深海垂直剖面实时监测潜标系统

蒋平+喻剑

摘 要：深海垂直剖面实时监测潜标系统通过升降平台的浮力调节，实现其沿系留钢缆的上下往复式运动，搭载的水文传感器能够在设定的海洋剖面上，对温、盐、深、流等水文数据进行测量和存储，并可以通过水声通讯和卫星通讯实现实时传输。本文介绍了潜标系统的设计与实现，并通过试验数据表明潜标可以满足使用要求。

关键词：浮力调节；升降平台；潜标系统

0 引言

海洋环境监测和资源调查中，经常需要对海洋水体中不同剖面参数（如温度、盐度、流速、内波和光学特性量等）的测量，作为海洋开发研究与军事海洋学研究的基础。传统的海洋监测平台，一般都是通过建立海洋观测站，或是通过海洋调查船来投放监测潜标并保证运行，通常只能在较为离散的海洋剖面获取数据，无法实现连续剖面观测和数据实时传输，并且工作时间有限，在复杂的海洋环境中系统投入、运行以及维护的成本很高，回收难度较大。

1 系统工作方式

深海垂直剖面实时监测潜标的组成主要有：主浮体、锚泊系留装置、升降平台、水声通讯机和通信浮标等，其组成及工作状态示意图见图1。

主浮体为整个锚泊系统提供正浮力，保证海洋远海深水状态下的动、静态稳定性；

锚泊系留装置利用重力锚和抓力锚将系留缆固定在海底，通过主浮体的浮力使系留缆和包塑钢缆绷直；

升降平台沿包塑钢缆进行定点垂向往复式运动，搭载海洋环境测量传感器，实现对海洋水文环境参数的实时测量；

水声通讯机和通信浮标的作用是将升降平台的运行状态和测量传感器实时测量到的数据，通过水声通讯和卫星通讯方式发送至岸站接收，实现潜标“实时监测”功能。

2 系统功能

深海垂直剖面实时监测潜标系统应具备的功能如下：

（1）潜标系统应保证在海洋远海深水状态下的动、静态稳定性，具有小阻力水平安装平台特性，能够为海洋仪器设备正常工作提供稳定的平台；

（2）可搭载仪器舱、安全报警装置等设备，能对外提供电源接口和通讯接口；

（3）能够根据深度传感器数据来判断所处的海区深度，进行升降模式切换、浮力调节控制和平台在垂直剖面上运行速度的自适应调整及定点悬停；

（4）即能够通过水声通讯和卫星通讯与外界进行实时数据传输，又能够进行大容量的数据存储；

（5）系统具有低功耗和高可靠度，能在100～1500m深度范围内可靠工作1年或升降运行800km行程。

3 系统设计

3.1 主浮体

主浮体的主要功能是为整个系统提供足够的正浮力，并保证在海洋远海深水状态下的动、静态稳定性，外形采用流体动力学理论设计，头部为标准的球头，尾部为圆锥台，为低阻力带翼细长水滴形和水平系留方式，采用在金属框架上填充玻璃微珠浮力材料，耐压强度大于10MPa。

3.2 锚泊系留装置

潜标系统采用单点绷紧型系留装置，利用重力锚和抓力锚将系留缆固定在海底，通过主浮体及玻璃浮球的浮力使系留缆绷直，升降平台沿着此段包塑钢缆进行垂向往复式运动。

锚泊系留装置由包塑钢缆、Kevlar缆、三叉系留索、阻挡装置、锚装置、玻璃浮球、声学释放器及连接卸扣、转环、锚链等组成。包塑钢缆与三叉系留索相连，声答释放器串联在系留索靠近锚的位置，距海底适当距离。

3.3 升降平台

升降平台是潜标系统的执行机构和控制中枢，即要为海洋环境测量传感器提供搭载平台，实现对海洋水文环境参数的实时测量，又要通过浮力调节功能实现定点垂向往复式运动，提供剖面测量路径。升降平台外部为低水阻、密封的耐压壳体，能实现水下工作时对内部设施设备的保护。

升降平台如图3所示，分为浮力调节平台和能源供给平台两部分。浮力调节平台为整个系统的执行机构和控制中枢，主要包括浮力调节系统、方向翼和RCM，其中浮力调节系统是升降平台的核心，由电机、控制器、电磁阀、传感器、液压泵、油箱、耐压壳体和油囊等组成，其功能是按照既定的工作流程，在设定的工作深度，通过控制液压系统动作，使油囊密闭空腔充油或排油来改变平台的浮力，从而实现平台低功耗的升降运动。

能源供给平台的主要功能是给整个平台提供电源，内含高能量密度的亚硫酰氯柱式电池，确保平台能在海上运行不小于1年，升降运动总行程不低于800km。两部分通过导索件固连在一起；导索件中间有导索座，保证升降平台可以沿包塑钢缆灵活上下移动。

4 系统软件

系统软件的主要功能是控制平台根据预置的的海区深度参数，在该深度范围内进行往返的垂直运动，当平台运行到到达指定的剖面时，进行水文数据采集并记录，一个周期内的软件工作时序由图4所示。

系统软件编译环境为KEIL UVISION 4，采用C语言和汇编语言混合编写。在软件实现方面，因为基于STM32的嵌入式芯片是面向应用层的成熟芯片，具有功能齐全的库函数，因此在USART通信、AD转换、SPI、SD存储等软件接口均可直接调用库函数，经过简单的配置就可实现软件功能。

5 工作情况

深海垂直剖面实时监测潜标系统设计完成后，为了检验整个系统的工作状态，2016年2月在南海进行了功能性试验，实际布放的海区深度约为1600m，考虑工作安全性，通过锚系配置，使潜标实际工作水深为200～1500m。

试验结果表明，经过长时间多个剖面的工作，潜标系统按既定流程垂直上浮、下潜，整个平台运行速度较为稳定，主要功能部件工作正常，搭载的水文测量仪器等设备工作正常、可靠，未出现故障，可有效进行水文数据采集和海洋监测，满足深海垂直剖面实时监测潜标的系统设计需求。

6 结束语

对于我国这样一个有着300万平方公里的海洋領土的国家而言，海洋监测有着非同一般的的战略意义和经济意义，只有通过建立起一整套覆盖多海域、不同深度、立体的观测体系，才能获得准确、全面的水文观测数据。目前，在定点水文观测站、水下滑翔机等已经初步具备工程应用条件的监测平台中，深海垂直剖面实时监测潜标优势明显，其功耗低，可承担长时间工作任务，可在不同深度进行悬停测量，且无人值守，不易受气候、洋流影响，并可搭载多种仪器设备、布放回收可靠，是获得海洋环境要素数据的有效手段。随着我国海洋科研的发展，垂直剖面实时监测潜标的需求将不断增长，将在资源勘探、气象监测、军事等领域发挥重要的作用。

参考文献

[1] 徐良波，朱旭，郭文生.定点垂直升降剖面测量系统 [J]. 数据采集与处理.，2008（z1）：54-59.

[2] 邓云，姜飞等.实时传输潜标平台中的深海海流观测系统设计[J].气象水文海洋仪器，2012（12）： 69-72.

[3] 李飞权，张选明等.海洋潜标系统设计和应用[J]. 海洋技术，2004，23（1）：17-21.