海底观测系统技术进展与发展趋势①

晏庆 崔浩贵 张晓 刘冰

(91001部队 北京 100841)

海洋自古以来就与人类的生产、生活及军事活动密切相关。海底观测系统作为海洋科学和技术的重要组成部分，在维护海洋权益、开发海洋资源、预警海洋灾害、保护海洋环境、加强国防建设、谋求新的发展空间等方面起着十分重要的作用，也是展示一个国家综合国力的重要标志。

1 海底观测系统概述

根据不同的技术实现方式，海底观测系统可以分成海底观测站、观测链和海底观测网络，海底观测网络在海底观测系统中功能最强大、实时性最好、技术含量最高[1]。

海底观测网络由岸基站、接驳盒、观测仪器以及海底光电复合缆组成，可搭载水下传感器、水听器阵列和智能锚系等各类探测设备。岸基站是整个海底观测系统的控制中心，负责实时监控整个系统的正常运行，并为海底观测设备提供高压电能，负责接收、分析、处理收集的观测数据。接驳盒是水下的一个中枢，其功能是将骨干网光电复合缆传来的电能进行转换，分配给不同的观测仪器，同时负责基站和观测仪器之间数据交换。接驳盒还可为水下观测设备模块提供湿插拔接口。观测仪器可根据系统所承担的功能来选择安装。骨干网光电复合缆不仅用于通信，还负责各设备之间的联接和电能传输。根据实际需要，局部观测系统还可以通过子网节点形成扩展的观测系统，通过光纤将接驳盒与骨干网上的某个节点连接起来。

2 海底观测系统现状

2.1 国外发展现状

随着海洋事业的发展和海洋军事战略地位的提高，世界各国普遍意识到水下信息网的重要作用，也陆续建设了一些项目。比较有代表性的主要有：日本的ARENA计划、DONET、S-net观测网，加拿大的VENUS、NEPTUNECanada，美国的LEO-15、MVCO、MARS、OOI和欧洲的EMSO观测网。

2.1.1 日本海底观测系统

2003 年，日本提出建造先进实时海底区域监测网（Advanced Real-time Earth monitoring Network in the Area,ARENA），计划使用3600km光电复合缆，每隔50km设置1个观测节点，将66个观测节点呈交织网状敷设在海底，涉及到水深6000米地海域。整个系统拓扑结构为网状，具有扩展性。

后来日本又提出在日本以南海域分期建造地震和海啸海底观测密集网络（Dense Oceanfloor Network System for Earthquakes and Tsunamis,DONET）观测网取代了日本的ARENA计划，主要用于地震、海啸等自然灾害的监测和预警。2011年，第一期DONET1在日本以南海域建网完成。该系统采用海底光电复合缆连接组网，包含5个分支单元、5个科学节点，提供了40个观测接口，目前连接了20个观测点，观测点之间相距为15～20km。目前第二期DONET2也已基本完成，具有2个海岸基站、7个海底主基站和29个观测节点，并在DONET1上增加了两个观测节点，已与DONET系统组成网状拓扑结构[2]。

此外，2011年东京大地震后，日本立项建设的海沟海底地震海啸观测网(Seafloor observation network for earthquakes and tsunamis along the Japan Trench, S-net）也即将全部建成并投入使用，其具有6个海岸基站，共150个相距30～50km的地震海啸观测节点，海缆总长达5700km，其采用DONET类似的组网技术。S-net为目前全球规模最大的海底地震海啸观测网。

2.1.2 加拿大海底观测系统

加拿大维多利亚海底试验网(Victoria Experimental Network Under the Sea, VENUS)是加拿大维多利亚大学建设的缆系海底观测网络。它主要包括2个独立的观测系统部分组成，Saanich湾部分包含1个节点，位于水深96m处，由3km光电复合缆同岸站连接，于2006年建成；Georgia海峡部分共包含2个节点，分别位于水深170m和300m处，由40km光电复合缆同岸站连接，于2008年建成。该观测网的目的主要集中在海洋动力环流模式；大洋变化的修复；次级生产力对环境的反应；鲸的行为和声学污染；底栖生物群落的反应；海底稳定性、侵蚀和沉积；生态系统反应的早期预警等[4]。

加拿大西北太平洋时间序列观测网(North-East Pacific Time-Series Underwater Networked Experiment, NEPTUNECanada)是目前全球最大缆系深海海底观测网络，也是全球第一个区域性观测网络。它通过800km的海底光电复合缆连接形成环路，共包含5个海底主节点，主节点可拓展出多个次节点，目前观测设备数量超过138个。

2.1.3 美国海底观测系统

1996 年，美国的伍兹霍尔海洋研究所（WHOI）在距美国新泽西州塔克顿9km处设计建造的长期生态观测站(Long-term Ecosystem Observatory at 15 meters, LEO-15)的运行，标志着现代由海底光电复合缆连接海底观测网络时代的开始。该系统水下包含2个节点，节点部署在水深15m的海底，相距约1.5km，节点与岸基设备通过9.6km的海底光电复合缆连接。节点上挂接了CTD、ADCP、光学背反探头等各种传感器，实现了连续实时的海洋环境观测。

2000 年，伍兹霍尔海洋研究所（WHOI）建立的马萨葡萄园岛海岸观测站(Martha’s Vineyard Coastal Observatory,MVCO)，以观测近岸风浪作用下沉积搬运和海岸侵蚀等物理过程为主，水下包含2个节点，采用海底光电复合缆同岸站连接，距岸约1.5km，水深分别为12m和15m[5]。MVCO使科学家可以直接连续观测海岸带区域在各种环境条件下的环境参数，包括北大西洋强烈风暴的观测、海岸侵蚀、沉积物输运和海岸带生物过程[6]。

2007年3 月，蒙特雷湾水生研究所（MBARI）成功建立了蒙特雷湾加速研究系统（Monterey Accelerated Research System, MARS）。MARS是一个布放在水深约891m的科学节点网络，主缆长约52km，共提供8个湿插拔端口用来连接海底观测设备[7]。MARS的建设目的是为试验新的观测设备、传感器技术和ROV作业能力，为美国海洋观测计划（OOI）提供测试基础。2008年维修后，MARS正式运行。目前该观测网由MBARI管理和维护。

2016 年，美国国家科学基金会正式启动运行大型海洋观测计划(Ocean Observatory Initiative, OOI)。美国OOI观测网由83个实验平台、830多个仪器组成，可提供10万多个科学与工程数据，其主要科学主题是海气交换、气候变化、大洋循环、生态系统、湍流混合、水岩反应、洋中脊的各种过程、地球内部构造和地球动力学等[8]。OOI可分为区域网（RSN）、近岸网（CSN）和全球网（GSN）三大部分。其RSN为缆系观测网，是OOI中技术难度最大的部分。现阶段RSN总长约为900km，在3000m水深范围内共布设7个海底主基站。

2.1.4 欧洲国家海底观测系统

本世纪初欧洲提出的欧洲多学科海底及水体观测系统(European Multidisciplinary Seafloor Observatory, EMSO)观测网计划包含十多个观测子网，将覆盖北冰洋、大西洋、地中海和黑海等，其科学目标是监测岩石圈、生物圈、水圈以及自然灾害等[9]。EMSO观测网的最大水深超过5000m，初步估计海缆总长达5000km以上，包含11个深海节点和4个浅海试验节点，节点部署覆盖欧洲主要水域，从北冰洋穿过大西洋和地中海，一直到黑海[10]。

2.2 国内发展现状

我国在海底观测这方面的工作起步很晚，相关技术研究基础相对薄弱，不过我国紧跟国际发展趋势，也开展海底观测技术的研究，取得了一些成果。

2009 年，同济大学在我国东海建立了首个单节点缆系海底观测系统小衢山实验系统，采用1.1km光电复合缆与水下节点连接，水下节点包含3个端口，挂接的海底设备为CTD、ADCP和浊度仪。

近年，我国台湾地区提出并已开始建设妈祖（MArine Cable Hosted Observatory，MACHO）观测网。它的最初建设目标是监测外海地震、海啸和紧邻台湾的南冲绳海槽海底火山活动，实现灾害预警和防灾减灾[11]。2011年建成的MACHO观测网一期工程，海缆长约为45km，水深300m处有一个海底主基站，海底仪器有宽频海底地震仪、加速度地震仪、水听器、海啸压力计传感器和CTD。未来MACHO观测网将逐渐延伸，形成环型拓扑，并将增加至4个海底主基站。

2013年5 月，中科院南海海洋所联合沈阳自动化所和声学研究所在海南三亚海域共同建成南海海底观测实验示范网。这是我国海底观测网络建设的一次先导性实验，该项目在海底观测网技术、装备、运维等方面积累了一定经验。

“十二五”期间，中科院声学所也在南海进行了海底观测网试验系统的建设，该系统主要用于对南海海底的探测，以及水中目标的监视。

2017年3月，国家发改委批复《海底科学观测网国家重大科技基础设施项目建议书》。该项目由同济大学牵头进行统筹协调，同济大学和中国科学院声学研究所共同作为项目法人单位完成。建设目标是在我国东海和南海关键海域建设基于光电复合缆连接的海底科学观测网，实现对我国边缘海典型海域从海底到海面全方位、综合性、实时的高分辨率立体观测；在上海临港建设监测与数据中心，对整个海底科学观测系统进行监测与数据存储和管理。

3 海底观测系统的关键技术

3.1 海底接驳技术

海底接驳技术是海底观测系统中一项至关重要的技术，它是在海底光电复合缆和各观测仪器中对电能和数据信号进行集中处理和管理的中间环节。海底接驳关键技术包括水下湿插拔接口技术、电能的转换分配技术、内部通信技术和小型化设计等。

3.2 电能供给技术

电能供给就是要通过基站将电能输送到海底观测网络中，为水下仪器供电。在整个海底观测系统中，电能供给系统的设计和建造举足轻重。在海底观测系统中，一般采用高压直流输配电技术，有利于减少电能的损耗。电能供给技术是海底观测系统必须解决的关键技术之一。

3.3 海底观测系统布放与维护技术

鉴于海洋的特殊工作环境，水下设备容易受到渔船作业或船只抛锚等人为外力影响和自然因素影响而受到破坏，如何提高水下设备的生存性和安全性是目前遇到的最迫切需要解决的问题。因此，海底观测系统的布放及维护施工技术是必须解决的关键技术。在深海海域中，海底光电复合缆一般采用直接敷设的方式施工。在浅海海域，海底光电复合缆一般采用埋设方的方式施工。埋设施工的方法主要有开沟法、水喷式埋设施工法、多刀犁式埋设施工法和ROV冲埋法。接驳盒是海底观测系统的核心组件之一，将其安全、可靠地投放并且安装在几千米的海底也是一项非常重要而且必须认真对待的工作。

4 发展趋势和面临的挑战

我国是一个海洋大国，有300多万平方公里的经济专属区和18000多公里的海岸线、海洋环境监测技术，特别是海底观测系统技术具有广泛的应用前景。它不仅拥有巨大的经济价值，还有重要的军事利益。海底观测系统是一个系统工程，涉及的技术领域很多。我国的海底观测系统正处于起步阶段，应逐步开展工作。首先，应重点突破几项核心关键技术，进行系统研究，然后建设1～2个比较大的海底观测系统，为以后的运行和维护积累经验，为我国海底观测系统发展奠定坚实的基础。

目前，我国的海底观测系统技术应重点关注以下几个方面：

（1）加强水下设备的可靠性研究，重点是水下接驳盒和湿插拔组件可靠性；

（2）突破远程电能传输关键技术，主要是海底负高压直流输配电技术和远程电力监控和故障隔离技术；

（3）加强海底远距离信息传输技术和数据挖掘、信息融合关键技术研究；

（4）加强海底观测系统工程施工和维护问题研究，主要是海底光电复合缆的故障探测与定位，修复后的再埋设问题，还有ROV技术的研究。