；（4）設計了一種防逃逸的底棲生物誘捕器及一種自開口與封閉的沉積物采樣器。

本文首先描述了兩套深淵著陸器的系統組成及其工作原理，然后針對著陸器平臺特點，進行了采樣技術研究及取樣裝置的設計，最后介紹了兩套深淵著陸器在馬里亞納海溝進行海試及科考應用的情況，海試結果表明著陸器系統具有較好的穩定性、可靠性和實用性，自主研制的取樣裝置成功取得了大量的深淵大生物、微生物、海水及沉積物樣品。

圖1“天涯”號（左）、“海角”號（右）深淵著陸器

1 系統設計

“天涯”號與“海角”號著陸器如圖1所示，具備深淵環境參數測量、光學觀測以及深淵采樣等功能，以深淵生物學應用為主要目標，同時兼顧其他學科的應用需求，最長連續工作時間30 d，主要技術指標如表1所示。

著陸器系統包括本體和科學負載，系統組成如圖2所示。著陸器本體實現系統的下潛和拋載上浮，并為科學負載提供安裝基座、能源和信息交互接口，從實現功能上可將著陸器本體分為運載子系統、控制子系統和能源子系統。“天涯”號與“海角”號深淵著陸器采用相同的控制、能源及拋載等核心技術，在結構設計和浮力材料的選擇上采用了不同的技術形式。

表1 深淵著陸器技術參數

圖2 深淵著陸器系統組成框圖

1.1 運載子系統

運載子系統是運載與支撐平臺，主要包括主框架、浮力組件、常載設備、固定壓載和拋載。“天涯”號著陸器采樣整體式框架結構，框架上部為萬米浮力塊組件。“海角”號著陸器采用分體式結構設計，浮力組件由7 000 m耐壓的玻璃浮球及其固定框架組成，在布放作業前與主框架連接。常載設備是著陸器實現下潛、拋載上浮、水面示位等基本功能所需設備，包括深度計、羅盤、聲學釋放器、銥星信標、頻閃燈以及液壓補償器。固定壓載和拋載用于調節著陸器的水中重量，以獲得期望的下潛和上浮速度。

1.2 控制子系統

著陸器控制子系統組成如圖3所示，主要包括主控制器、視頻采集、能源管理、應急拋載、絕緣檢測等模塊和電子艙艙體。主控制器通過傳感器數據對系統狀態進行判斷并做出控制決策，包括下達控制指令、存儲觀測數據以及記錄系統狀態等。視頻采集模塊用于采集攝像機的視頻數據并實時處理和存儲，通過串口與主控制器通信。能源管理模塊用于系統能源保護、電壓轉換和能源狀態監控，由主控制器控制各設備能源開關。應急拋載模塊具有獨立的能源、控制和執行機構，具備定時拋載和主控制器控制拋載功能。絕緣檢測模塊是用于檢測各殼體與內部電路的絕緣情況。控制子系統封裝在充油的電子艙內，電子艙通過軟管連接液壓補償器使得艙體內外壓保持平衡。

1.3 能源子系統

著陸器的能源模塊采用了兩組鋰離子電池組，其中一組電池組專用于攝像系統及照明燈的能源供給。電池組封裝在電池艙內，電池艙通過軟管與液壓補償器連接。

圖3 控制子系統原理框圖

1.4 科學負載

著陸器科學負載是指搭載的各種探測設備及采樣裝置，著陸器提供非自容式科學負載的能源和數據交互接口。面向深淵生物的研究需求，“天涯”號與“海角”號著陸器搭載的科學設備包括溫鹽深儀（CTD）、溶解氧傳感器（DO）、攝像機、高清照相機、閃光燈、采水瓶、生物誘捕器、沉積物采樣器和微生物富集裝置，并輔以LED燈為攝像機照明。

2 系統工作原理

著陸器布放入水后在重力的作用下下潛至海底，著陸后開展探測作業任務，完成預定任務后拋載上浮，浮出水面后向母船發送其GPS坐標，支持母船依據GPS坐標搜索并回收。兩套著陸器均搭載了銥星定位信標用于浮出水面后的示位，搭載了頻閃燈便于夜間回收。

“天涯”號與“海角”號著陸器無水聲通訊功能，布放入水后完全自治，因此設計如下自主控制功能：利用深度計數據判斷自身工作狀態，將其作業分為“準備下潛”、“下潛”、“著陸”、“準備上浮”、“上浮”及“浮出水面”6個階段，主控制器根據不同階段的作業任務配置執行相應的探測策略。

兩套著陸器均搭載了聲學釋放器，可靈活地控制其回收時間。但考慮聲學信號傳播的不穩定性以及作用距離的限制，設計了一套獨立的應急拋載模塊，由應急拋載控制艙和執行機構組成。應急拋載執行機構和聲學釋放器只需一個執行即可成功拋載。應急拋載執行機構由兩種條件觸發：一是到達了預先設定的工作時間，由獨立的控制器觸發；二是下潛過程中系統出現異常，由主控制器根據傳感器數據和狀態信息觸發，觸發條件包括下潛速度、系統絕緣、下潛深度、能源狀態等發生異常。

3 著陸器采樣技術研究

3.1 誘餌-攝像系統

“誘餌-攝像（Baited-Camera）”系統是一種有效的底棲生物調查手段[10-11]，“天涯”號與“海角”號著陸器各搭載了1臺低功耗攝像機和1臺高清照相機用于深淵生物調查，在攝像機和照相機的視場中心布置誘餌吸引生物至著陸器附近，實現了在沒有物理擾動的情況下對生物進行觀測。

攝像機、照明燈、視頻服務器和視頻主板構成攝像系統進行視頻拍攝與存儲，視頻服務器采集視頻數據并傳輸給視頻主板，視頻主板負責視頻數據處理、存儲以及與主控制器的通信。攝像系統采用固定時間間隔的拍攝模式并由深度觸發開啟。為提高對生物高清靜態照片的拍攝效率，設計了一種基于運動目標檢測的算法來判斷視場內是否存在生物[12]，由視頻主板對視頻圖像序列進行實時分析、檢測，主控制依據視頻主板的檢測結果判斷是否有生物出現，若檢測到生物則開啟照相機并觸發拍攝，否則關閉其電源以節約能源。

3.2 微生物富集技術

微生物樣品一般是在實驗室中從采集到的海水或沉積物樣品中提取，但對于微生物密度較低的深淵，微生物樣品的提取需要消耗大量的海水樣品；另一方面，樣品在從深淵轉移到實驗室的過程中，壓力、溫度等因素的變化會對研究結果產生許多未知干擾，尤其是細胞中極易降解的RNA，從實驗室提取的樣品難以復現在深淵環境中原有的狀態。

為提高微生物的取樣效率和品質，“天涯”號與“海角”號著陸器搭載了自行設計的微生物富集裝置，其主要結構組成如圖4所示，艙體內部充油補償，各部件通過軟管連接。在富集階段，換向閥切換管路與外部海水連通，在動力泵的作用下，海水中的微生物不斷地在濾膜上富集，達到設定的海水過濾量后，換向閥切換管路與固定液連通，將固定液注入濾膜腔內，實現微生物的原位固定。

微生物富集裝置由外部供電，通過串口與主控制器通信，該裝置還可搭載在載人潛水器、無人遙控潛水器等潛水器上進行取樣作業。

圖4 微生物富集裝置結構組成

3.3 大生物誘捕技術

當前捕捉大型底棲生物常用的方法有深海拖網、海底橇網、陷阱捕捉器、泵吸式捕捉器等，較大的海水靜壓力、從水面到海底的距離為深淵生物的捕捉帶來了很大的難度，綜合考慮深度、能源動力和著陸器在海底的狀態等因素，設計了陷阱式防逃逸誘捕器用于著陸器的大生物誘捕（圖5所示）。

圖5 誘捕器示意圖

誘捕器筒體為圓柱形透明塑料，內部放置誘餌，兩端入口采用漏斗形設計，可將生物引導至誘捕器內部，入口處還設有倒須漁網，增加了進入取樣器內部生物游出的難度。誘捕器兩端的蓋板通過觸發繩連接到拋載機構上（此時蓋板處于開啟狀態），著陸器拋載的同時釋放觸發繩，蓋板在彈力繩的作用下將誘捕器兩端封閉，防止生物在上浮和回收過程中逃逸。

3.4 沉積物采樣技術

針對著陸器著陸瞬間沖擊及拋載上浮的特點，著陸器攜帶的沉積物采樣器在著陸瞬間插入沉積物內部，隨著陸器拋載上浮拔出而完成沉積物的取樣。為避免樣品在上浮過程中流失，取樣器上下兩端均設計了一個單向開啟的彈簧擋板（結構簡圖如圖6所示），取樣時擋板在沉積物的外力作用下開啟，取樣完成后又可在扭簧的作用力下閉合。

圖6 沉積物取樣器示意圖

4 馬里亞納海溝深淵海試與應用

4.1 試驗基本情況

“天涯”號與“海角”號著陸器在馬里亞納海溝的試驗與應用分兩個階段開展：第一階段是技術下潛，主要用于測試著陸器的功能、性能指標和綜合探測能力；第二階段是科考應用下潛，針對深淵科考需求開展應用性試驗。航次期間，著陸器共計完成11次試驗任務，包括4次技術下潛和7次科考應用下潛，其中“天涯”號著陸器下潛8次，海底探測作業時間累計約94 h 47min，“海角”號著陸器下潛3次，海底探測作業時間累計32 h 57 min，試驗概況如表2所示。

“天涯”號著陸器技術下潛的最大下潛深度為6 985m，平均下潛速度為35.8m/min，坐底觀測13 h 57min，達到設定工作時間后應急拋載模塊成功觸發，平均上浮速度為40.8m/min；“海角”號著陸器技術下潛最大深度為6 665m，平均下潛速度為36.6m/ min，坐底觀測10 h 40min后通過聲學釋放器釋放拋載，平均上浮速度為39.0m/min。

海試期間，結合著陸器的技術狀態和科學需求，在現場對“天涯”號著陸器進行了改造，第一次改造拆除耐壓深度為7 000m的設備，調整了拍攝視角，用于獲取7 500m以深的深淵生物觀測數據，改造后成功完成了3個科考應用下潛；第二次改造用于獲取萬米深淵的生物、海水和沉積物樣品，改造后保留了具備萬米承壓能力的浮力材、聲學釋放器、銥星信標和頻閃燈來實現最基本的運載功能，搭載了5個生物誘捕器、13個采水瓶、2個沉積物取樣器以及1個原位培養實驗裝置，成功實現1次萬米下潛。

表2 深淵著陸器試驗概況

4.2 取得的成果

4.2.1 誘餌-攝像系統觀測成果 兩套著陸器搭載誘餌-攝像系統在10個站位獲取了5 076～7 850m不同深度的生物觀測影像，累計拍攝視頻141 h 46min，其中海底觀測視頻114 h 43min，拍攝到多種深淵生物的視頻影像，包括獅子魚、十足類、端足類生物以及部分尚待鑒定的物種。高清照相機在6個站位拍攝到5 570～7 034 m不同深度的高清照片6 625張，獲得了大量的生物高清照片。

4.2.2 微生物富集樣品 在9個站位進行了微生物樣品的采集，其中8個樣品在原位進行固定，1個用于對比試驗而未作固定，最大取樣深度為7 850 m，單次最大海水過濾量達到150 L。目前實驗室初步檢測表明微生物樣品采集達到預期效果。

表3 馬里亞納海溝海試成果清單

4.2.3 大生物誘捕樣品 兩套著陸器搭載生物誘捕器于7 034m和6 879m深度成功捕獲了7只深淵特征生物獅子魚，體長18.2～22.3 cm，并在5 000m級、6 000m級、7 000 m級和10 000m級不同深度捕獲了1 964只端足類生物，體長0.5～15 cm不等，另外還捕獲取到2只十足類對蝦和3只待鑒定的生物。

4.2.4 沉積物樣品 “天涯”號著陸器4次搭載沉積物取樣器進行取樣作業，在3個站位成功獲取沉積物樣品950 mL，其中640 mL樣品取自萬米深淵，這是我國首次獲得深度超過萬米的沉積物樣品。

4.2.5 其它科考成果 著陸器搭載的CTD和溶解氧傳感器獲取了7個站位的CTD及溶解氧含量的數據；使用采水瓶在10個站位獲取了5 000 m，6 000m，7 000m和10 000m級系列海水樣品共計231.1 L，其中在萬米深淵中單次水樣采集超過100 L，在國際上尚屬首例。

表3所示為馬里亞納海溝的試驗與應用期間獲得的成果清單，部分典型科考成果見圖7。

圖7 科考成果展示（A.獅子魚樣品B.端足類鉤蝦C.原位拍攝的獅子魚照片D.沉積物樣品E.微生物濾膜）

5 結論

海斗深淵科學是當前海洋領域新的研究熱點，代表著較前沿的研究方向，深淵裝備是海洋工程技術領域的一大挑戰，近年來著陸器在深淵科考領域取得的成果引起了學術界極大關注，具有較好的深淵應用前景。

我國自主研制的“海角”號和“天涯”號7 000m深淵著陸器平臺和采樣技術具有鮮明的技術特色。平臺技術上：（1）采用了充油補償的艙體設計，解決了電控和視頻系統硬件充油耐壓的技術問題；（2）自主研制的應急拋載模塊提高了著陸器系統的安全性；（3）采用的控制與能源管理技術有效地提高了能源的利用率和觀測效率；采樣技術上：（1）自行研制的微生物富集裝置提高了微生物的取樣效率和品質；（2）設計了基于低功耗誘餌-攝像系統運動目標檢測算法，實現了對視場內出現生物的在線檢測及對高清照相機的智能觸發；（3）設計了一種深海底棲生物防逃逸誘捕器及一種沉積物采樣器。相關平臺技術和采樣技術均在海試和科考應用中得到了驗證。

海試結果表明，基于運動目標檢測的觸發拍攝模式對于體形較大的獅子魚、十足類和巨型端足類生物檢測率達到100%，微生物富集裝置在取得了大量的微生物樣品的同時也成功實現了對微生物的原位固定，設計的底棲生物防逃逸誘捕器和沉積物采樣器可以有效獲得生物和沉積物樣品。

[1]Jamieson,A J,etal.Hadal Trenches:the Ecology of the Deepest Places on Earth[J].Trends in Ecology&Evolution,2010,25(3): 190-197.

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[6]Linley TD,etal.Fishesof the Hadal Zone Including New Species,in Situ Observations and Depth Records of Liparidae[M].Deep Sea Research Part I:Oceanographic Research Papers,2016.

[7]Hardy K,etal.Hadal landers:theDEEPSEACHALLENGEOcean Trench Free Vehicles[C]//Oceans-San Diego,2013,2013.

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[12]黃曦,張艾群,陳俊,基于著陸器平臺的一種運動目標檢測算法[J].電子測量技術（已錄用）.

Research on the Application of the Hadal Lander Technology in the Mariana Trench

CHEN Jun1,2,ZHANG Qi-feng1,LIJun3,ZHANG Ai-qun1,3
1.Shenyang Institute of Automation,Chinese Academy of Sciences,Shenyang 110016,Liaoning Province,China; 2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China; 3.Institute of Deep-Sea Science and Engineering,Chinese Academy of Sciences,Sanya 572000,Hainan Province,China

The Hadal Trench refers to an ocean area with depth greater than 6000 meters,which accounts for the deepest 45%of the oceanic depth range.The Hadal trench stands for an important component of the marine ecosystem for its peculiarly physical and geological features,and represents the latest frontier of current ocean research.To meet the requirements of long-duration exploration and sampling for Hadal science research,two 7000-meter Hadal landers,independently developed by China,are presented in this paper:the Tianya Type and Haijiao Type.Considering the technological characteristics of the Hadal lander,this paper focuses on the fields of in-situ observation of Hadal fauna,enrichment and fixation of microorganisms,and marco fauna trap and sediment sampling.The sea-trails and scientific investigations in the Mariana Trench are described in detail, followed by corresponding scientific achievements.Results show that the proposed Hadal landers are credible, effective and practical in Hadal exploration.

Haldal trench;Hadal lander;Hadal exploration;sampling techniques;Mariana Trench

P715.5

A

1003-2029（2017）01-0063-07

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.01.012

2016-10-15

中國科學院戰略性先導科技專項（B類）資助項目（XDB06040100）

陳俊（1988-），男，博士研究生，主要從事深海探測系統設計及探測技術研究。E-mail:chenj@sia.cn