國產深海準實時傳輸潛標系統(tǒng)設計

于 非, 陳永華, 周 春, 張孝薇, 鄧 鍇, 韓云峰, 劉巖松, 劉慶奎, 王 蓓, 胡賀崗, 姜靜波, 倪佐濤, 姜 斌, 李曉龍

(1. 中國科學院海洋研究所, 山東 青島 266071; 2. 中國海洋大學, 山東 青島 266100; 3. 國家海洋技術中心, 天津 300112; 4. 中國科學院聲學研究所, 北京 100190; 5. 哈爾濱工程大學, 黑龍江 哈爾濱, 150001)

潛標是海洋環(huán)境監(jiān)測中最可靠、最準確的手段之一, 在應用海域范圍、觀測數(shù)據(jù)質量以及海上軍事監(jiān)測和預警上具有顯著優(yōu)勢, 可為深海動力環(huán)境預報與海洋軍事環(huán)境保障提供資料支撐。潛標技術于20世紀50年代初首先在美國開展, 隨后, 世界海洋強國也相繼開展研究和應用, 目前在大型海洋研究項目中常常布放大量的潛標系統(tǒng)。我國于20世紀70 年代開始海洋潛標技術研究, 于1982年正式立項研制千米測流潛標系統(tǒng)。之后經過20多年發(fā)展, 我國自主潛標觀測技術取得了突飛猛進的發(fā)展[1]。目前在西太平洋、東印度洋和南海已建立起大洋潛標觀測網絡。隨著海洋環(huán)境預報和海洋環(huán)境安全保障需求的提高, 對海洋環(huán)境數(shù)據(jù)的實時獲取要求不斷提升, 準實時傳輸潛標技術被提出[2]。它集潛標與浮標的技術優(yōu)勢, 既可進行深海水文環(huán)境要素長期連續(xù)、定點多層隱蔽監(jiān)測, 又可及時將測量數(shù)據(jù)傳送到地面數(shù)據(jù)中心, 具有系統(tǒng)集成度高、觀測隱蔽性好、不易遭受破壞、數(shù)據(jù)時效性強等特點。

美國大型海底觀測計劃(the Ocean Observatories Initiative, OOI)中, 潛標準實時通訊方式有兩種。一種是通過海底電纜[3], 另一種是通過Glider中繼。前者僅適用于近岸觀測, 后者則適用于密集分布的潛標陣列, 對于單套深海潛標或空間距離較大的陣列則均不適用。華盛頓大學研發(fā)的浮子式準實時潛標, 同樣主要應用在淺海觀測中[4]。國內, 中國船舶重工集團公司第七一〇研究所等在“十一五”863課題支持下, 率先開展?jié)摌藬?shù)據(jù)實時傳輸?shù)难邪l(fā), 研發(fā)了可連續(xù)彈射海面通訊浮標的潛標觀測系統(tǒng)[5]。中國海洋大學在“十二五”863計劃支持下, 進行了深水定時衛(wèi)星通信潛標系統(tǒng)的自主研發(fā)工作, 于2015年12月進行了布放測試, 獲得了初步成功[6]。中國科學院海洋研究所在中科院先導專項“熱帶西太平洋海洋系統(tǒng)物質能量交換及其影響”等的支持下, 于2015年研制了基于衛(wèi)星通信的實時傳輸潛標觀測系統(tǒng)[7];2016年后的 4年里, 不斷進行升級, 每年都在西太平洋海域進行規(guī)模化的應用。

盡管國內一些單位開展了潛標實時化的工作,但仍存在一些問題： (1)實時傳輸要素少： 一般只傳輸ADCP數(shù)據(jù)和少量CTD數(shù)據(jù); (2)實時觀測深度淺：極少數(shù)實現(xiàn)深海觀測數(shù)據(jù)實時傳輸, 多數(shù)實現(xiàn)的是海洋上1 000 m觀測數(shù)據(jù)的實時傳輸; (3)國產化率低：幾乎所有的觀測設備和聲學釋放器等均為進口, 只是纜繩等采用國產, 國產化率很低。另外, 我國自主研制的海洋儀器設備(如CTD、ADCP和聲學釋放器等), 其實驗室測量精度和可靠性等技術指標已經與國外同類產品不相上下, 但由于缺乏海上工作的穩(wěn)定性、可靠性, 并且現(xiàn)場觀測精度難以保證, 所以實際應用較少。這也是在當前深海大洋調查活動中, 國產海洋儀器使用較少的主要原因。甚至在研制中的自動剖面浮標、潛標、水下滑翔機等, 使用的溫度、電導率和壓力傳感器等, 也大多是從國外進口。基于海洋環(huán)境安全保障、海洋環(huán)境預報和海洋科學研究的需要, 本文詳細介紹了半潛升降式與浮子式兩型準實時通訊潛標系統(tǒng)的設計, 說明了其關鍵技術與創(chuàng)新點, 并結合國產感應耦合CTD設備集成測試應用情況, 證明了系統(tǒng)全部采用國產設備具有可行性,并為實際應用打下良好基礎。

1 系統(tǒng)設計

基于海洋科學研究與海洋環(huán)境安全保障的需求,重點進行錨泊系統(tǒng)水動力分析、觀測設備工作同步性、準實時通訊系統(tǒng)安全可靠和系統(tǒng)低功耗等整體設計技術優(yōu)化; 開展輕型感應耦合傳輸纜研制、大深度感應耦合傳輸和智能收放通訊等數(shù)據(jù)實時通訊技術的研究; 進行適用于準實時傳輸潛標系統(tǒng)的多種類國產設備的穩(wěn)定性和可靠性優(yōu)化設計、規(guī)模化集成和系統(tǒng)化應用示范, 形成半潛升降式準實時通訊潛標與浮子式準實時通訊潛標各1套。

所設計的半潛升降式準實時通訊潛標結構如圖1所示。

如圖1所示, 此系統(tǒng)包括1套通訊測量浮子、1套子浮體(集成半潛式智能水下絞車)、2個主浮體、3段感應耦合傳輸系統(tǒng)、32套感應耦合同步測量設

圖1 半潛升降式準實時通訊潛標結構組成Fig. 1 Diagram of the structure of the semi-submersible lifting quasi-real-time-communication submerged buoy

備、錨泊纜系(含2個并聯(lián)釋放器)和1套數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)等。2個主浮體上分別集成2個ADCP和數(shù)據(jù)采集與通信裝置, 子浮體上搭載半潛式智能水下絞車,錨系同步測量設備包括19套感應耦合CTD和1套單點聲學海流計, 所有觀測數(shù)據(jù)通過感應耦合或水聲通訊傳輸傳到子浮體內, 借助水聽器檢測海面是否安全。若安全, 半潛式水下絞車釋放通訊測量浮子,通訊測量浮子除了搭載衛(wèi)星通訊系統(tǒng), 還裝有 1套抗污染CTD和單點海流計, 在其運行過程中進行子浮體到海面之間的剖面要素觀測, 當通訊測量浮子運行至海面時, 將所有觀測數(shù)據(jù)傳回岸站, 通訊測量浮子繼續(xù)潛伏至子浮體, 等待下一次數(shù)據(jù)通訊。

浮子式準實時通訊潛標系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 浮子式準實時通訊潛標結構組成Fig. 2 Diagram of the structure of the floating quasi-realtime-communication buoy

此準實時傳輸潛標系統(tǒng)主要由實時衛(wèi)星通信浮標、子浮體、主浮體I、主浮體II、溫鹽深鏈、ADCP、深水單點海流計、并聯(lián)聲學釋放器和錨系等組成。水下2 000 m以內采用感應耦合等進行傳輸(溫鹽深鏈及 ADCP、深水單點海流計), 實現(xiàn)剖面數(shù)據(jù)的實時采集, 數(shù)據(jù)在 2個主浮體內匯總存儲后通過中繼的子浮體, 利用實時衛(wèi)星通信浮標將數(shù)據(jù)回傳到岸基實驗室; 若實時衛(wèi)星通信浮標受到破壞, 由主浮體釋放定時衛(wèi)星通信浮標, 將數(shù)據(jù)分段回傳至岸基實驗室。

兩型準實時傳輸潛標系統(tǒng)設計集成 1臺抗污染CTD、19臺感應耦合傳輸溫鹽深測量儀(ICTD)、8臺感應耦合傳輸溫度測量儀(IT)、4套帶感應耦合傳輸?shù)?5 kHz聲學多普勒剖面流速儀(IADCP)、1套單點海流計和 6臺感應耦合數(shù)據(jù)傳輸儀(Inductive Cable Coupler, ICC), 可實現(xiàn)深達2 000 m的剖面溫鹽深和海流等海洋要素的高頻率、多要素、多層次的長期連續(xù)觀測和數(shù)據(jù)準實時獲取, 以便對科學問題解決和海洋環(huán)境安全保障做出貢獻。

兩型準實時傳輸潛標系統(tǒng)的具體工作流程如圖3和圖4。其具體技術指標見表1。

圖3 半潛升降式準實時潛標工作流程圖Fig. 3 Flow chart of the functions of the semi-submersible lifting quasi-real-time-communication submerged buoy

圖4 浮子式準實時潛標工作流程圖Fig. 4 Flow chart of the functions of the floating quasi- real-time-communication buoy

表1 準實時傳輸潛標系統(tǒng)技術指標Tab. 1 Technical mooring parameters

2 關鍵技術與創(chuàng)新點

深海數(shù)據(jù)的實時傳輸對海洋預報系統(tǒng)的完善和科研成果的加速產出意義重大, 我國雖然突破了近海和大洋水下數(shù)據(jù)實時傳輸這一“卡脖子”技術, 實時數(shù)據(jù)成為海洋預報和保障系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源頭, 但還存在3個關鍵環(huán)節(jié)急需突破。

1) 基于科學需求和國產觀測設備規(guī)模化應用的深海準實時潛標系統(tǒng)總體方案設計： 根據(jù)不同的科學目標應用需求, 和大批量集成應用國產 CTD、ADCP、單點海流計、聲學釋放器等觀測儀器設備, 科學合理研究制定兩型準實時傳輸錨系觀測潛標系統(tǒng)總體方案。重點解決深海復雜錨泊系統(tǒng)水動力優(yōu)化設計、批量國產觀測儀器設備集成、大深度多節(jié)點觀測數(shù)據(jù)準實時通訊、系統(tǒng)可靠性和低功耗等關鍵技術, 滿足觀測應用需求。每型準實時傳輸錨系觀測潛標系統(tǒng)包括支撐載體(3個水下流線型浮體、1套通訊浮子和半潛式水下絞車等)、錨泊纜系(電轉環(huán)、張緊錘、深水浮球、釋放回收單元、包塑鋼纜和凱夫拉繩等)、觀測傳輸單元(剖面溫鹽深、剖面海流、感應傳輸系統(tǒng)和實時通訊裝置)和陸基支撐系統(tǒng), 國產化率 95%以上, 可為批量國產觀測儀器提供長期系統(tǒng)的科學觀測應用和比測試驗平臺。

2) 大深度剖面溫鹽流多要素同步測量和數(shù)據(jù)實時傳輸技術： 根據(jù)深海潛標剖面溫鹽流多要素同步測量和數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)男枨? 突破輕型感應傳輸纜制作、大深度高可靠感應傳輸和多方式衛(wèi)星通訊等,實現(xiàn)多設備同步測量, 并將整個剖面的觀測數(shù)據(jù)實時傳到海面后傳回岸站。兩種類型的準實時潛標剖面最大觀測水深2 000 m, 各集成20套CTD、8套單點海流計, 4套ADCP和1套單點海流計, 溫鹽深和海流觀測同步測量采樣周期1 h, 同步測量時間誤差小于30 s, 衛(wèi)星通訊頻次不小于2 次/d, 其中, 半潛升降式準實時通訊潛標借助于半潛升降式絞車每天通訊 2 次, 浮子式準實時通訊潛標依托始終漂浮于海面上的通訊浮子, 每隔4 h進行一次數(shù)據(jù)通訊。

3) 深海準實時潛標系統(tǒng)可靠性技術： 根據(jù)深海潛標安全可靠布放、回收和長期(不小于半年)可靠在位運行的需求, 重點解決深海浮體和輕型錨系系統(tǒng)在位運行可靠性、半潛式絞車智能升降、水聲通信可靠性、聲學釋放器可靠性、通信浮體運行可靠性、衛(wèi)星通信可靠性、安全布放回收方案設計等關鍵技術, 實現(xiàn)潛標系統(tǒng)安全可靠布放、回收和長期可靠在位運行。

此系統(tǒng)設計的創(chuàng)新點體現(xiàn)在以下方面：

(1) 國內首次基于多方式實現(xiàn)準實時通訊的兩型錨系潛標系統(tǒng)設計： 在深海自容潛標的基礎上,結合海洋科學研究和環(huán)境安全保障需求, 應用半潛式智能升降平臺、高可靠通訊浮子和水下定時發(fā)射通訊浮子等多種數(shù)據(jù)準實時傳輸技術, 設計了兩型深海準實時通訊錨系觀測潛標系統(tǒng), 實現(xiàn)深海觀測數(shù)據(jù)準實時傳輸。其中, 半潛升降式準實時通訊錨系觀測潛標系統(tǒng)適用于非安全區(qū)域, 主要用來研究臺風傳播機理和及其對海洋環(huán)境的影響, 其通訊浮子長時間潛伏水下, 在需要通訊時, 通過子浮體上水聽器對海面進行噪聲檢測, 并結合壓力信號, 檢測海面海況。若安全, 通訊浮子浮出水面進行數(shù)據(jù)通訊, 通訊完成后, 又潛伏水下隱藏, 大大增加了系統(tǒng)的安全性。浮子式準實時通訊錨系觀測潛標系統(tǒng)適用于相對安全的海區(qū), 主要對海洋中尺度渦現(xiàn)象進行觀測, 通訊浮子一直漂浮在海面, 隨時可以進行海陸間數(shù)據(jù)通訊, 同時, 在水下的主浮體上, 還裝有若干定時通訊浮子, 若海表面通訊浮子受到破壞,則定時釋放水下定時通訊浮子, 以確保數(shù)據(jù)的準實時傳輸。

(2) 國內首次開展2 000 m剖面的多要素同步測量和實時傳輸技術研究： 國內首次采用具有自主知識產權的高可靠承拉導電轉環(huán)、高可靠輕型感應耦合傳輸纜、感應耦合傳輸 CTD、感應耦合數(shù)據(jù)傳輸儀等技術裝備, 開展感應耦合傳輸信道特征參量與海洋環(huán)境影響關系研究, 進行低溫、高壓等深海環(huán)境下感應耦合傳輸信道參量優(yōu)化, 解決多傳感器同步采集、微弱信號提取、智能化編碼和調制解調、多傳輸節(jié)點傳輸時序等關鍵技術, 實現(xiàn)大深度多節(jié)點水下溫鹽深流多要素觀測設備同步測量, 并將整個剖面的觀測數(shù)據(jù)實時傳到海面后傳回岸站。

(3) 國內首次實現(xiàn)基于潛標實時觀測系統(tǒng)的雙向智能通訊、加密觀測和數(shù)據(jù)質控： 根據(jù)自主深海潛標系統(tǒng)對臺風過境與內孤立波等科學現(xiàn)象觀測、防災減災等應用需求, 本設計在國內首次開展了基于潛標系統(tǒng)的智能雙向通訊、智能加密觀測、觀測儀器設備運行狀態(tài)監(jiān)控、觀測數(shù)據(jù)質量控制等關鍵技術研究, 確保了觀測數(shù)據(jù)質量, 實現(xiàn)了科學研究與業(yè)務應用觀測需求。

(4) 國內首次實現(xiàn)基于潛標系統(tǒng)國產設備的大批量應用： 首次基于深海錨系觀測平臺大批量集成應用國產CTD、ADCP、單點海流計、聲學釋放器等儀器設備和深海潛標浮體等國產潛標主要部件, 國產化率 95%以上, 應用國產新型防生物附著等技術,為批量國產觀測儀器提供長期系統(tǒng)的科學觀測應用和比測試驗平臺, 目標實現(xiàn)國產儀器實用化。

3 感應耦合CTD設備集成測試

為檢驗輕型感應耦合傳輸纜、水下長距離通信纜、國產感應耦合儀以及國產CTD設備的工作性能,組成了深海實時傳輸潛標系統(tǒng)并進行了深海測試,其結構如圖5所示。

圖5 國產感應耦合CTD深海實時潛標測試系統(tǒng)Fig. 5 Diagram of the domestic deep-sea real-time submarine test system inductively coupled CTD

如圖 5所示, 深海實時傳輸潛標測試系統(tǒng)由海面通信浮體、水下長距離通信纜、浮力浮球、主浮體、輕型感應耦合傳輸纜、感應耦合傳感器(5套感應耦合CTD和5套感應耦合溫度儀)和感應耦合儀等構成, 10套感應耦合傳感器實現(xiàn)水下350 m到1 000 m多的溫鹽深剖面觀測, 并將觀測數(shù)據(jù)依靠感應耦合傳輸?shù)姆绞絽R集到主浮體內的數(shù)據(jù)采集艙, 而后通過水下長距離通信纜以有線的方式傳送給海表面通信浮體, 由其借助衛(wèi)星通信方式傳回岸站。此系統(tǒng)所有設備和傳感器均為國產。借助中國科學院海洋研究所2018年西太平洋實時科學觀測網航次, 該系統(tǒng)于2018年12月14日由“科學”號科考船成功布放,持續(xù)開展穩(wěn)定工作。于 2019年底進行了系統(tǒng)回收,感應耦合溫度和感應耦合溫鹽深傳感器工作穩(wěn)定,數(shù)據(jù)獲取率達到99.6%, 有效數(shù)據(jù)占比達到99.8%。數(shù)據(jù)連續(xù)性和穩(wěn)定性較好。

后續(xù)將增加集成國產化的系列儀器設備： 水下驅動機構、潛標主浮體、ADCP、單點海流計和聲學釋放器等, 構成兩型準實時傳輸潛標系統(tǒng), 進行整體系統(tǒng)測試和應用。

4 總結

基于實時傳輸潛標觀測的重要性和國產海洋觀測儀器的不足, 我們計劃通過研發(fā)多層溫鹽深準實時集成觀測技術、大深度長距離海流觀測技術、深海聲學釋放技術和半潛式水下升降與實時傳輸技術等準實時傳輸深海剖面錨系觀測潛標系統(tǒng)相關的多種技術與裝備, 從而形成兩型具有自主知識產權的準實時傳輸深海剖面錨系觀測潛標系統(tǒng), 為深海大洋科學研究和海洋環(huán)境安全保障等提供數(shù)據(jù)支撐,也將為我國應對氣候變化以及為防災減災提供技術支撐, 具有重要的科學價值和社會效益。