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海洋环境监测平台技术

作者:admin 发布日期:2020-07-04 关注次数: 二维码分享
    海洋环境监测平台技术主要是指以海洋环境监测为目的,为满足海洋环境监测所需的传感器以及仪器装备工作条件和使用环境而提供的不同平台技术,海洋环境监测平台主要包括岸基台站、浮标、潜标、海床基、水下移动平台、天基和空基、船基等,是实现海洋监测重要保障载体。从20世纪初的岸基台站、船基的初步应用到锚系浮标研制成功,如今潜标、海床基、水下移动平台、天基和空基等技术的发展,目前海洋环境监测平台已成为海洋环境监测的重要保障,大部分平台技术已较为成熟,在海洋环境监测的业务化运行方面发挥着重要作用。
1.岸基台站
    岸基海洋站技术是在沿海海滨或近海岛礁实现海洋环境监测的技术,是发展最早、最为成熟的海洋环境监测平台技术。美国、欧洲和日本等发达海洋国家的海洋平台技术处于世界领先水平,应用广泛,功能仍在不断完善。
    海洋发达国家岸基台站主要用于开展潮汐、海洋气象、波浪、水温和海流观测。如美国研制的岸基台站上可以实现潮汐、气象、水文等要素的监测,所建设的岸基台站分布于沿岸、岛礁、灯塔和码头,组成国家潮汐、气象、波浪、水温和海流监测的监测网。这些岸基台站基本实现了自动化无人观测,在部分岸基台站上布设了高频地波海洋监测雷达,覆盖范围涵盖美国东西海岸,实现了监测范围内的海洋环境监测。我国岸基台站技术相对也很成熟,布放在沿海岛礁、港口码头,分布在我国沿海岸线,实现水文、气象、波浪、海流等要素的监测。
    岸基台站技术未来将以多功能化、工作时间长期化、维护成本低廉化为目标,在相关的保障技术及可靠性方面进行长期的技术攻关和产品研制。

2.浮标和潜标
浮标
    浮标包括锚系浮标和漂流浮标。锚系浮标是实现海洋动力环境、气象及海洋生态化学要素长期连续观测的主要平台技术,具有采集数据持续、能够长期稳定监测数据等特点;漂流浮标是随海流漂流、自动连续采集海洋水文、气象、海流等要素数据的小型浮标,具有体积小、重量轻、不受人为限制等特点。
    锚系浮标技术相对成熟,浮标产品种类齐全、测量项目多、海上生存能力强。随着海洋监测需求的发展,有针对性地研制了各种专用化、小型化浮标,如美国国家资料浮标中心(NDBC)研制的锚系浮标主要有三种:用于几百至几千米水深海域的直径为10和12 m的大型圆盘浮标和6 m圆盘形、船形中型浮标,以及用于近海监测的3 m圆盘形小型浮标。近年来浮标技术的发展主要集中在供给电源的改进和技术研究方面,如美国、意大利、以色列、韩国等国研发了波浪能发电、太阳能及温差能等混合供电的新型能源浮标。
    漂流浮标技术以拉格朗日漂流(SVP浮标)技术为主,研究经久耐用、成本低廉、投放方便的漂流浮标是该技术的发展焦点。同时研究满足特殊需求的特种漂流浮标是发展主体,如近期为满足海洋气象学研究的需求,研制出了可测气压的气象漂流浮标、风速风向漂流浮标以及可同时测量风速、风向、气温、气压和表层水温及加速度,且加装了Argos发射机和GPS的多功能漂流浮标等。
浮标平台技术的发展由结构形式的优化逐步转向功能专业化以及对浮标内部的数据采集、数据传输、主控、电源等部分进行改进,呈现出通信手段多元化、组成模块标准化、供给电源多方式化等特点。
潜标
    潜标主要位于水面以下,用以对海洋环境实现长期、定点、连续、多层次、同步的观测,具有隐蔽性好、不易被破坏的优点。对潜标技术的研究始于20世纪60年代,初期的潜标是在单点绷紧型系留系统上分层悬挂各类自容式传感器。近年来,潜标技术向在水下可上下运动、实现自动剖面测量等方向发展。已开发出的潜标按驱动形式分为水下绞车式、电机驱动沿锚系缆爬行式和净浮力式等3种,可实现海洋剖面的实时观测。如由加拿大、美国等国合作研制的SeaCycler等水下绞车式潜标技术可实现在5.5 m波浪海况下系统工作正常,并进行数据传输;由俄罗斯和德国研制的基于电机驱动和基于浮力驱动的新型潜标在技术方面处于领先地位。
    我国在该领域发展较晚,目前尚处在仿制阶段,关键的核心技术尚未取得突破。未来潜标技术将向生存能力更强、测量参数更多等方向发展。

3.海床基
    海床基技术是一种海底平台技术,其技术核心包括平台的布放、回收、数据通信及安全等技术。海床基在对海底原位观测中,具有工作持续、生存稳定的特点。海床基技术的研究较早,美国伍兹霍尔研究所研发了ROLAI2D系统,在百慕大海域应用于4400 m深海底观测;NOAA的DART系统利用坐底式监测设备和水面气象浮标进行海啸监测与预警;美国NeMO海底观测系统布放在1600 m水深的火山热液口附近,通过多种仪器监测海底火山活动现象;法国的海洋研究所研制的MAP坐底式平台装有沉积物捕捉器、浊度计、海流计等设备,是欧洲深海水动力和沉积作用研究中的重要装备。
    海床基技术经过几十年的发展已基本成熟,很多国家推出了多种商业化的海床基平台产品,这些平台结构简单,尺寸、重量都较小,具有操作较为灵活,易于进行海上布放、回收作业的特点,可搭载ADCP等多种传感(仪)器。近年来,深海海床基产品向模块化发展,模块之间可通过水声进行通讯,突破了海床基系统空间范围的局限性。
该项技术我国起步较晚,同济大学、浙江大学等高校及研究机构对海床基研发形成的示范系统尚在测试中,开发出的新技术在该系统中得到验证和技术推广。

4.海洋水下移动平台
    海洋水下移动平台包括自治式水下航行器(AUV)、水下滑翔器(AUG)、无人遥控潜器(ROV)、载人深潜器(HOV)、自持式剖面探测系统(Argo)等。海洋水下移动平台技术由于其灵活、机动的特点而得到广泛关注。
自治式水下航行器
    自治式水下航行器是一种可以设定航线自主航行的水下移动式平台,具备高机动性性能,可搭载侧扫声纳、成像声纳等复杂传感器或仪器,多用于水下指定目标区域的海洋环境监测。在自治式水下航行器技术方面,世界各国在续航、速度、结构、隐蔽性等方面进行技术升级,也在向多功能、新功能方向发展,如美国研制的鱼形和水母型仿生型自治式水下航行器,具有运动灵活自由、续航能力强等特点。目前,国外的自治式水下航行技术已经趋于成熟,产品性能较为稳定,美国、挪威、英国、冰岛等国研制的产品已有的100多种类型,占据国际主要市场。美国研制的大型自治式水下航行器,用于部署、回收设备和有效载荷,收集和传输各种类型信息,追踪水下或海面目标等,续航能力达到了2000 km。中国科学院沈阳自动化研究所、哈尔滨工程大学等机构研制的自治式水下航行器已经在水下6000 m处实现了24 h或100 km的自主航行,可搭载浅地层剖面探测仪等仪器设备。但目前我国仿生自治或大运载、长时间续航能力的水下航行器仍处于研发阶段,未来将向仿生鱼航行器、多功能新型自治式水下航行器、大型潜水员输送自治式水下航行器等方向发展。
水下滑翔器
    水下滑翔器是一种以浮力为动力、在水下以锯齿形航线航行的自治式观测平台,可搭载温、盐、深等多种传感器,可用于大范围海洋水下环境参数连续观测。美国最早开始水下滑翔器的研发,目前拥有最为成熟的技术,研制的产品在世界范围内已广泛用于海上溢油追踪、飓风预警和军事活动等。美国还研发出了由波浪起伏带动的水面浮艇上下运动和由改变自身净浮力产生的升沉运动作为升力来源的波浪能滑翔器。波浪能滑翔器核心技术是电源供给和姿态平衡控制,体现在航速、续航能力和海况适应能力上。因此,波浪能滑翔器技术主要是外形研究、电源供给技术和导航技术。法国、英国、日本等国家早就开展了各类水下滑翔器技术的研究。中国科学院沈阳自动化所研制的Sea-Wing工作水深1000 m、续航时间40 d,天津大学研制的“海燕”工作水深1500 m、续航时间30 d,航程均超过了1000 km,标志着我国已基本掌握水下滑翔器技术,即将达到实用化装备水平。水下滑翔器未来将向具有混合推进器、持续能力更强、运动控制更高效、搭载传感器负荷能力更强等方向发展。
无人遥控潜器
    无人遥控潜器是一种通过脐带缆与母船连接获取能源和控制信号在水下作业或观测的平台。无人遥控潜器在人工控制下,可在海洋大深度和其他危险区域执行复杂操作,具有独特的优势。目前,国际上商业化无人遥控潜器产品的工作水深大多可到3000 m,技术较为成熟的美国、日本、俄罗斯、法国等少数国家,具备研制6000 m及以深潜器的能力,但更大潜深的水下潜器处于试验测试阶段,尚未得到推广应用,最大潜深可达约11 000 m,实现了全海深探测和作业。我国上海交通大学研制的ROV“海马”、“海龙”作业水深均达到了4500 m和11 000 m,715所研制的定型ROV也可达5000 m。未来无人遥控潜器将向更深更复杂海洋环境下能生存并执行任务、更大载重能力等方向发展。
载人深潜器
    载人深潜器可以把人送到深海底附近,在目标区域进行海洋环境监测,在某些特殊情况下具有无人平台无法代替的优势。目前,全球共有数百台载人深潜器广泛应用于海洋环境监测、海洋调查和安全作业。其中能够下潜到 1000 m或更深的地方工作的载人深潜器分别产于美国、中国、日本、俄罗斯、法国等国。美国的阿尔文号额定最大潜深 4500 m,目前属于WHOI的“深海挑战者号”在马里亚纳海沟下潜到10 908 m。日本的“新海6500号”最大潜深6500 m,可载3人,曾保持世界最深载人科考下潜25年的记录。此外,著名的深海HOV还有法国海洋研究院的鹦鹉螺号和俄罗斯希尔绍夫海洋研究所的和平号。我国自行研制的蛟龙号下潜深已达7000 m。未来,载人深潜器将向看进一步提高潜深、载重、生存能力、执行任务能力等方向发展。
自持式剖面探测系统
    自持式剖面探测系统又称地转海洋学实时观测阵浮标,起源于实施国际地转海洋学实时观测阵计划。该系统可在海洋中自由漂移,不仅可以自动探测海水温、盐和深度剖面,还可跟踪其漂移轨迹,获取海流速度和方向。国际上自持式剖面探测技术已趋于成熟,构建成了实时观测阵浮标全球海洋观测网,资料传输的方式也由原来单向通信扩展到可选的Iridium或Argos-3双向通信。自持式剖面探测系统携带的传感器也由早先的温度、电导率(盐度)和压力等物理海洋环境基本三要素拓展到生物、化学等类型传感器,例如溶解氧、叶绿素、硝酸盐、辐射计和透射计以及水听器等传感器及仪器。目前,全球范围的地转海洋学实时观测阵系统维持在4000个左右,支撑了全球海洋观测网的业务化运行。我国对Argo的研制起步较晚,但已经研发出了多种型号自持式剖面探测系统。比如,所研制的海马2000型可实现110个2000 m潜深剖面。未来该技术将向着提高可搭载传感器能力、工作可靠性、生存能力等方向发展。

5.天基和空基
    天基和空基主要指利用海洋卫星和海上航空器、无人机对海洋环境进行实时监测的平台。海洋卫星从功能上一般可以分为两类:海洋光学遥感卫星和海洋微波遥感卫星,还有一些卫星属于综合观测型海洋卫星,即可以同时具备海洋光学遥感和微波遥感功能。海洋光学遥感卫星主要用于探测海洋光学参数,如叶绿素、悬浮泥沙、有色可溶有机物等水质与生态环境信息,此外也可获得浅海水下海冰、海水污染等海洋环境信息。海洋微波遥感卫星主要用于获得海面风场、海面高度场、浪场、海洋重力场、大洋环流和海表温度场等海洋环境参数,是最主要的大范围、长时间序列、准实时遥感观测平台。近年来,美国、欧洲、俄罗斯、加拿大等国已相继发射多颗海洋卫星,包括搭载有更先进水色成像仪的新型海洋光学遥感卫星、海洋微波遥感卫星和海洋综合探测卫星等,探测范围已涵盖全球海洋。我国共发射了HY-1A和HY-1B2颗海洋水色卫星,主要承担海洋水色、水温环境监测任务,但目前HY-1A已失效。发射的HY-1B2海洋动力环境监测卫星通过搭载的雷达高度计、微波散射计和辐射矫正计等仪器,实现了全天候、全天时连续探测海洋风、浪、流等海洋动力环境信息的能力。未来,该技术将向着在位工作寿命更强、搭载负荷能力更大、搭载仪器装备更加多元化的方向发展。
    海上航空器、无人机是近年发展起来的一种海洋环境监测空基平台,可搭载多种海洋环境监测任务载荷,实施海洋动力环境和其他海洋环境要素的探测。具有机动性强、时效性高、成本低等优势,可有效弥补天基、海基和地基探测能力的不足,是海洋环境监测不可或缺的平台。随着无人机研发技术的进步和优势的突显,世界各国越来越重视无人机在海洋探测中的应用,以美国为首的许多国家正在积极研制各种新型的海上无人机,俄罗斯、英国、德国等国都加大了对本国发展无人机的支持力度。我国也十分注重无人机的海洋环境监测,在技术上紧跟发达国家先进水平,如中测新图公司自主研制的无人机续航时间达到了30 h、拍摄分辨率达到了0.05~0.20 dm。未来该方向将在空基和天基所搭载的各类传感器技术以及持续能力更强的平台研发等方面进一步开展。

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