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海底观测网可称为地球系统的第三个观测平台。海底观测网络包括压力计、检波器、温度传感器、叶绿素传感器、二氧化碳传感器、深度计、盐度计、浊度计、重力计、流速计、水下摄像机等。，将不同的传感器或设备集成到一个节点上，实现大规模同声传译，以达到区域观测的目的。海底信息观测网的建立是当前海洋科学、海洋生态研究、国家安全分析和自然灾害预防的发展需求，测量船方法已不能满足海洋信息采集的需要。因此，美国、日本和欧洲国家花费大量资金建设潜艇观测网，建造水下机器人、水下传感器，海洋大数据中心和水下安全都取得了领先地位。虽然我国海底观测网的建设起步较晚，与世界领先水平还有一定差距，但自国家“十一五”规划实施以来，我国海底观测网也取得了优异的成绩。建成台湾马丘地震海啸观测网、东海小曲山海床观测网、东海界若山观测网、南海深海海底观测实验系统等网络。 本文重点介绍了国外海底观测网的建设和发展规模、形式、设备类型以及我国海底观测网的发展现状，总结了国内外海底观测网的发展趋势。 & j" E; J! w$ }6 }5 i2 r
一、国外海底观测网发展现状 ⒈日本地震及海啸预警观测网 大范围跨区域布置地震检波器和深度计，用来构建海底地震观测网络和海啸预警网络，这一类型的最典型网络是日本的地震海啸预警观测网络，其密集地分布在地震海啸海底观测网DONET系统中，由20个观测点扩展（图1（a）），每个观测点都配备地震观测系统、压力计以及海底水温传感器等，其中宽频带地震计和强震计型号分别为GuralpCMG3和Metrozet TSA100S。DONET主干网络建设采用双端供电以及中继放大的能量、信息传递方式。
（a）DONET网络分布（b）日本海沟地震海啸观测网 图1 日本的海底观测网 2011年3月9.0级地震和海啸袭击日本后，日本进一步开展地震和海啸预警网络建设（图1（b）），覆盖整个日本海沟，共有5个登陆点、150个海底观测节点和5800公里长的连接光缆。网络节点中使用了三种类型的地震计：ja-5型IIIA加速度计（日本航空电子工业有限公司）、omni-2400速度计（地球空间技术）和数字单轴高灵敏度加速度计（数字石英仪器有限公司）。其中，ja-5加速度计在海底观测网有20多年的连续运行经验。海啸预警观测采用美国Paroscific公司提供的高精度海底压力计。网络建设和维护由经验丰富的韩国NEC和KT潜艇承担。网络中的典型节点如图2（d）所示，封装设备尺寸为φ34cm×224cm，节点包括压力表、地震仪、光放大模块、电源模块和通信控制单元。
图2 日本地震及海啸预警网络中应用的传感器及设备节点 日本的地震海啸观测网整体结构以回路线缆结构为主，配备仪器设备辐射节点，主要节点地震及海啸监测设备均采用领域内领先产品，同时也开展新技术的开发及应用。在新型传感器应用层上，日本的Yugo Shindo等也曾报道采用光纤迈克尔逊干涉仪结构的大规模加速度计阵列用于地震测量，并成功记录了2001年的一次地震事件。新技术仪器或传感器可以在网络中实现验证比对，对领域内产品更新以及科技发展起到推进作用。 ⒉加拿大海底观测网 区域尺度海底综合观测网NEPTUNE和近岸尺度观测网VENUS构成了北美最具代表性的海底观测网络，是当前最具代表性的海底观测平台，这两个网络都已并入到加拿大海洋观测网（OceanNetworks Canada Observatory）中统一管理。维多利亚海底实验网络（Victoria Experimental NetworkUnder the Sea, VENUS）是一个基于线缆的海洋观测网，该网络位于不列颠哥伦比亚省海岸外，通过光电复合缆连接到数据中心。VENUS的Saanich Inlet一期建设水深100m，由一个离岸4km的单一节点构成，可支持多达8个水下仪器接口模块（SIIM）。VENUS的第二阶段网络建设在乔治亚海峡（Straitof Georgia），由离岸距离30 km和40km的2个节点构成，水深分别为300m和170m，每个节点可支持多达8 个水下仪器接口模块（SIIM）。加拿大的NEPTUNE综合海底观测网则是以其线缆覆盖范围最大、仪器种类众多而成为世界上第一个区域尺度线缆海洋观测网络，于2009年开始提供实时数据。 该网络位于不列颠哥伦比亚省温哥华岛西海岸，并横跨胡安·德富卡板块（Juan de Fuca Plate），覆盖范围约200000km2，仪器种类达130多种，其分布示意图如图3(a)所示，整个网络共有6个节点、分布在浅海至深海区域。法国Alcatel Submarine Network、美国L3 MariPro、英国的Texcel Technology共同设计并制造了NEPTUNE综合网中的6个防拖网结构主节点及其模块，主节点装配后总重量13t，主节点的输入电压为10kV-DC，输出为400V，0～20A，负电压接地，配备电流持续负载单元以防止主干缆断开导致电能无法持续供应的现象，每个主节点配备6个湿插拔接口可供仪器设备成阵或拓展，每个接口具备双向16GB/s光以太网链接和高达9kW（400V-DC）电能。
图3NEPTUNE网络分布及相关设备 加拿大的Oceanworks公司为其设计建造了14个高能力的水下仪器接口模块SIIM，典型应用在3000m水下环境中，这些SIIM可支持多达10个仪器设备链接其中，每个连接口都配备400V，48V，24V及15V直流供应以及10/100以太通信网口。其水下湿插拔连接头由Teledyne ODI公司研制生产，其400m垂直剖面系统由日本的NGK Ocean公司设计及制造，用来记录海水内的物化作用。对地震波的观测也采用多种地震检波器如CMG-1T 宽频带地震计、Maris地震计、Silicon Audio超低噪声地震计等。Vemco研制的声学发射器以及水声接收器用于海洋生物声学跟踪。 NEPTUNE网络所产生的数据量为每年至少50TB，目前已经积累了10a的数据量，数据种类众多且允许公开访问。这些数据直接支撑了板块构造研究、地震动力学、海洋气候对生态系统影响等领域的深入研究，并可满足公共用户对海洋的猎奇愿望。 对于我国的综合海洋观测网络建设而言，NEPTUNE网络极具参考价值。 ⒊美国海底观测网 ⑴OOI计划海底观测网在北美洲的海洋观测 网除了NEPTUNE之外，还有美国海洋观测计划（Ocean Observatories Initiative, OOI）发展下建立的网络集合。OOI的合作单位由伍兹霍尔海洋研究所、俄勒冈州立大学、华盛顿大学、罗格斯大学、雷声公司等海洋领域权威机构组成。该计划已经在美洲大陆架邻近海域内建立了6个观测站，由美国国家科学基金会（NSF）提供资助，其中以线缆为主干网络的区域缆线阵列（RCA）也是铺设在胡安·德富卡板块上（图4），传感器设备已经超过140种，其主干网络具备10kV，8kW的电能供应以及10GbE的双向通信带宽。
图4 OOI海底线缆观测网 RAC网络中有7个主节点，每个主节点都可提供8kW功率、10GbE通信带宽以及授时脉冲，并于2014年起全部平稳运行。水下次级接驳盒（Junction Box）由UW RCA应用物理学实验室研制，每个次级接驳盒都具备8个传感器连接端口，每个端口具备电源（12、24及48V-DC）、10/100Mbps以太网通信、RS232、RS485以及精准授时（授时精度约为10μs）。其生物学声呐采用线缆型主动声呐，型号为Kongsberg Simrad EK60；其宽频带水听器采用被动声呐，阵元数量为6个，型号为OceanSonics icListen HF宽频带水听器；其低频水听器阵列频率范围2Hz～20kHz，型号为Ocean SonicsicListen LF水听器。其水下摄像机型号为SubC 1Cam，以高像素、高帧率状态提供实时水下影像信息；其海底压力计型号为Sea-Bird54。网络中还有一种由UW 应用物理学实验室研制的新型仪器——水平回声测声仪（HPIES），该仪器利用海底压力传感器、12kHz翻转式回声仪、水平静电计对海水的竖直方向流场信息进行测量。OOI-RCA网络所用设备参见图5。
图5OOI-RCA网络中所用的部分设备 ⑵美国MARS网络在北美区域的海洋观测 网络除了NEPTUNE以及OOI计划线缆观测网以外，还有美国的蒙特雷加速研究系统海底观测网（MARS）（参见图6（a））。
（a）网络结构示意图（b）海底远距离布缆机 图6MARS观测网结构以及水下远距离线缆铺设机 MARS为北美地区的海底设备验证提供加速平台，该网络只包括一个水下主节点，节点的重量为2100kg，体积为4000L，具备8个端口，每个端口配备400VDC、48VDC、1pps精度时标信号和一个100baseT以太网通信路径，并可对每个端口的功率和带宽通过软件（MBARI 2005）进行限制。该节点水深891m，离岸与岸基站间海缆长度52km，在部署主节点100m范围内的设备时只需要简单的水下ROV布设即可，而超过100m的需要采用线缆布设设备MBARI 线缆布设机（参见图6（b）），该设备可携带对7.6mm规格线缆5km。 MARS网络为深海应用的新设备提供电能和数据通信，允许科研工作者设计新的海洋观测仪器以快速进行深海试验。MARS也为我国的海洋网络发展提供了加速验证的平台。2011年4月，同济大学牵头的科研团队将一个次级接驳盒以及两个传感器集成终端连接在MARS主节点上进行6个月的实验验证，铺设工具为MARS的ROV Ventana，所有仪器设备一次性铺设成功并工作正常，重点验证了海底能源供应、线缆通信、水下离子色谱原位分析技术、海洋动力环境监测等技术。中国节点的测试验证了我国海底观测网的基本功能，为中国的海洋观测网构建进行了关键性验证。当前，MARS网络（图7）正在测试的系统有3种，分别是用于长期监测海底地形变化的地震传感器模块（GSSM）、记录无光状态下生物荧光的项目，以及记录海洋生物、自然过程以及人类活动的海洋声背景系统。
图7MARS当前开展的项目 MARS海底观测网络加速了北美（主要是美国和加拿大）海底应用技术及设备的发展进程，是其海底观测领域研究保持领先的关键因素，也为我国以海底线缆连接的观测网提供了技术验证平台和发展思路借鉴。 ⒋欧洲海底观测网 欧洲的海底观测网络EMSO是以早期的ESONET为基础而建立的，由分布在从北极圈到黑海范围的12个关键区域网络集合而成（图8（a）），各个区域网络规模配备不同，主体上分成以线缆为能源、数据传输基础的实时观测网络（图8（b））, 以及以浮标平台为基站的准实时传输的观测网（图8（c））。
图8EMSO关键站点分布及主要结构示意图 最终目标是实现欧洲范围内深海多学科观测研究的集成，加强欧洲海洋观测网的科学技术力量。该网络由14个国家的50多个研究机构共同管理，也正是因为其机构众多，网络分布及其功能侧重点不同，导致其整体发展速度与美国、加拿大、日本的海底观测网相比较为缓慢。2012年底，EMSO网络建设结束了其第一阶段的准备工作，建成了永久式观测站点，目前正处于数据管理及机构管理统一过渡阶段。 在EMSO网络平台上已经部署验证的传感器有宽带3-C地震仪（Guralp CMG1T）、磁力计（GEMSystem）、重力仪、水听器、高精度海底压力计、差分压强计、声学多普勒流速剖面仪ADCP、3分量流速计、CTD（Seabird）、透射仪、浊度计、气体传感器（Capsum）、化学分析仪、辐射计、自动水体采样计（图9）。
（a）装备的潜标（b）通信浮标（c）水气体监测模块 图9 EMSO网络中所用设备 各个子站点网络根据其节点特性需求，配备的设备及传感器的规模也不同。例如，北极节点（图10（a））处于北冰洋冰层融化流入大西洋关键带上，主要目标是长期跟踪北大西洋和北冰洋交汇处的环境变化，实验验证控制深海生物多样性的关键因素；黑海观测网（图10（b））位于欧亚大陆最大的区域型海洋，主要观测目标是环境问题研究、自然灾害影响、深海区域气体监测；伊比利亚观测网（图10（c））位于欧亚大陆和非洲板块结合海底隆起处，此处地质活动频繁，主要观测目标是对地震活动进行监测。
（a）北极网络（b）黑海网络（c）伊比利亚网络 图10ESONET网络中的3个子网络 ⒌塞浦路斯海啸预警网 位于欧亚大陆交汇位置的塞浦路斯也于2012年前在地中海上建成了海啸预警及响应系统网络（TWERC）第一期工程（图11）。网络所在深度约1900m，海底光电缆总长度255km，共5个海底节点，1个锚系平台以及1个海水接地阳极。该网络建设由美国Csnet 国际有限公司以及Harris CapRock通讯公司承接设计建设。采用浮标为通信基站的理念，将节点所收集的信息进行准实时传输，主节点由Ocean Works设计生产，水下设备主要是地震计以及海啸传感器。
（a）网络概念图（b）网络铺设路线图（c）主节点以及浮标 图11 TWERC网络 ⒍国外海底观测网发展趋势 从世界先进海底观测网的发展状况可以看出，其先进的海底观测网建设促进了海洋科学、水下仪器设备和自然灾害预测的发展，形成了两种海底观测网模式：基于电缆的实时数据传输观测网和以浮标平台为关键节点的准实时数据传输网。网络规模不仅包括可用于加速水下系统能力验证的单节点网络，还包括区域规模的综合海洋观测网络，以及以浮标平台为海上节点的准实时数据传输海底观测网络。单节点网络可以加速新设备和传感器的水下验证。区域级网络用于加速多学科发展和提高灾害预警能力，而浮标平台网络则作为补充铺设在近海区域。降低建设成本是国外潜艇观测网的发展趋势。 / R. ?+ {* e: p) L6 X
二、我国海底观测网发展现状 从国外的海洋观测网建设中可以看出，海洋观测网的建设和发展离不开国家和地方的大力支持。我国的海洋观测网从“十一五”期间开始规划，“十二五”期间进行建设，“十三五”期间大力发展。海洋观测网研究及建设的主要单位有台湾大学、同济大学、中国科学院声学研究所、中船重工第715研究所、亨通集团有限公司等单位，重点参与建设了中国东海、南海区域的海洋观测网及海上平台工程以及国际联合海洋观测项目。建成了以海底地震及海啸预警为主要目标的中国台湾地区水下观测网（MACHO）、中国东海小衢山海底观测系统、中国东海摘箬山海底观测系统，以及中国南海陵水基地“南海海底观测网实验系统”等。 ⒈中国台湾地区MACHO观测网 中国台湾地区的男子气概观测网借鉴日本DONET的建设计划，于2007年启动，由日本电气有限合伙公司（NEC）建造，并于2011年底投入运营。网络规模的登陆点位于台湾省宜兰县。系统总能量供应为1kV，传输带宽大于2G字节。光缆长约45km，水深300m以内。主电缆的尾部由分支单元（BU）分为两部分。一个用作海洋地面，在海水中形成电能供应电路，另一个与终端设备（传输功能）、传输电缆和水下观测仪器连接，并负责仪器数据的包装。4端口节点可用于连接各种水下仪器。该节点具有网络集线器、能源供应、时钟同步和双向通信等功能。供电容量高达600V，数据带宽为622Mbps。ROV用于部署和连接水下节点和观测平台。地震传感器配备宽带地震仪，型号为cmg-3tc，由guralp生产；强地震仪是由metrozet公司生产的tsa-100s型地震仪。压力计用于检测海水压力的变化，以监测海啸。压力表为石英晶体频率输出型。此外，它还与CTD记录仪和水听器相连。目前，该网络主要用于区域背景噪声研究和灾害预警研究。Macho网络结构如图12所示。
图12 中国台湾地区MACHO网络结构图 ⒉中国东海及南海观测网络 东海海底观测网以小曲山海底观测网和界若山海底观测网为代表。同济大学于2009年建造的小曲山海底观测试验台由1.1km长的光电复合电缆、具有防拖网结构的水下功能箱、水上平台、CTD、浊度仪和声学多普勒剖面仪（ADCP）组成。2011年，由上海市科委资助，升级建设综合海底观测网，升级水下设备、能源供应和数据传输，增加浊度仪、地震仪、水下视频设备、CO2传感器等信息采集设备和传感器；数据传输方式采用多通道CDMA数据输出技术和大容量无线数据传输技术；增加太阳能电池板，改进能源供应技术；光缆长度750km，平均水深可达50m。浙江大学于2014年建成了界若山潜艇观测网实验平台，重点研究和突破了潜艇接线盒工程技术，也确保了上述美国火星网中国节点的验证。 2013年5月，三亚海底观测示范系统投入运行。该系统由岸上基站、2km光电复合电缆、1个主接线盒、1个副接线盒、3套观测设备、1个声学网关节点和3个观测节点组成，实现水声通信与海底电缆观测网的连接。接线盒布置深度为20m。 2016年9月，由中国科学院声学研究所牵头的“南海深海海底观测实验系统”建成。该系统于2012年开始建设，有浙江大学、中天科技大学、同济大学等12个单位参与。铺设长度约150km，深度1800m。
图13 2017年立项的海底科学观测网项目示意图 东海和南海的典型网络证明了我国海底观测网的基础建设能力，为后续进一步的海洋观测网络发展应用提供了加速验证的平台，试验系统网络的建设也为2017年正式立项的海底观测大工程项目奠定了基础。2017年，海底科学观测网项目（图13）获得国家发改委支持，总投资逾21亿元人民币，规划时间为5a，计划在东海和南海关键海域建设基于光电复合缆的海底科学观测网，并由同济大学与中科院声学所分别负责东海以及南海子网络的建设工作，拟建设成为我国的首个开放式综合海底观测网络。该项目的确立也标志着我国海底观测网的全面集中建设的正式开启。 ⒊我国海底观测网发展趋势 与EMSO观测网、日本地震海啸预警观测网、加拿大海王星综合观测网和美国Ooi计划发展潜艇观测网相比，中国的潜艇观测网起步约10年。就海上施工能力而言，国内海底光电复合电缆供应商包括中天科技、恒通集团、通光集团等单位。积极参与海底光缆生产和海洋工程建设，积累了一定的工程经验。在海底观测网设备供应领域，主接线盒、二次接线盒、电源模块等一系列产品设备在国内尚处于原型开发和供应阶段。但由同济大学、浙江大学、声学研究所、中科院等单位联合研制的中国节点在美国火星网的测试结果表明，中国海底观测网设备的科技能力已达到国外同类水平，东海小曲山海床观测网和界若山海床观测网具备海洋观测网设备测试能力。在此基础上，通过国家层面的大力支持和与世界级海底观测网的深入交流学习，可以预计中国的海底科学观测网将于2022年底建成。中国海底综合观测网的技术水平可以实现多学科覆盖、海洋大数据处理能力、海洋仪器设备等领域的快速发展。 3 |* S) Y5 E, ^0 {
三、海底观测网发展趋势 通过对国内外潜艇观测网建设现状的分析,，由此可见，海底观测网的主要发展模式是基于电缆的实时数据传输观测网和以浮标平台为关键节点的准实时数据传输网的互补模式。典型电缆系统采用光电复合电缆敷设技术和ROV辅助节点布置。根据布置区域的离岸距离和规模，可分为三类：近岸电缆观测系统（距岸基站小于10km）、岸线电缆观测系统（距岸基站10~200km）和区域电缆观测系统（距离海岸基站200公里以上）。 测量传感器和观测仪器主要是该领域的先进设备，为新设备预留标准的湿插接端口，为新技术实验提供可靠的平台，以浮标平台为关键节点的准实时数据传输潜艇观测网主要铺设在远海（>200km）的深海区域。浮标平台提供能源和通信（移动通信和卫星通信）对于海底观测系统，其能量选择可采用太阳能和风力发电的形式，数据传输形式多为准实时方式，与大型电缆海底观测网相比，以浮标平台为关键点的准实时观测网可为海底观测系统提供更多的能量选项和容错。单节点网络加速验证新设备和传感器的水下能力。区域规模网络用于加速多学科发展和提高灾害预警能力，而浮标平台网络则作为一个补充铺设在近海区域降低建设成本是海底观测网的总体发展趋势。 ; z9 Q) c( n6 Z* A" o
四、总结 详细介绍了最典型的海底观测网的建设与发展规模、形式、设备类型以及我国海底观测网的发展现状，总结了国内外海底观测网的发展趋势。本文重点介绍了日本海底地震和海啸观测网、加拿大海洋观测网、美国Ooi计划海底观测网、欧洲海底观测网和以浮标为通信基站的塞浦路斯海啸预警网。详细介绍了各网络的主要功能和设备类型，详细介绍了我国海底观测网的发展现状。通过比较可以看出，中国的潜艇观测网建设成功地借鉴了国外潜艇观测网的建设经验：台湾的潜艇观测网借鉴了日本地震海啸预警网的建设经验；东海小曲山观测网、洁若山观测网成功借鉴美国火星海底观测网和加拿大金星观测网，可作为我国海底观测网设备的加速验证平台，加快我国海底观测网的发展；2017年获批的大型海底观测项目成功借鉴了加拿大海王星和美国Ooi计划。因此，通过分析我国海底观测网的发展趋势，可以预测到2022年底，我国大型综合海底科学观测网将建成。最后，总结了海床观测网的总体发展趋势，认为未来海床观测网将按照基于电缆的实时数据传输观测网和以浮标平台为关键节点的准实时数据传输网的互补模式发展。单节点网络加速了新设备和传感器的水下验证。区域尺度网络用于加快多学科发展，提高灾害预警能力，浮标平台网络作为补充铺设在近海区域。降低阶段建设成本将是海底观测网的总体发展趋势。 | 
