能够反映作业区域真实环境状况的水文数据不论对于科学研究还是工程设计领域都是至关重要的，虽然某些物理量可以通过采集样品然后室内分析获得，但是采样、保存、运输、实验室条件等因素都会影响结果的准确性，因此，实时获取现场第一手数据的原位监测方法逐渐受到人们的重视。
+ Q# d8 ^4 ^( z" U/ s7 S# X目前在科研、工程设计领域常用的水文观测数据包括水体的流速流向、波高，温度、盐度、密度，悬浮颗粒浓度等。对于流速和波高等水动力因素，虽然目前各种大牛们都声称自己的数模计算多么准确，但所谓"谁做谁知道"，真正靠谱的还是利用现场实测数据统计分析后得出的结果，尤其是牵涉工程风险评估的项目，数模计算结果仅仅能作为一种参考，道理就不多说了，你们懂的；而盐度、密度、颗粒物及营养物质浓度等数据都可以在实验室通过仪器测得，但是样品在保存运输过程中，难免会发生变化，检测过程中的系统误差和人为误差就更不必说了。下面，我们就讲一讲常用的原位水文观测设备。" { t; v) l Y
原位观测设备，无非就是集成一大堆各式传感器，实现对研究人员感兴趣数据的现场实时记录，以备室内分析使用。但是希望大家知道，所有的传感器，"声、光、电、热、磁"——不管原理是什么，其精度和线性区间都是固定的，也就是说，这些仪器设备都存在一个适用环境和测量范围，如果对传感器原理不熟悉，或者目标环境条件不明，就有可能发生选型不当、作业方式不正确等"杯具"，那观测结果可想而知。4 g) N. x" x4 v" L
1.多普勒声学流速剖面仪（ADCP）关键词：多普勒频移，三维解算，盲区，安装作业方式 图1、 各品牌厂商ADCP" O) J( K. P+ |
多普勒声学流速剖面仪的原理就是通过换能器记录发射、反射声信号的频率变化，然后利用多普勒效应的数学公式计算不同深度水质点的移动速率，最终形成流速剖面图（表）。从水声学原理可知，高频信号传播距离短，分辨率高，低频信号传播距离远，但分辨率低，因此ADCP也是根据其工作频率来分型的，低频的有几十KHz，高频的有MHz级的，当然，观测目的也各有不同。# W4 R* N2 h7 a" n% X; h) [
目前的多普勒声学流速剖面仪通常装有3~4个固定发射方向的换能器，这样通过三维解算就可以获得水质点的空间移动速度了。还有一些ADCP产品通过对信号频率、计算方式的改良，同时集成高精度压力传感器，在测量分层流速的同时还可以获得气液界面的形态，也就是波浪的相关数据，实现了流速、波浪的同时观测，比如目前使用较多的"浪龙"。但是在水深较小波浪破碎的区域，由于气泡产生大量噪音，或者含沙量较高的水域，观测数据的质量会受到一定程度的影响。# S Y, r3 T3 o p( C6 X( @
很多厂商都号称自己的ADCP产品可以实现"无盲区"测量，也就是说换能器以上所有深度的水质点运动都可以实时扑捉，但从传感器原理上来讲这是不可能的，因为任何传感器都有信号分辨的门限，当距离非常近的时候，仪器就无法甄别回波信号细微的频率变化了，所谓无盲区，是通过流体公式计算后补充进测量值的，也就是说换能器上方一定深度的数据是计算值而非实测值，在使用时需要格外注意；同样的原因，水深极浅的时候ADCP基本就瞎了，必要的时候还得上分层式海流计，这也就是电磁式海流计和机械式海流计仍然有市场的原因。
6 y( p( ?5 ~ T9 ]! }, O对于ADCP的安装方式也有很多种，总体上分为固定式（图2，图3）和走航式（图4），固定式安装可将仪器固定在海底（换能器竖直向上）、平台桩腿（换能器水平）或浮/潜标（换能器向下或向上）上，走航式则是将仪器固定在船体吃水线以下（换能器竖直向下），但走航式安装获得的数据处理利用起来通常比较麻烦，因为船体运动产生的水质点相对运动会严重影响数据质量，给分析使用增大了难度。 图2、海底固定式安装 图3、平衡桩体和浮球固定式安装 图4、走航式安装
9 G% `( Y5 X K) H4 \7 b0 p2.激光粒度剖面仪（LISST）7 ^: a! S# W1 ^7 i
关键词：激光波长，衍射，概率统计，量程
6 t! |9 v0 ]: P; |LISST将激光发射器、接收器，控制单元，存储单元以及电池集成在一个密封的耐压外壳内，壳外正对发射器的位置装有一块反射镜，这样激光接收器就可以记录反射光信号了，LISST实现了对悬浮颗粒浓度的原位测试，是目前水沙动力研究领域比较先进和流行的手段。该仪器通过甲板施放可以获得观测地点某时刻不同深度的悬浮颗粒浓度分布情况，通过浮标悬挂或坐底式观测可获得观测地点同一深度不同时间的悬浮颗粒浓度变化情况。" @, k2 H2 f& ~, J |
实验室使用的激光粒度仪大家都不陌生，其原理也很简单，就是不同波长的激光在通过悬浮颗粒周围时发生绕射、衍射，光线方向发生改变，通过记录不同波长光束的偏转角再通过概率统计来计算单位体积液体中不同粒径颗粒的含量。LISST的原理也是一样，其量程和精度取决于发射激光的波长范围、分布密度和传感器的采样率（感兴趣的可以对比一下LISST100和LIST25的参数），因此就会出现超出测量范围的情况，比如大风过后，LISST测得的数据全部是0，原因在于此时水体中悬浮颗粒浓度很大，激光在发射器到反射镜之间的测量区内发生了二次甚至多次衍射，偏转角变得很大，因此无法反射回接收器，在含沙量极高的情况下激光甚至无法穿透水体，在这些条件下LIST是无法使用的，最后还得守着抽滤机秤滤膜。 图5、LISST25 图6、LISST100, J, w* W# G8 R2 G! ^3 ^ ]
针对边界层水沙运动观测，目前又有了一些新设备，比如一根长杆子上密密麻麻布设好几百个激光传感器，竖直安装在海底，用来监测浪、流作用下近底泥沙的起动情况，其原理和LISST类似，不过激光频率要更高一些，但依然有适用环境的问题，比如在表层沉积物中细粒物质含量较高的区域，由于表面能较大，细粒物质发生"团聚"现象，那就不好测了，所以还是要养成"批判地看探测数据"的习惯。- l3 Y- k9 U" C, V3 o5 b5 b
3.温盐密联合测试仪（CTD）: Q1 I5 X# q1 j; z9 J
关键词：集成技术，耐压外壳，新型线缆 图7、某厂商出产的CTD" N3 n# C3 m2 W% D9 T/ I1 J
把电子温度计、浊度计、盐度计、压力计捆在一起，就成了传说中的CTD（原理类似于"要你命3000"），目前这些传感器都非常成熟，各种量程、精度、灵敏度的产品都可以买到，因此CTD的技术难点在于如何将各种传感器在互不影响的前提下集成在一个小巧轻便的耐压密封壳内，并实现数据的存储或长距离传输。可以想象，如果外壳只能耐5个大气压，或者总重几十公斤，再或者一二十米的电缆信号就严重衰减了，这种仪器基本就是一块废铁。所以说，深水CTD之所以贵，就贵在外壳和长距离传输线缆上，当然，自容式也是一种不错的解决方案，但是对于某些需要实时监控的情况，比如配备在深拖系统上的CTD，或者和联合采水器组合使用的CTD，还是只能用有线的方式传输数据。 图8、CTD与采水器一同工作 图9、剖面数据图7 }3 b2 k, \0 O' P
目前也有一些抛弃式的CTD，又称XCTD，也就是一次性的，航空型（图10）一般是用投射器把弹体打到水里，自动下沉，到达目标水深后存储器脱离弹体，浮出水面，然后通过无线电将下沉过程中采集的各种数据传输回飞机；船用型（图11）则是用一根细铜线把弹体下沉过程中的数据传回调查船。这种方式成本是比较高的，但简便快捷，降低了作业的强度和风险，非常适合高富帅型的考察单位使用。 图10、航空型XCTD 图11、船用型XCTD% |7 i+ {/ Y0 J; S% ]- P/ h1 p5 k
4.波面雷达0 m6 P% n/ K. \3 ?6 o( E) S
关键词：多普勒频移，平面解算2 F& x" e0 t" ^. b5 N# N
在近岸，用至少两个可以相互复盖测量区域的电波换能器在岸边两个已知点架站，向海面发射信号，通过接收海面瞬时形态的数据，然后进行平面结算处理就可以得到海面的波速、波高、波向，这就是波面雷达的原理。这种设备在小区域的气象水文观测方面有很好的效果，如果多站联测，并结合ADCP坐底观测，可以实现大区域水动力环境的综合调查。国内比较成功的使用案例是2008年奥运会帆船比赛场地的海况监测（图14），不仅准确性强，实现了实时监控，而且不用设置浮标、测量艇等占用水面场地的设施，效果很好。 图12、波面雷达工作示意图 图13、测量区域图 图14、青岛奥运会测量区域0 a: H' I' Y4 ~' d6 ^
先进作业方法4 k# I7 C- d' @ v
海洋科学研究走到今天，海洋调查中的原位测试技术，其技术难度在于传感器的集成与控制，能源、信号的远距离传输，因此，各种先进作业方式实际上都是解决或部分解决了以上两方面问题。# T$ Y c; I: u5 I( e' U. l
1.大型数控绞车/ N: j) u2 G% w% n( G
这里说的可不是挂小抓斗的手摇绞车，那玩儿没啥技术含量……我要说的是千米级甚至可达万米的大型数控绞车。不要以为大型绞车很简单，把钢丝绳盘在滚子上，装几个齿轮、链条，电机，焊一块儿就成了，其实大型数控绞车是非常考验制造加工能力的！首先，绞车是安装在甲板上的，也就是说会长时间暴露在极端恶劣的环境中，所以对材料的性能，整机勤务性、可靠性要求极高，钢材的抗腐蚀性、机械强度，电机的扭矩、转速调节，工控机的智能化，外壳的防水防潮等等，都需要考虑。; K! V1 M! j% l
举个例子来说，一条钢缆放出去，即使不考虑挂载设备，其自身重量就已经非常惊人了，因此大型绞车的钢缆都是前细后粗的，而且比较牛逼的还用凯夫拉材料作为缆芯，这就对钢缆的加工工艺提出了很高的要求；再说排缆，如何让钢缆在施放、回收过程中不打结、不拧劲儿，并且一道一道排列整齐，就要看数控系统了，用人工加减档的方式铁定是不靠谱的，首先不安全嘛，因此要在缆盘周长、钢缆位置不断变化的过程中精确地控制电机转速、排缆器的位置，如果再考虑海浪引起的船体起伏，整个系统的扭矩输出都要根据姿态传感器采集的船体运动轨迹，利用"基于当前"的模型来计算，以上这些绝不是一家小作坊能够完成的。 图15、某厂商水文绞车 图16、大型绞车
9 a q. v8 B. o9 `# t* j8 H2.浮/潜标
3 p$ q( D \0 Z' @+ G* ?' k浮标在海洋调查中的可以说是使用年代最长，用途最广泛的一种方法了，原因在于其投放、回收相对容易，生存能力强，容易搭载各种硬件设备，而且在卫星通讯日益发达的今天，数据的实时传输很容易实现。比如在电影"后天"中英国科学家看到的海水温度，就是通过深水浮标上的CTD一类的仪器实时传回来的。目前的浮标可以实现的监测项目有传统的温盐密、泥沙及营养物质浓度、波浪、潮流等，当然还包括一些气象参数，前面已经说过了，在市场经济的带动下各种指标的传感器都很容易获得，而把一大堆各种电子产品捆在一块儿，并且要互不影响地正常工作，就不那麽容易了，首先是能源，目前比较成熟的方式是燃料电池结合太阳能电池；其次是实时采集，可以通过卫星传输的方式解决；再次就是可靠性了，举个例子来说，如果想获得分层水文数据，是在浮标上设计一种升降装置，使监测仪器定期从水面沉至水底再回到水面靠谱呢，还是在不同深度固定多台仪器同时采集靠谱呢？为了可靠性更好，必然选择后者，即使其中一台仪器故障了，至少还有其他层位的数据可用，但如果使用升降装置，一旦发生故障，可能整个监测周期的数据都白瞎了。 图17、海洋环境生态浮标 图18、海洋浮标结构图 图19、工作中的潜标! k# `9 }9 g: w# `
3.水下联合测站（群）
- v S# m, L6 r* J" E在某些区域，我们往往需要长时间的水文观测资料，而动用调查船多船同步原位监测的话不仅风险大，而且难免受到海况的限制，造成数据的不连续性，更重要的是，通常我们最关心的恰恰是极端条件下的水文资料，所以，最好还是让不怕死的仪器设备自己跟那儿工作，我们定期获取数据就好。将各种可以坐底式工作的仪器设备集中安装在一个起保护作用的支架或壳体内，然后放置在海底，这就是水下联合测站，如果用多个这样的测站呈网络状布设，就是水下联合测站群。在离岸较近的区域，可以使用电缆从陆地上连接这些测站为其提供能源，并实时传输数据，离岸较远时，就只能用电池并定期回收设备了。深水联合测站的技术难点也是显而易见的，撇开密封、防腐、安装等问题不说，首先，多种传感器间的相互影响必须降低到最小；其次，测站及电缆的安全必须考虑，如果海床不稳定，来一次滑坡啥的估计测站就血本无归了。 图20、水下联测站示意图
. G- @+ p! F* c3 t7 f! x+ |4. 水下机器人（ROV &AUV）+ r @- ?& @, H7 u5 Y8 N$ d# w7 V# H+ y
虽然浮标和水下联合测站可以获得高质量的原位监测数据，但这两种方式都只能在某一个（或几个）固定位置工作，在一些难以安装或者需要大面积监测的区域，大量投放浮标或水下测站又不现实，所以下面我们就来聊聊水下机器人。3 k( P. H; _7 z5 c
水下机器人是现今世界上最尖端的技术之一，集中了自动控制、特种材料、人工智能、微型传感器等诸多高技术产业的最新成果，一般的屌丝海调单位更是见都没见过，在这里我举两个例子说明一下水下机器人在海洋原位检测领域应用的最新进展。7 P. m8 a) i( ]& E; O9 g, q
与水下联合测站配套的AUV：如果把水下联合测站上安装一个充电装置，然后用一只事先设定好程序的自航式机器人定期离站去目标区采集数据，然后回来充电，好像家用自动吸尘器一样工作，就可以获得测站周围一定范围内的数据了。这种东东说起来简单，但要实现的话就需要水下精确定位导航系统（长基线系统），电磁转换式充电装置，以及AUV可以搭载的非常小巧轻便的各种仪器等，而且这些东西在军用领域都是极度敏感的，所以对大陆的出口限制非常严格，当然，价格也不便宜。
- n8 |, m. |' _/ l无动力AUV（以滑翔器Gillider为例）：早在冷战时期，各个军事大国（呃……貌似就俩）就在开发用于超远距离潜艇监测的设备，这种东西在投入使用时必须没有噪音，而且可以航行非常远的距离，所以，滑翔器诞生了，这种东东拥有完美的流线外形，不需要动力，投放后通过调节自身重心位置实现下沉或上浮，因此没有任何机械噪音，每次浮出水面后通过卫星通信传回数据，然后再次下沉，如果加载被动声纳、定位系统和CTD，就可以作为侦测敌方潜艇的利器，目前民用化之后，主要用来大尺度海洋水文调查，曾有报告说该设备在美国东海岸投放，横跨大西洋后在欧洲回收，获得的数据非常棒。虽然哥也木有用过，但可以预见这种神器将来必然在海洋系统科学领域大红大紫。 图21、水下滑翔机1 D3 H) K% ~, }. {% g" o+ r/ G2 i
5.移动式剖面系统
k" V# M5 [! L移动式剖面仪应用在船开动的时候同时做出传感器的剖面测量，是非常高效的方法，可以边开船边测量，起先只是应用在声速剖面仪的测量上，现在已经扩展应用到CTD测量。国内应用这种方式的应该不多，有的话大多是海军在用，估计是涉及到海底声学信道和声速轨迹来满足如反潜之类的作战需求。在国内浅水区域用这个确实是个梦魇，一套东西几百万，被我大天朝坚不可摧的反（yang）蛙（yu）人（wang）防御系统破坏的可能性极大，所以民用的应用前景看空。
5 R- n- K; }+ c: j2 n使用的过程中随船速的增加而剖面深度而减少，一般最大的船速可以支持到12节，对应剖面深度会是800。静态的情况下对应5000m。在系统的末端一般配有一个重鱼，可以对传感器进行配重，完成相应船速和剖深的操作。其实这个东西简单的可以看成是一个可编程的绞车的变种。 图22、移动式剖面系统原理示意图
9 y7 A/ K0 K0 u1 T6.在线水质监测
+ s2 f5 W: s$ c9 t这种形式通常英文叫做Ferrybox，是原来的一个国际项目转化出来的名字，生产这种观测仪器的厂家不多，印象里就有两家，德国一家，英国一家，德国的科考船用的多一些，英国的商船用的多一些。此系统可以配很多传感器在里面，德国的那家外形看上去比较专业，两家的传感器都可以外挂海鸟等知名厂商的。这种仪器具体的原理就是在船行驶的过程中，用导管把船附近的水抽到他们的仪器里，挨个过一遍传感器，监测完了参数再把剩下的水排出来，达到所谓的"原位"测量。 图23、在线水质监测仪原理图
' X U2 a4 c( c" d- p W7 I7 P后记：9 S1 X9 M$ y; R$ A( S- q
写了这么一大堆，在此多罗嗦几句：任何仪器设备都有它的适用环境，所以作为使用者必须在熟知其原理的前提下对作业环境有清晰的认识，而且要记住，"computeris stupid."它们只是在执行缺省好的程序，能否获得高质量的数据，还要看使用者的智慧和能力！$ [: m1 M+ d; U( H) U6 W
首先，"重要的事情总是简单的，而简单的事情总是难以实现的"，这些精密高效且昂贵的仪器说到底就是一堆实现固定目的的传感器，在使用中就会有很多繁琐的细节，比如密封圈是否及时更改换，密封胶是否涂抹均匀，固定支架是否设计合理等等。举个例子来说，我曾经见过用304不锈钢制作的浪龙支架上竟然使用夹钢螺丝的情况，这不是对不对的问题，而是蠢不蠢的问题！回收时这些螺丝已经氧化得只剩下螺杆（不懂什么原因的请参看初中无机化学），险些造成丢失仪器的重大损失。
* t2 g% r' [& {, [* M: ~7 C. H其次，"如果一个愚蠢的方法奏效，这个方法就不愚蠢"，有的时候，一些看似粗笨的野路子却能够解决非常棘手的问题，尤其是在调查船上这种封闭独立的环境中。作为一只老鸟，我常说"上了船，带再多的工具也只是刚刚够用"，所以很多情况下需要海调人员动用所有可以利用的条件，甚至是一些匪夷所思的方法应付复杂多变的情况。比如，由于原来的浮具太沉，我曾经用一只救生圈和绳索加工固定ADCP的浮具，虽然看似简陋，但实现了同样的目的，更重要的是避免了动用大型起吊设备的麻烦，节约了时间。$ V" B ^# W& Q# d: ^5 c* f- r
再次，海洋研究是一个非常综合的领域，需要从业者具备多学科的综合知识和技能，不要小瞧了船上那些水手和老轨，他们的甲板作业技能和电子电路知识、金属加工常识和技能有时能够决定一个项目的成败！所以，如果你想进入这个行业从事相关工作，这些东西也应该尽量掌握。
& D3 a* i' m J: w n吐槽：) c, J3 r& l( V% m+ Z
现在大大小小的调查船，一上去真跟"八国联军"似的，全是进口设备，咱国家花了那麽多钱、那麽大力气，搞了这么些年，高端海洋装备、调查设备仍然严重依赖进口，尤其是看到某些洋人工程师来国内培训、宣讲时候趾高气昂的操行，真心让人窝火。
- ^5 e; Q% _. _咱自己的东西不行、造不出来，说到底，还是基础学科不行，长寿命的大容量电容造不好、压电陶瓷振片做不好、高精度姿态仪的演演算法搞不好……咱们"追赶"了这么多年，还在追赶，是不是应该反思一下追赶的方式了？# a0 s2 b' b0 O7 f2 ?
不说了，就到这儿吧。 $ f/ r( E7 Q* p+ p1 Z4 s$ V% e# M
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