在东海海域,海底科学观测网需要从海面到海底,全方位立体协同观测,从而深入理解人类活动影响下的长江口东海的物质交换及其生态环境效应,研究东海低氧区的形成机制、生物地球化学过程及对生态环境的影响,探索长江冲淡水与西太平洋边界海流的相互作用。因此,海底观测网的浮标平台提出了新的更高的要求。
业务化运行的浮标平台一般搭载海洋气象传感器、海洋物理传感器和少量海洋化学传感器,主 要测量指定海域的气象特征、温度盐度深度和流速等水文特征。而海底科学观测网的目标在于对东海的全方位观测,不局限于气象和水文特征。因此,海底观测网的浮标平台除了搭载常见的海洋气象传感器(风速、风向、气压、气温、湿度等)、物理海洋传感器(流速、流向、水温、波浪等)外,还要搭载众多的海洋化学传感器,比如用于测量pH值、溶解 氧、水气CO2、硝酸盐、甲烷等的传感器。另外,浮 标平台还要搭载激光粒度仪、光合辐射仪、三波长荧光计、光量子效率仪和浮游生物成像和分类系统,来观察水体中的浊度、光合作用、叶绿素、有机质和生物丰富度。如此多的传感器,对浮标系统的测量项目、传输方式及接口、防护等级、供电及功耗、体积与安装、连续工作时间与维护周期等方面, 提出了较高的要求。浮标平台上传感器的稳定协调工作是海底观测网长期稳定运行的重要保证。 除了需要搭载传感器实现海气界面的观测之外,浮标平台还要承担守护海底缆系的作用。东海地区繁忙的渔业活动对于海底的缆系具有较大的威胁,需要浮标平台提供一定的示警和防护作用, 来提醒渔民注意指定海域底部的缆系,从而提高整个海底科学观测网的稳定性。 为了实现海底科学观测网的全方位观测,除了浮标平台,还需要潜标、四脚架、观测塔等平台同时工作。而这些平台的能量和数据是通过海底的光电复合缆传输的。浮标和部分无缆的潜标必须使用无线通信,才能接入海底科学观测网。无线电波和激光等信息载体在水下衰减剧烈,无法实现水下信息的传输,因此声波成为水下通信的唯一载体。 在海底观测网中,水声通信系统共有3个主要作用: 将无缆区域的浮标和潜标纳入实时海底观测网,将有缆区域的无缆浮标纳入海底观测网、海底电缆通信故障时的数据出水应急通道。借助水声通信,将浮标、潜标、四脚架等平台真正整合为一个有机整体,从而更好地实现数据的实时传输。 和国外传感器相比,国产的传感器优势在于价格便宜、维护方便以及可以提供必要的技术支持, 打破国外的技术封锁。缺点在于测量精度不够、稳定性不够和没有使用经验不足等。另外,某些保密性的数据也只能通过国产的仪器采集和处理。在海底科学观测网中,为了降低后期的运行维护成本,保证声学数据的保密性,需要传感器的国产化。 来源 | 本文节选自《国家海底观测网十米浮标平台系统研究与应用》原刊于《海洋工程装备与技术》2023年6月 作者 | 李清 陆海 等 转载自：数智海洋公众号
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