深海垂直剖面實時監(jiān)測潛標系統(tǒng)

蔣平+喻劍

摘 要：深海垂直剖面實時監(jiān)測潛標系統(tǒng)通過升降平臺的浮力調(diào)節(jié)，實現(xiàn)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(shù)據(jù)進行測量和存儲，并可以通過水聲通訊和衛(wèi)星通訊實現(xiàn)實時傳輸。本文介紹了潛標系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)，并通過試驗數(shù)據(jù)表明潛標可以滿足使用要求。

關鍵詞：浮力調(diào)節(jié)；升降平臺；潛標系統(tǒng)

0 引言

海洋環(huán)境監(jiān)測和資源調(diào)查中，經(jīng)常需要對海洋水體中不同剖面參數(shù)（如溫度、鹽度、流速、內(nèi)波和光學特性量等）的測量，作為海洋開發(fā)研究與軍事海洋學研究的基礎。傳統(tǒng)的海洋監(jiān)測平臺，一般都是通過建立海洋觀測站，或是通過海洋調(diào)查船來投放監(jiān)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(shù)據(jù)，無法實現(xiàn)連續(xù)剖面觀測和數(shù)據(jù)實時傳輸，并且工作時間有限，在復雜的海洋環(huán)境中系統(tǒng)投入、運行以及維護的成本很高，回收難度較大。

1 系統(tǒng)工作方式

深海垂直剖面實時監(jiān)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(tài)示意圖見圖1。

主浮體為整個錨泊系統(tǒng)提供正浮力，保證海洋遠海深水狀態(tài)下的動、靜態(tài)穩(wěn)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(huán)境測量傳感器，實現(xiàn)對海洋水文環(huán)境參數(shù)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(tài)和測量傳感器實時測量到的數(shù)據(jù)，通過水聲通訊和衛(wèi)星通訊方式發(fā)送至岸站接收，實現(xiàn)潛標“實時監(jiān)測”功能。

2 系統(tǒng)功能

深海垂直剖面實時監(jiān)測潛標系統(tǒng)應具備的功能如下：

（1）潛標系統(tǒng)應保證在海洋遠海深水狀態(tài)下的動、靜態(tài)穩(wěn)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(wěn)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(jù)深度傳感器數(shù)據(jù)來判斷所處的海區(qū)深度，進行升降模式切換、浮力調(diào)節(jié)控制和平臺在垂直剖面上運行速度的自適應調(diào)整及定點懸停；

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

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

3 系統(tǒng)設計

3.1 主浮體

主浮體的主要功能是為整個系統(tǒng)提供足夠的正浮力，并保證在海洋遠海深水狀態(tài)下的動、靜態(tài)穩(wěn)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(tǒng)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(huán)、錨鏈等組成。包塑鋼纜與三叉系留索相連，聲答釋放器串聯(lián)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(tǒng)的執(zhí)行機構和控制中樞，即要為海洋環(huán)境測量傳感器提供搭載平臺，實現(xiàn)對海洋水文環(huán)境參數(shù)的實時測量，又要通過浮力調(diào)節(jié)功能實現(xiàn)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(xiàn)水下工作時對內(nèi)部設施設備的保護。

升降平臺如圖3所示，分為浮力調(diào)節(jié)平臺和能源供給平臺兩部分。浮力調(diào)節(jié)平臺為整個系統(tǒng)的執(zhí)行機構和控制中樞，主要包括浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)、方向翼和RCM，其中浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)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(tǒng)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(xiàn)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(nèi)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(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件的主要功能是控制平臺根據(jù)預置的的海區(qū)深度參數(shù)，在該深度范圍內(nèi)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(shù)據(jù)采集并記錄，一個周期內(nèi)的軟件工作時序由圖4所示。

系統(tǒng)軟件編譯環(huán)境為KEIL UVISION 4，采用C語言和匯編語言混合編寫。在軟件實現(xiàn)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(shù)，因此在USART通信、AD轉換、SPI、SD存儲等軟件接口均可直接調(diào)用庫函數(shù)，經(jīng)過簡單的配置就可實現(xiàn)軟件功能。

5 工作情況

深海垂直剖面實時監(jiān)測潛標系統(tǒng)設計完成后，為了檢驗整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)，2016年2月在南海進行了功能性試驗，實際布放的海區(qū)深度約為1600m，考慮工作安全性，通過錨系配置，使?jié)摌藢嶋H工作水深為200～1500m。

試驗結果表明，經(jīng)過長時間多個剖面的工作，潛標系統(tǒng)按既定流程垂直上浮、下潛，整個平臺運行速度較為穩(wěn)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(xiàn)故障，可有效進行水文數(shù)據(jù)采集和海洋監(jiān)測，滿足深海垂直剖面實時監(jiān)測潛標的系統(tǒng)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(jiān)測有著非同一般的的戰(zhàn)略意義和經(jīng)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(shù)據(jù)。目前，在定點水文觀測站、水下滑翔機等已經(jīng)初步具備工程應用條件的監(jiān)測平臺中，深海垂直剖面實時監(jiān)測潛標優(yōu)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(huán)境要素數(shù)據(jù)的有效手段。隨著我國海洋科研的發(fā)展，垂直剖面實時監(jiān)測潛標的需求將不斷增長，將在資源勘探、氣象監(jiān)測、軍事等領域發(fā)揮重要的作用。

參考文獻

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