極區(qū)海冰影像自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

常曉敏 李文龍 劉大雷 劉文浩 左廣宇 竇銀科

(1 太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院,山西 太原 030024;2 太原理工大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院,山西 太原 030024)

0 引言

隨著全球氣候變暖,北極冰蓋加速融化。海冰的融化使得極區(qū)航道的開(kāi)通成為了可能,北極油氣資源豐富,北極航道的開(kāi)通對(duì)中國(guó)海運(yùn)存在巨大的潛在價(jià)值[1-2],而海冰的存在是影響船舶在極區(qū)航行安全的主要因素[3-6]。船舶在冰區(qū)航行時(shí),海冰與船舶之間的相互作用是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)力過(guò)程[7-11],所以海冰冰情的監(jiān)測(cè)對(duì)船舶航行有重要的意義[12]。

中國(guó)在北極考察時(shí)已經(jīng)在北冰洋中心區(qū)布放了海冰物質(zhì)平衡浮標(biāo)(IMB)海冰物質(zhì)平衡陣列浮標(biāo)(SIMB 浮標(biāo))氣象站上層海洋觀測(cè)系統(tǒng)等超過(guò)20 枚,這些浮標(biāo)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的觀測(cè),已經(jīng)獲得了大量的氣象數(shù)據(jù),并且部分?jǐn)?shù)據(jù)已經(jīng)得到了實(shí)際應(yīng)用[13-15]。但浮標(biāo)所采集的數(shù)據(jù)量有限且比較單一。目前對(duì)北極航道的冰情變化的研究較少,雖然衛(wèi)星遙感飛機(jī)航拍等技術(shù)已成為目前大尺度海冰監(jiān)測(cè)的主要手段,但是這些方法存在采集圖像的分辨率不高監(jiān)測(cè)周期過(guò)長(zhǎng)以及受氣候變化限制等問(wèn)題[16-17]。在北極海冰快速變化下,自動(dòng)觀測(cè)浮標(biāo)的有效運(yùn)行時(shí)間相應(yīng)下降,但是對(duì)浮標(biāo)運(yùn)行形態(tài)的圖像監(jiān)測(cè)技術(shù)鮮有報(bào)道,浮標(biāo)可能會(huì)因海冰的破碎融化冰雪的覆蓋以及野生動(dòng)物的破壞導(dǎo)致傳感器獲取的數(shù)據(jù)不正常。針對(duì)北極海冰的影像監(jiān)測(cè)存在較大挑戰(zhàn)。國(guó)外研究人員曾在北冰洋高緯度海區(qū)布放了SIMBA 浮標(biāo)和Webcam系統(tǒng),首次觀測(cè)到海冰融池的演化與假冰底的形成過(guò)程,Webcam 獲取了部分海冰表面形態(tài)變化的圖像[18]。我國(guó)歷次北極科學(xué)考察中在長(zhǎng)期短期冰站開(kāi)展海冰現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)工作,涉及多種海冰形態(tài),但是尚未實(shí)現(xiàn)對(duì)海冰表面形態(tài)的可視化監(jiān)測(cè)[19-22]。在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃支持下所設(shè)計(jì)并布放的北極氣-冰-海無(wú)人觀測(cè)站(無(wú)人冰站)可實(shí)現(xiàn)大氣海冰海洋的多參數(shù)同步觀測(cè),但是針對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)的可視化監(jiān)測(cè)尚未開(kāi)展,僅從原始數(shù)據(jù)判斷無(wú)人冰站的運(yùn)行狀態(tài),往往會(huì)造成誤判,影響數(shù)據(jù)的后續(xù)使用,例如傳感器表面覆蓋冰雪導(dǎo)致數(shù)據(jù)失真或標(biāo)體傾斜使傳感器浸入水中。因此,研發(fā)海冰影像自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有重要意義。

針對(duì)以上問(wèn)題,本文提出了極區(qū)海冰影像自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),該系統(tǒng)能夠適應(yīng)極區(qū)惡劣的環(huán)境,并且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)海冰形態(tài)與浮標(biāo)運(yùn)行狀態(tài)的長(zhǎng)期自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。極區(qū)海冰影像自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用的主控制器是MSP430 微控制器,集成了獨(dú)立外設(shè)的時(shí)鐘芯片系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視模塊1-wire數(shù)字溫度傳感器及串口攝像頭等,實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)期低溫下北極海冰圖像的采集,設(shè)計(jì)了基于銥星的通訊模塊,實(shí)現(xiàn)了將圖像數(shù)據(jù)等經(jīng)銥星傳輸?shù)絿?guó)內(nèi)監(jiān)控平臺(tái)的過(guò)程。整個(gè)系統(tǒng)由太陽(yáng)能發(fā)電板在有光照時(shí)利用光能供電,蓄電池儲(chǔ)存多余電能在無(wú)光時(shí)供電。北極現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)工作穩(wěn)定,可在北極極端環(huán)境下正常運(yùn)行,圖像采集及大數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)程傳輸性能可靠,可以實(shí)現(xiàn)海冰形態(tài)與浮標(biāo)運(yùn)行狀態(tài)的自動(dòng)可視化監(jiān)測(cè)。

1 極區(qū)海冰影像自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

極區(qū)海冰影像自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示,系統(tǒng)包括電池供電模塊圖像數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)據(jù)傳輸模塊以及溫度控制模塊。太陽(yáng)能發(fā)電板提供整個(gè)系統(tǒng)所需的電能,多余的電能儲(chǔ)存至蓄電池以備用。該供電模式考慮了極區(qū)極晝和極夜的極端環(huán)境,對(duì)蓄電池與太陽(yáng)能板進(jìn)行抗低溫處理,可以實(shí)現(xiàn)極區(qū)低溫環(huán)境下化學(xué)能的大量?jī)?chǔ)存。圖像數(shù)據(jù)采集模塊主要采用串口攝像頭,使用串口指令模式控制攝像頭采集圖像并將圖像數(shù)據(jù)傳送至控制器,以時(shí)間命名的方式將圖像保存在 TF 卡中[23]。DS18B20 溫度傳感器和電熱絲為溫度控制模塊,電熱絲在串口攝像頭溫度不夠時(shí)進(jìn)行加熱使其達(dá)到能夠清晰采集圖像的溫度。數(shù)據(jù)傳輸是通過(guò)銥星9523 模塊實(shí)現(xiàn)的,系統(tǒng)采集到數(shù)據(jù)后通過(guò)銥星9523 將數(shù)據(jù)發(fā)送給衛(wèi)星,然后衛(wèi)星將數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)至指定的IP 地址或者郵箱[24-26]。整個(gè)系統(tǒng)在沒(méi)有指令時(shí)為低功耗狀態(tài),在接收到中斷喚醒時(shí)重新供電進(jìn)入工作狀態(tài)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控制器

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所選用的微控制器為MSP430F5438A。MSP430 系列嵌入式微控制器有多種低功耗模式,正常待機(jī)時(shí)耗電流低至 0.8 μA,工作溫度為-40～85 ℃,滿足極區(qū)環(huán)境溫度要求。MSP430 F5438A 微控制器在關(guān)閉模式LPM4(RAM 數(shù)據(jù)保持,可快速喚醒)時(shí)電流為1.69 μA,并且在關(guān)閉模式LPM4.5 下電流僅為0.1 μA[27-29],可以降低系統(tǒng)在極區(qū)工作時(shí)的功耗?？梢酝饨? MHz 和32.768 kHz 晶振,芯片經(jīng)內(nèi)部鎖相環(huán)電路倍頻后最高主頻可達(dá)24 MHz。MSP430F5438A 具有豐富I/O 接口和串口資源,4 路串行通信接口8 路串行外設(shè)(SPI)接口和4 個(gè)內(nèi)部集成電路(I2C)總線,可以掛載大量傳感器。本系統(tǒng)在以單片機(jī)為核心控制器的基礎(chǔ)上外圍擴(kuò)展了溫度傳感器串口攝像頭通訊模塊等外設(shè)?？刂瓢褰Y(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)Fig.2.System hardware structure

2.2 銥星9523 數(shù)據(jù)傳輸模塊

銥星系統(tǒng)的極地軌道可以實(shí)現(xiàn)南北極遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)通信功能[30]。銥星9523 性能穩(wěn)定可靠,通過(guò)銥星天線將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絿?guó)內(nèi)。銥星模塊外圍電路如圖3所示。

圖3 銥星模塊外圍電路圖Fig.3.Iridium module peripheral circuit diagram

提供的與微控制器的接口為9 線TTL 電平串口通信,通過(guò)電路設(shè)計(jì)使其轉(zhuǎn)換為3 線串口通信,直接與微控制器串口相連。微控制器與銥星模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸傳輸模式選擇信號(hào)查詢(xún)等信息交流是通過(guò)AT 指令來(lái)實(shí)現(xiàn)的。銥星SIM 卡與銥星9523 連接需要通過(guò)TXS4555 電平轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)供電電源為12 V,為滿足銥星9523 通訊模塊需要5 V 和30 V 電源供電的要求,選用了LM2596-5.0 和CS5173 進(jìn)行DC-DC 電壓變化分別產(chǎn)生5 V 和30 V 電壓。海冰圖像數(shù)據(jù)與浮標(biāo)運(yùn)行狀態(tài)圖像通過(guò)銥星 9523 數(shù)據(jù)撥號(hào)(Dial-up data service)業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)[31]。銥星數(shù)據(jù)撥號(hào)具有實(shí)時(shí)性高速率全雙工連續(xù)傳輸以及數(shù)據(jù)量大等特點(diǎn)。

2.3 輔助電路設(shè)計(jì)

SD2200 是實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片。內(nèi)置時(shí)鐘調(diào)整功能,精度高誤差小;低功耗,在溫度25℃電壓為3.0 V 時(shí)典型電流值為0.25 μA;內(nèi)置電池壽命較長(zhǎng)且工作溫度范圍較廣,可在極區(qū)環(huán)境下長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。系統(tǒng)使用該芯片的分鐘邊沿中斷功能。實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路如圖4所示。

圖4 實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路圖Fig.4.Real-time clock circuit diagram

SP706 是一種復(fù)位監(jiān)控芯片,功耗低可靠性高,符合系統(tǒng)硬件選型要求?？稍谙到y(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)故障時(shí)強(qiáng)制對(duì)單片機(jī)進(jìn)行硬件復(fù)位,避免程序進(jìn)入停滯狀態(tài)。SP706 應(yīng)用電路圖如圖5所示。

圖5 SP706 應(yīng)用電路圖Fig.5.Application circuit diagram of SP706

2.4 各類(lèi)傳感器選型

海冰影像自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行地點(diǎn)在極區(qū),現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜惡劣,在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中容易受到極夜低溫風(fēng)雪等氣候條件的影響,所以在傳感器的選擇中需要考慮到以下幾個(gè)方面。

1.耐低溫:極區(qū)環(huán)境溫度一般不超過(guò) 0 ℃,所以在選擇傳感器時(shí)要選擇耐低溫至少-40℃的傳感器。

2.低功耗:極區(qū)電能稀缺,并且在低溫條件下電池的放電性能和電池容量都會(huì)受到影響,因此需要選擇低功耗的傳感器,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。

3.性能穩(wěn)定:海冰影像自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將會(huì)在無(wú)人值守的極區(qū)環(huán)境中運(yùn)行,系統(tǒng)一旦出現(xiàn)問(wèn)題,將會(huì)無(wú)法維修,所以選擇的傳感器應(yīng)該性能穩(wěn)定可靠,確保不出問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。

DS18B20 是一種數(shù)字溫度傳感器。測(cè)溫范圍為-55～125 ℃,測(cè)量精度高,能在低溫環(huán)境中精準(zhǔn)測(cè)出攝像頭的溫度;工作電壓為3～5.5 V 且待機(jī)電流僅為0.75 μA,所需功耗低;體積小抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)使其能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作運(yùn)行。

系統(tǒng)選擇的串口攝像頭帶有紅外照明功能,少光或無(wú)光時(shí)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)照度補(bǔ)充完成圖像采集。同時(shí)其采用的芯片和器件,在保證性能的同時(shí)兼顧低功耗,完全滿足了極區(qū)低溫惡劣環(huán)境的需要。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 圖像采集程序設(shè)計(jì)

圖像采集程序主要實(shí)現(xiàn)的是中斷喚醒及圖像采集策略串口攝像頭溫度控制策略數(shù)據(jù)傳輸策略。

程序有以下流程:(1)系統(tǒng)開(kāi)始后進(jìn)入休眠狀態(tài);(2)時(shí)鐘模塊SD2200 的分鐘中斷發(fā)出喚醒信號(hào),使其系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài);(3)讀取系統(tǒng)時(shí)間并判斷是否達(dá)到拍照時(shí)間;(4)溫度傳感器以及加熱絲保持串口攝像頭溫度在拍照范圍內(nèi)然后進(jìn)行圖像的采集;(5)銥星信號(hào)大于3 時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)包。程序流程圖如圖6所示。

圖6 圖像采集流程圖Fig.6.Flow chart of main program

串口攝像頭能夠采集清晰圖像的溫度要求是不低于-20 ℃,首先判斷攝像頭溫度是否達(dá)到要求,如果溫度沒(méi)有達(dá)到,就利用電熱絲對(duì)其進(jìn)行加熱。在溫度達(dá)到要求時(shí)進(jìn)行拍照然后判斷圖像是否符合要求,不符合即進(jìn)行二次加熱,最后通過(guò)銥星傳輸模塊將數(shù)據(jù)發(fā)給衛(wèi)星。圖像拍攝由攝像頭完成,可以通過(guò)遠(yuǎn)程控制指令靈活地選擇所需的圖片分辨率。圖像格式默認(rèn)為JPEG,可擴(kuò)展為BMPTIFPNG 等其他格式,圖片像素也有多種可選。IRIDIUM9523 模塊的SBD 功能,一次可以發(fā)送的最大數(shù)據(jù)包為1920 Byte,不能一次性完成圖像的傳輸。而IRIDIUM9523 的數(shù)據(jù)撥號(hào)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不受限制,可以一次性傳輸完成。根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)量的大小靈活選擇使用SBD 或數(shù)據(jù)撥號(hào)。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸策略

極區(qū)海冰自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要安裝在無(wú)人值守的極區(qū),安裝后無(wú)法維護(hù)以及更新程序,因此編寫(xiě)了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸控制程序。海冰自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制流程圖如圖7所示。遠(yuǎn)程控制指令的數(shù)據(jù)包有兩種傳輸方式,分別為郵箱傳輸和直接IP 傳輸。把需要發(fā)送的數(shù)據(jù)打包好之后,通過(guò)郵箱或IP 發(fā)送至銥星服務(wù)器,并且指定發(fā)送到的終端銥星號(hào),當(dāng)IRIDIUM9523 終端進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取時(shí),服務(wù)器自動(dòng)把數(shù)據(jù)發(fā)送給終端,并產(chǎn)生成功標(biāo)志,確保數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。當(dāng)向同一個(gè)銥星模塊發(fā)送多條數(shù)據(jù)包時(shí),模塊只能一一讀取,此時(shí)的數(shù)據(jù)包就在銥星的網(wǎng)關(guān)進(jìn)行排隊(duì)等待讀取,IRIDIUM9523終端通過(guò)SBD 的讀取方式一次讀取一條數(shù)據(jù)包后,銥星網(wǎng)關(guān)中的排隊(duì)數(shù)量就減少一個(gè),每次讀取都優(yōu)先讀取排隊(duì)的序號(hào)靠前的數(shù)據(jù)包,讀到數(shù)據(jù)包后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,每讀完一個(gè)數(shù)據(jù)包就執(zhí)行相應(yīng)的指令。

圖7 遠(yuǎn)程控制流程圖Fig.7.Flow chart of remote control

遠(yuǎn)程指令控制表指令較多,并可根據(jù)實(shí)際需要靈活增加。表1 所列僅為其中幾條,并對(duì)這幾條的具體功能等加以詳細(xì)介紹。如接收到指令No.0 和 No.1 后,立即讀取系統(tǒng)電壓溫度數(shù)據(jù)等程序,完成圖像的采集并傳回。指令No.2 為設(shè)置系統(tǒng)圖像采集時(shí)間,到達(dá)系統(tǒng)設(shè)置的時(shí)間就進(jìn)行拍照。指令No.3 為設(shè)置系統(tǒng)拍照時(shí)間間隔,如需要每隔1 天,拍一張照,此處就設(shè)置為1。指令No.4 為設(shè)置讀取每?jī)蓷l控制指令之間的時(shí)間。指令No.5 是為了防止溫度傳感器無(wú)法正常獲取溫度而不能控制好溫度,此處就設(shè)置了強(qiáng)制加熱時(shí)間,不再使用溫度反饋的閉環(huán)控制。

表1 指令信息Table 1.Instruction information

4 北極現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

4.1 中國(guó)第九次北極科學(xué)考察中的應(yīng)用分析

2018年8月19日,北極無(wú)人冰站在長(zhǎng)期冰站開(kāi)始布放,并按照考察計(jì)劃在北冰洋中心區(qū)開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)。初始布放位置為 84.09686°N,167.13394°W,布放后所有觀測(cè)系統(tǒng)控制系統(tǒng)和通訊模塊均能正常工作,現(xiàn)場(chǎng)采集了大量觀測(cè)數(shù)據(jù)。北極無(wú)人冰站銥星通訊上下行數(shù)據(jù)均通過(guò)郵件傳送,數(shù)據(jù)傳輸?shù)念l率為1 次/小時(shí)。北極無(wú)人冰站系統(tǒng)已成功傳輸超過(guò)12 個(gè)月的有效觀測(cè)數(shù)據(jù)回到國(guó)內(nèi)。海冰影像監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布放于無(wú)人冰站附近,用于檢驗(yàn)低溫?cái)z像頭銥星傳輸模塊主控制器等的適用性,搭載的攝像頭所獲取的圖像分辨率可通過(guò)遠(yuǎn)程指令進(jìn)行調(diào)整,典型值為320×240。目前所有圖像數(shù)據(jù)均通過(guò)自主研發(fā)的海冰影像監(jiān)測(cè)平臺(tái)獲取和存儲(chǔ),可對(duì)外提供圖像數(shù)據(jù),后續(xù)研發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)并逐漸實(shí)現(xiàn)全部數(shù)據(jù)的開(kāi)放與共享。海冰影像自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與無(wú)人冰站一起布放在同一海冰上,實(shí)現(xiàn)對(duì)海冰形態(tài)與設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)圖像監(jiān)測(cè)。海冰影像自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)拍攝到第九次北極科學(xué)考察中北極無(wú)人冰站布放時(shí)的作業(yè)情況,如圖8所示。

圖8 第九次北極科學(xué)考察中無(wú)人冰站布放時(shí)的作業(yè)情況Fig.8.Photo of deployment of unmanned ice station in the ninth CHINARE

北極無(wú)人冰站布放后正常工作,海冰影像自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在2018年8月21日7 時(shí)與21 時(shí)獲取無(wú)人冰站運(yùn)行狀態(tài),分別如圖9 和圖10所示。

圖9 第九次北極科學(xué)考察中無(wú)人冰站在2018年8月21日7 時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)Fig.9.Photo of unmanned ice station at 7:00 on August 21,2018 in the ninth CHINARE

圖10 第九次北極科學(xué)考察中無(wú)人冰站在2018年8月21日21 時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)Fig.10.Photo of unmanned ice station at 21:00 on August 21,2018 in the ninth CHINARE

從圖9 可以看出,2018年8月21日7 時(shí),無(wú)人冰站運(yùn)行狀態(tài)正常,該時(shí)刻天氣較陰,光照強(qiáng)度較弱,冰面尚未出現(xiàn)融池等現(xiàn)象;從圖10 可以看出,該時(shí)刻天氣較好,可觀察到明顯太陽(yáng)光照射。結(jié)果表明海冰影像自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以提供海冰及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)信息,實(shí)時(shí)信息包括浮標(biāo)周?chē)暮１欠裼衅扑?隆起以及融池等現(xiàn)象,浮標(biāo)是否發(fā)生姿態(tài)的變化,所搭載的溫濕度大氣壓積雪傳感器溫度鏈銥星GPS 等傳感器是否被冰雪覆蓋。

4.2 中國(guó)第十一次北極科學(xué)考察中的應(yīng)用分析

在中國(guó)第十一次北極考察[32]中,布放了一套無(wú)人冰站觀測(cè)系統(tǒng),該系統(tǒng)基于之前中國(guó)第九次北極科學(xué)考察中海冰影像自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了優(yōu)化與改進(jìn),包括圖像的分辨率傳輸間隔時(shí)間,也進(jìn)行了攝像頭的優(yōu)化升級(jí),優(yōu)化了加熱模塊,提高了攝像頭的抗霧性能,并對(duì)攝像頭云臺(tái)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化,能夠進(jìn)行 360°全方位的監(jiān)測(cè),更好地完成海冰形態(tài)等參數(shù)的觀測(cè),有效評(píng)估無(wú)人冰站的運(yùn)行狀態(tài)。在第十一次北極考察長(zhǎng)期冰站的無(wú)人冰站布放位置旁布放了一套海冰影像自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),如圖 11a所示。截止2020年11月,無(wú)人冰站與海冰影像自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作正常,按照程序設(shè)定向國(guó)內(nèi)傳輸無(wú)人冰站所在海冰及其狀態(tài)的照片。圖11b所示為2020年8月31日海冰影像自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所獲取的圖像信息,在該圖片上可以較為清晰地觀察到雪地上新增的北極熊腳印,表明在前一日該海冰上出現(xiàn)北極熊,且無(wú)人冰站系統(tǒng)并未受損,冰上也尚未出現(xiàn)融池現(xiàn)象,因此無(wú)人冰站的觀測(cè)工作也將順利進(jìn)行。

圖11 海冰影像自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和無(wú)人冰站圖像Fig.11.The automatic sea ice image monitoring system and photo of the unmanned ice station

5 結(jié)論

1.極區(qū)海冰影像自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠通過(guò)獲取圖像數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)海冰冰情以及浮標(biāo)運(yùn)行狀態(tài)的長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)。帶有加熱絲的串口攝像頭能夠在低溫環(huán)境下正常采集圖像,并且具有低功耗工作穩(wěn)定可靠等特點(diǎn),滿足極區(qū)惡劣環(huán)境下工作的需求,為觀測(cè)海冰生長(zhǎng)和消融過(guò)程及其對(duì)冰基浮標(biāo)運(yùn)行狀態(tài)的影響提供直觀數(shù)據(jù)支撐。

2.大數(shù)據(jù)量圖像遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)是極區(qū)海冰影像自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)?；阢炐?523 數(shù)據(jù)傳輸模塊,開(kāi)發(fā)了外圍電路以及相應(yīng)的圖像采集程序與數(shù)據(jù)傳輸策略,并在中國(guó)第九次北極科學(xué)考察與第十一次北極科學(xué)考察中得到應(yīng)用,能夠?qū)崿F(xiàn)極地圖像數(shù)據(jù)的傳輸,解決了極地地區(qū)圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯?wèn)題。系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?也可在極區(qū)冰川苔原等冰雪環(huán)境監(jiān)測(cè)中發(fā)揮作用,例如對(duì)于冰川也可以起到一定的監(jiān)測(cè)作用[33]。

3.極區(qū)海冰影像自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使極地設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)以及海冰監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)可視化,能夠?yàn)榻窈蟠暗暮叫幸约翱蒲泄ぷ魈峁氋F的圖像數(shù)據(jù),保證船舶航行的安全并且可以更方便地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題解決問(wèn)題。當(dāng)海冰發(fā)生融化后,通過(guò)浮標(biāo)運(yùn)行狀態(tài)的可視化監(jiān)測(cè),可以人工關(guān)斷某些科學(xué)載荷的數(shù)據(jù)傳輸,保證其余傳感器持續(xù)工作,繼續(xù)獲取科學(xué)數(shù)據(jù),節(jié)省數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ刨M(fèi)用,增加海冰浮標(biāo)的工作壽命,對(duì)研究海冰的生長(zhǎng)和消融有重大的意義。