波浪滑翔器在海洋观测中的应用

作为一个对海洋着迷的科学家，你是否想知道海洋上所画出的A点和B点的水文、气象实时信息。传统的方法可能必须使用 锚系浮标，然而，由于造价高、布放困难和容易被破坏的缺点，利用锚系浮标难以实现对上述两点的实时气象水文观测。人类总是在与自然作斗争，人类的智慧促使我们改变现状。目前，美国有了一种新型移动观测平台，波浪滑翔器，他让我们可以实时了解海洋的任何一个点位的水文气象信息。

波浪滑翔器具有成本低、部放回收简单，隐蔽性高的特点，在海洋观测中限制各种移动平台进行大尺度海洋观测的就是其工作时间相对较短，航程相对较小航程和航时的限制主要来自能源的限制，解决能源的出路有两种：

一是，采用核能，然而具有污染性和成本高的缺点；

二是，采用自然能源，我们将目光投向了自然能源的再利用。

美国人 Roger Hine发明了波浪滑翔器，其结构如下图所示，由两部分结构组成：水面母船和水下牵引机，特殊的双体结构可以转换波浪的起伏为前向运动。水面母船上表面安装了太阳能电池板，可以提供电能供应导航和控制系统，以及传感器等。

波浪滑翔器结构示意图

波浪滑翔器的特点是：

1、利用波浪能和太阳能，可以实现一年一万公里航行；

2、具有GPS定位、罗盘和转向机构，可以实现自主导航；

3、按照划定路径巡航或者长期保持在某坐标位置监测；

4、具有极大的负载能力，搭载各种声光电传感器。

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波浪滑翔器运动原理图

这是一个非常新颖的idea。这一技术的发明，使得我们对远在万里之外的大洋进行长期观测成为可能。

2005年，Roger Hine和Joseph D. Rizzi为跟踪考察驼背鲸的生活规律而发明了在利用海洋环境能源的波浪滑翔器。2007年，Liquid Robotics公司成立并专注于波浪能滑翔器的研发生产。直到目前，Liquid Robotics公司已经有110多个员工，成为一个有相当规模的海洋平台生产公司。

从2009年买出第一台波浪滑翔器，到今天已经有7年时间，在七年时间内全球总共销售350台，平均每年销售50台。在任何一个时刻，海上都有90台在运行，遍布海洋的各个角落。

在Liquid Robotics公司的FAQ中，我们了解到，波浪滑翔器有如下关键回答：

1、平台可以环绕地球连续运行1.66万和1.77万公里的航程。给大家一个概念，从日本东海岸到美国西海岸的太平洋上的距离是9000公里。就是说，波浪滑翔器的航程极大，可以横跨太平洋做折返航行。

下图是从美国东海岸到法国西海岸，距离6000公里，波浪滑翔器可以来回三趟。

2、波浪滑翔器已经经历过17次台风、飓风和龙卷风，其中一次是在中国南海，经历了5级台风Rammason。这说明波浪滑翔器具有极强的抗风浪能力，可以对极端天气和海况进行近距离观测。

3、波浪滑翔器的水面母船紧贴水面，目标较小，雷达不容易发现，同时波浪滑翔器运行时声学静音，具有极高的隐蔽性。这样一来，他就不容易被发现而破坏，同时在军事方面的应用价值较大。

4、波浪滑翔器已经广泛应用也5大洋和美国大湖区（5大湖）的观测。这一点说明，波浪滑翔器可以进行全球海洋观测，走航观测，我们可以利用它进行实时数据获取。

波浪滑翔器具有四个方面的应用：

1、美国军方的应用，波浪滑翔器在长期海上运行过程中可以对水下目标、水面目标和空中目标进行探测，并确定其身份；

2、油气部门的应用，可以对海上作业进行天气实时预警，也可以对溢油进行监测；

3、海岸巡逻、海上执法等应用；

4、海洋环境评估应用，如地震海啸预警，渔业管理，气象水文观测等。

波浪滑翔器的四个方面的应用

波浪滑翔器可以搭载各种传感器进行海洋环境观测，包括：

1、气象、水文、水质，生态，等等，如下图的北极海区的pH值、二氧化碳、溶解氧、温度、盐度观测；

2、图像获取，声学探测，如下图主动声纳探测鱼群规模和数量；

上图为代替锚系浮标进行气象水文参数观测

上图为二氧化碳分压观测

上图为波浪滑翔器走航测流

上图为地震和海啸预警观测

上图为水下声学目标定位和识别观测

如此说来，有人会问：波浪滑翔器可否替代一些海洋科考航次呢？目前来看，不行，因为波浪滑翔器不能采集一些大深度剖面信息，此外有些传感器不能做到原位在线测量，所以不能全部代替目前的海洋科学考察航次，但也许会有一天，可能在10年后（我也不确定），会全部取代，这就看技术进步速度了。

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接下来，介绍我们国家的波浪滑翔器技术进展。

2014年，国家863计划资助孙秀军团队进行波浪滑翔器的研发，课题名称是《混合驱动自主巡航波浪滑翔器观测系统》。

国家海洋技术中心研发的各种类型波浪滑翔器

我们在研发过程中不断改进方案，从刚开始的模仿，到现在的形成自己特色，研究团队付出了很多。不同的生产工艺，在实践中摸索。

2014年在南海的300公里测试

2015年在青岛的1300公里测试

2016年在青岛千里岩岛的环岛24天试验

上图是在24天内的气象水文参数

上图是在青岛进行的3天的试验，将海床基的测量数据通过声学猫传递给波浪滑翔器，波浪滑翔器作为水面的通讯中继站将数据传给岸站监控中心。

上图是波浪滑翔器的运行轨迹，波浪滑翔器进入圆圈后就与潜标和海床基进行通讯。

国家高技术研究发展计划(863计划)“混合驱动自主巡航波浪滑翔器观测系统”课题青岛气象水文走航观测海试情况报告。