深海垂直剖面實時監測潛標系統

蔣平+喻劍

摘 要：深海垂直剖面實時監測潛標系統通過升降平臺的浮力調節，實現其沿系留鋼纜的上下往復式運動，搭載的水文傳感器能夠在設定的海洋剖面上，對溫、鹽、深、流等水文數據進行測量和存儲，并可以通過水聲通訊和衛星通訊實現實時傳輸。本文介紹了潛標系統的設計與實現，并通過試驗數據表明潛標可以滿足使用要求。

關鍵詞：浮力調節；升降平臺；潛標系統

0 引言

海洋環境監測和資源調查中，經常需要對海洋水體中不同剖面參數（如溫度、鹽度、流速、內波和光學特性量等）的測量，作為海洋開發研究與軍事海洋學研究的基礎。傳統的海洋監測平臺，一般都是通過建立海洋觀測站，或是通過海洋調查船來投放監測潛標并保證運行，通常只能在較為離散的海洋剖面獲取數據，無法實現連續剖面觀測和數據實時傳輸，并且工作時間有限，在復雜的海洋環境中系統投入、運行以及維護的成本很高，回收難度較大。

1 系統工作方式

深海垂直剖面實時監測潛標的組成主要有：主浮體、錨泊系留裝置、升降平臺、水聲通訊機和通信浮標等，其組成及工作狀態示意圖見圖1。

主浮體為整個錨泊系統提供正浮力，保證海洋遠海深水狀態下的動、靜態穩定性；

錨泊系留裝置利用重力錨和抓力錨將系留纜固定在海底，通過主浮體的浮力使系留纜和包塑鋼纜繃直；

升降平臺沿包塑鋼纜進行定點垂向往復式運動，搭載海洋環境測量傳感器，實現對海洋水文環境參數的實時測量；

水聲通訊機和通信浮標的作用是將升降平臺的運行狀態和測量傳感器實時測量到的數據，通過水聲通訊和衛星通訊方式發送至岸站接收，實現潛標“實時監測”功能。

2 系統功能

深海垂直剖面實時監測潛標系統應具備的功能如下：

（1）潛標系統應保證在海洋遠海深水狀態下的動、靜態穩定性，具有小阻力水平安裝平臺特性，能夠為海洋儀器設備正常工作提供穩定的平臺；

（2）可搭載儀器艙、安全報警裝置等設備，能對外提供電源接口和通訊接口；

（3）能夠根據深度傳感器數據來判斷所處的海區深度，進行升降模式切換、浮力調節控制和平臺在垂直剖面上運行速度的自適應調整及定點懸停；

（4）即能夠通過水聲通訊和衛星通訊與外界進行實時數據傳輸，又能夠進行大容量的數據存儲；

（5）系統具有低功耗和高可靠度，能在100～1500m深度范圍內可靠工作1年或升降運行800km行程。

3 系統設計

3.1 主浮體

主浮體的主要功能是為整個系統提供足夠的正浮力，并保證在海洋遠海深水狀態下的動、靜態穩定性，外形采用流體動力學理論設計，頭部為標準的球頭，尾部為圓錐臺，為低阻力帶翼細長水滴形和水平系留方式，采用在金屬框架上填充玻璃微珠浮力材料，耐壓強度大于10MPa。

3.2 錨泊系留裝置

潛標系統采用單點繃緊型系留裝置，利用重力錨和抓力錨將系留纜固定在海底，通過主浮體及玻璃浮球的浮力使系留纜繃直，升降平臺沿著此段包塑鋼纜進行垂向往復式運動。

錨泊系留裝置由包塑鋼纜、Kevlar纜、三叉系留索、阻擋裝置、錨裝置、玻璃浮球、聲學釋放器及連接卸扣、轉環、錨鏈等組成。包塑鋼纜與三叉系留索相連，聲答釋放器串聯在系留索靠近錨的位置，距海底適當距離。

3.3 升降平臺

升降平臺是潛標系統的執行機構和控制中樞，即要為海洋環境測量傳感器提供搭載平臺，實現對海洋水文環境參數的實時測量，又要通過浮力調節功能實現定點垂向往復式運動，提供剖面測量路徑。升降平臺外部為低水阻、密封的耐壓殼體，能實現水下工作時對內部設施設備的保護。

升降平臺如圖3所示，分為浮力調節平臺和能源供給平臺兩部分。浮力調節平臺為整個系統的執行機構和控制中樞，主要包括浮力調節系統、方向翼和RCM，其中浮力調節系統是升降平臺的核心，由電機、控制器、電磁閥、傳感器、液壓泵、油箱、耐壓殼體和油囊等組成，其功能是按照既定的工作流程，在設定的工作深度，通過控制液壓系統動作，使油囊密閉空腔充油或排油來改變平臺的浮力，從而實現平臺低功耗的升降運動。

能源供給平臺的主要功能是給整個平臺提供電源，內含高能量密度的亞硫酰氯柱式電池，確保平臺能在海上運行不小于1年，升降運動總行程不低于800km。兩部分通過導索件固連在一起；導索件中間有導索座，保證升降平臺可以沿包塑鋼纜靈活上下移動。

4 系統軟件

系統軟件的主要功能是控制平臺根據預置的的海區深度參數，在該深度范圍內進行往返的垂直運動，當平臺運行到到達指定的剖面時，進行水文數據采集并記錄，一個周期內的軟件工作時序由圖4所示。

系統軟件編譯環境為KEIL UVISION 4，采用C語言和匯編語言混合編寫。在軟件實現方面，因為基于STM32的嵌入式芯片是面向應用層的成熟芯片，具有功能齊全的庫函數，因此在USART通信、AD轉換、SPI、SD存儲等軟件接口均可直接調用庫函數，經過簡單的配置就可實現軟件功能。

5 工作情況

深海垂直剖面實時監測潛標系統設計完成后，為了檢驗整個系統的工作狀態，2016年2月在南海進行了功能性試驗，實際布放的海區深度約為1600m，考慮工作安全性，通過錨系配置，使潛標實際工作水深為200～1500m。

試驗結果表明，經過長時間多個剖面的工作，潛標系統按既定流程垂直上浮、下潛，整個平臺運行速度較為穩定，主要功能部件工作正常，搭載的水文測量儀器等設備工作正常、可靠，未出現故障，可有效進行水文數據采集和海洋監測，滿足深海垂直剖面實時監測潛標的系統設計需求。

6 結束語

對于我國這樣一個有著300萬平方公里的海洋領土的國家而言，海洋監測有著非同一般的的戰略意義和經濟意義，只有通過建立起一整套覆蓋多海域、不同深度、立體的觀測體系，才能獲得準確、全面的水文觀測數據。目前，在定點水文觀測站、水下滑翔機等已經初步具備工程應用條件的監測平臺中，深海垂直剖面實時監測潛標優勢明顯，其功耗低，可承擔長時間工作任務，可在不同深度進行懸停測量，且無人值守，不易受氣候、洋流影響，并可搭載多種儀器設備、布放回收可靠，是獲得海洋環境要素數據的有效手段。隨著我國海洋科研的發展，垂直剖面實時監測潛標的需求將不斷增長，將在資源勘探、氣象監測、軍事等領域發揮重要的作用。

參考文獻

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