自動(dòng)剖面浮標(biāo)研究現(xiàn)狀及展望

陳 鹿 ，潘彬彬，曹正良，崔維成

（1.上海海洋大學(xué) 海洋科學(xué)學(xué)院 深淵科學(xué)與技術(shù)研究中心，上海 201306；2.上海深淵科學(xué)工程技術(shù)研究中心，上海 201306）

自動(dòng)剖面浮標(biāo)研究現(xiàn)狀及展望

陳 鹿 ，潘彬彬，曹正良，崔維成*

（1.上海海洋大學(xué) 海洋科學(xué)學(xué)院 深淵科學(xué)與技術(shù)研究中心，上海 201306；2.上海深淵科學(xué)工程技術(shù)研究中心，上海 201306）

回顧了自動(dòng)剖面浮標(biāo)的發(fā)展歷程，自動(dòng)剖面浮標(biāo)由Swollow提出的中性浮子發(fā)展而來，演變到現(xiàn)在的PROVOR型、APEX型、SOLO型等自動(dòng)剖面浮標(biāo)。文中介紹了Argo計(jì)劃中幾種主要的自動(dòng)剖面浮標(biāo)，其浮力調(diào)節(jié)原理主要是通過改變浮標(biāo)在水中的排水體積實(shí)現(xiàn)自動(dòng)沉浮，從而測量水的溫度、鹽度、深度等數(shù)據(jù)。對(duì)常規(guī)(＜2 000 m)和深海(＞2 000 m)自動(dòng)剖面浮標(biāo)進(jìn)行比較，大部分深海自動(dòng)剖面浮標(biāo)耐壓結(jié)構(gòu)已經(jīng)采用球形設(shè)計(jì)，浮標(biāo)受壓后變形小且可減輕浮標(biāo)自重；單沖程柱塞泵改變?yōu)轶w積較小的液壓泵，提供超高壓的同時(shí)可以充分利用球體空間。目前，常規(guī)自動(dòng)剖面浮標(biāo)已廣泛應(yīng)用到海洋環(huán)境數(shù)據(jù)的調(diào)查、收集，而深海自動(dòng)剖面浮標(biāo)仍處于研發(fā)與試驗(yàn)階段，面臨諸多的技術(shù)挑戰(zhàn)，對(duì)浮標(biāo)的可靠性提出了更高的要求。

自動(dòng)剖面浮標(biāo)；發(fā)展歷程；浮力調(diào)節(jié)；技術(shù)挑戰(zhàn)；發(fā)展方向

自動(dòng)剖面浮標(biāo)也就是“自律式拉格朗日環(huán)流剖面觀測浮標(biāo)”或“自持式剖面自動(dòng)循環(huán)探測儀”，是一種可以在海洋中自由漂移，采用拉格朗日環(huán)流法自動(dòng)測量海面到一定水深的海水溫度、電導(dǎo)率（鹽度）和壓力，并跟蹤其漂流軌跡來獲取海流的速度和方向的測量儀器[1]。

美國和日本等國家的大氣、海洋科學(xué)家在1998年提出了全球海洋實(shí)時(shí)觀測計(jì)劃，構(gòu)想用3～5 a時(shí)間（2000-2004年）在全球大洋中每隔300 km布放一個(gè)衛(wèi)星跟蹤浮標(biāo)，由總計(jì)為3 000個(gè)的自動(dòng)剖面浮標(biāo)組成一個(gè)龐大的全球海洋觀測網(wǎng)，該計(jì)劃稱之為“Argo計(jì)劃”，在該計(jì)劃中使用的自動(dòng)剖面浮標(biāo)稱為“Argo浮標(biāo)”[1]?！癆rgo計(jì)劃”促進(jìn)了自動(dòng)剖面浮標(biāo)的發(fā)展。

自動(dòng)剖面浮標(biāo)組網(wǎng)后可以快速、準(zhǔn)確、大范圍地收集全球海洋上層的海水溫度、電導(dǎo)率（鹽度）、壓力等剖面資料，這些資料的應(yīng)用有利于提高對(duì)全球海洋熱儲(chǔ)存總量的估算精度，提高對(duì)全球溫室效應(yīng)引起的全球氣候變暖與海平面上升的預(yù)報(bào)精度，幫助預(yù)測未來發(fā)展趨勢，在改進(jìn)季節(jié)性氣候預(yù)報(bào)和加深對(duì)颶風(fēng)、臺(tái)風(fēng)活動(dòng)的認(rèn)識(shí)中起到了關(guān)鍵作用。提高氣候預(yù)報(bào)的精度，能夠有效防御全球日益嚴(yán)重的氣候?yàn)?zāi)害[2]。

此外，自動(dòng)剖面浮標(biāo)獲取的資料對(duì)預(yù)測開闊大洋上溢油的影響以及幫助和指導(dǎo)遠(yuǎn)洋漁業(yè)生產(chǎn)等都具有極高的應(yīng)用價(jià)值。在印度洋已經(jīng)開始用Argo浮標(biāo)監(jiān)測次表層溫度與鹽度的變化，監(jiān)測結(jié)果將有助于分析這種變化是自然變異的一部分，還是由于人類活動(dòng)所引發(fā)的。

在北大西洋，2 000 m深處的溫、鹽度關(guān)系變化較快，對(duì)剖面浮標(biāo)獲取的資料采用延時(shí)模式校正十分困難，將自動(dòng)剖面浮標(biāo)的觀測深度從目前的2 000 m延伸到更大深度上，獲取更深的觀測資料非常必要[3]。

自動(dòng)剖面浮標(biāo)使用的雙向通信系統(tǒng)改變其剖面深度、循環(huán)時(shí)間以及其他參數(shù)等，新傳感器的使用可增加重要的地球化學(xué)和生物學(xué)信息，將自動(dòng)剖面浮標(biāo)延伸到更大的觀測深度、季節(jié)性冰區(qū)、邊緣海和邊界流采樣，使其覆蓋范圍和測量范圍更廣，隨著自動(dòng)剖面浮標(biāo)資料數(shù)量的增加和質(zhì)量的提高以及應(yīng)用研究領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大和深入，自動(dòng)剖面浮標(biāo)所獲取的資料在氣候監(jiān)測和氣候變化預(yù)測、災(zāi)害性天氣事件的預(yù)報(bào)、漁業(yè)和海洋生態(tài)系統(tǒng)的監(jiān)測和管理以及交通運(yùn)輸和軍事等領(lǐng)域的應(yīng)用成果將會(huì)越來越多[3]。

1 自動(dòng)剖面探測浮標(biāo)

1.1 自動(dòng)剖面浮標(biāo)的發(fā)展歷程

浮標(biāo)雛形是利用歐拉法和拉格朗日法探測海表面和深層海流而制作的一種測量儀器。自動(dòng)剖面浮標(biāo)是在中性漂流浮標(biāo)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，綜合了傳感器技術(shù)、衛(wèi)星定位和通信技術(shù)。

1955 年，英國國家海洋研究所的John C Swallow提出了中性浮標(biāo)的概念，與此同時(shí)Stommel也提出了直接測量深海海流中性浮標(biāo)的概念。隨著水聲技術(shù)的成熟，利用中性浮標(biāo)實(shí)現(xiàn)了對(duì)深層海流的測量[5-8]，如北大西洋東部海盆的深層流，墨西哥灣流，馬尾藻海深層渦流等。自從Swallow等在1961年成功測量墨西哥灣流之后，人們對(duì)大洋環(huán)流的認(rèn)識(shí)很大一部分來自中性浮標(biāo)。

在20世紀(jì)60年代末70年代初，海洋浮標(biāo)的研制進(jìn)程因海洋石油開發(fā)為主導(dǎo)的海洋資源開發(fā)的興起得到了加速。

Swollow中性浮標(biāo)由鋁質(zhì)圓柱外殼、電池、聲學(xué)脈沖發(fā)送器、通訊設(shè)備等組成，通過船載聲學(xué)設(shè)備接收數(shù)據(jù)，可以用來測量深層流與幾百千米直徑的渦流和環(huán)流，但浮標(biāo)布放深度和漂流范圍受聲學(xué)信號(hào)的接收范圍限制。

Rossby和Webb[9]于1970開發(fā)的基于高能量250 Hz聲源的SOFAR型浮標(biāo)（sound fixing and ranging），可實(shí)現(xiàn)大范圍跟蹤，使用壽命長達(dá)數(shù)年。但SOFAR型浮標(biāo)體積龐大，重達(dá)430 kg，操作不方便。

1986 年，Rossby等[10]對(duì)這些問題進(jìn)行了改進(jìn)，也就是沿用到現(xiàn)在的RAFOS型浮標(biāo)[11]。其工作方式的改進(jìn)大大減小了浮標(biāo)的體積和重量，并延長了水下作業(yè)時(shí)間。

1992 年，Russ Davis和Dou g Webb[12]開始著手研制自動(dòng)剖面浮標(biāo)(ALACE)，該型浮標(biāo)具有多年使用壽命，可以在無冰海域?qū)Υ伪韺恿魉龠M(jìn)行測量，用Argos衛(wèi)星系統(tǒng)通信和定位，擺脫了聲學(xué)定位系統(tǒng)的制約，減少了布放成本，提高了布放作業(yè)的機(jī)動(dòng)性，使得應(yīng)用范圍更加廣泛。ALACE型浮標(biāo)改變了RAFOS和SOFAR使用的拋載重物上浮，使用油囊式浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，通過改變浮標(biāo)的排水體積來改變浮力大小，實(shí)現(xiàn)了重復(fù)從水下到水面的自主上浮下潛。法國的MARVOR型浮標(biāo)[23]也沿用了該方法。隨著法爾茅斯科學(xué)儀器和海鳥電子聯(lián)合開發(fā)的高穩(wěn)定性能CTD的使用，將ALACE型浮標(biāo)改進(jìn)為PALACE型浮標(biāo)[13]。

1996 年，D’Asaro等[14]開發(fā)的自動(dòng)剖面浮標(biāo)成功地對(duì)紊流區(qū)域三維海水的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了跟蹤，結(jié)合壓力和溫度測量垂直水通量和評(píng)估垂直熱通量。

1.2 常規(guī)自動(dòng)剖面浮標(biāo)

常規(guī)自動(dòng)剖面浮標(biāo)的觀測深度小于2 000 m[15]。

PALACE型浮標(biāo)技術(shù)的成熟和成功應(yīng)用加快了科學(xué)家們探索海洋的步伐，并首次提出了全球海洋次表層溫、鹽剖面觀測Argo計(jì)劃[16]，同時(shí)也促進(jìn)了自動(dòng)剖面浮標(biāo)的研制。美國、法國、加拿大相繼開發(fā)和生產(chǎn)出自動(dòng)剖面浮標(biāo)，支持國際Argo計(jì)劃的實(shí)施，Argo浮標(biāo)的測量過程，如圖1所示。法國IFREMER研究所與加拿大MetOcean公司共同研制了PROVOR型剖面浮標(biāo)、美國Teledyne Webb公司研制的APEX型剖面浮標(biāo)、Scripps海洋研究所研制的SOLO型剖面浮標(biāo)均用到海洋溫、鹽、深的剖面觀測中[17-18]。

圖1 Argo浮標(biāo)的測量過程[19]

與此同時(shí)，Argo核心觀測區(qū)域也擴(kuò)大到高緯度海區(qū)[3]。隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，高緯度浮標(biāo)裝備有探冰傳感器，可以等到在無冰海區(qū)浮出水面時(shí)再發(fā)送觀測資料，或?qū)⒂^測資料儲(chǔ)存起來，等夏天冰蓋融化后再把資料發(fā)回地面，與銥衛(wèi)星通訊相結(jié)合的高緯度浮標(biāo)其失效率與無冰海區(qū)相當(dāng)。圖2為高緯度浮標(biāo)的測量過程。

圖2 裝備有探冰傳感器的浮標(biāo)測量過程[20]

截至2016年4月份，大約有18種類型的剖面浮標(biāo)處于正常運(yùn)行狀態(tài)，主要以美國和法國為主[21]。其中早期使用的PALACE型剖面浮標(biāo)已被淘汰，美國產(chǎn)APEX型剖面浮標(biāo)最多，占4月份月總數(shù)的50%左右，其次為法國產(chǎn)APVOR型剖面浮標(biāo)，約占12%。在18種浮標(biāo)中，超過100個(gè)以上的有8種，約占總數(shù)的96%。其中美國產(chǎn)6種（如APEX，SOLO_Ⅱ，NAVIS_A，S2A，SOLO和SOLO_W），占總數(shù)的80%左右；法國產(chǎn)2種（如APVOR和PROVOR），占總數(shù)的16%左右。表1所列Argo計(jì)劃中使用的主要浮標(biāo)性能。

表1 Argo計(jì)劃中主要使用到的2 000 m浮標(biāo)性能指標(biāo)

截至2016年5月底，全球海洋范圍內(nèi)布放的Argo浮標(biāo)已有3 918個(gè)，如圖3所示。

圖3 全球布放的Argo浮標(biāo)[4]

自動(dòng)剖面浮標(biāo)資料傳輸?shù)姆绞揭灿稍瓉韱我坏腁rgos單向通訊，擴(kuò)展到可選的Iridium、Argos-2或北斗雙向通訊，全球Argo實(shí)時(shí)海洋觀測網(wǎng)提供觀測信息和數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)的衛(wèi)星系統(tǒng)中利用Argos衛(wèi)星系統(tǒng)的浮標(biāo)最多，約占總數(shù)的53%；其次為Iridium衛(wèi)星系統(tǒng)，約占46%左右[21]。

自動(dòng)剖面浮標(biāo)攜帶的傳感器除了測量溫度、電導(dǎo)率和壓力等物理海洋環(huán)境參數(shù)之外，傳感器開始向生物地球化學(xué)領(lǐng)域拓展，一些加裝了如溶解氧[22-23]、葉綠素、生物光學(xué)、硝酸鹽和pH等生物化學(xué)要素傳感器的剖面浮標(biāo)正逐年增多，呈快速發(fā)展趨勢[20]。

我國剖面浮標(biāo)的研究工作始于“九五”計(jì)劃末期，期間解決了剖面浮標(biāo)的若干關(guān)鍵技術(shù)。“十五”期間正式立項(xiàng)研制自動(dòng)剖面浮標(biāo)。

2003 年，國產(chǎn)自動(dòng)剖面探測浮標(biāo)COPEX（China Ocean Profiling Explorer）成功進(jìn)行了布放試驗(yàn)[8,10]。

我國自動(dòng)剖面浮標(biāo)研制雖然起步較晚，但自行研制的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)具備為用戶確定其地理位置的能力。在中國及其周邊區(qū)域，北斗用戶機(jī)系統(tǒng)中用戶與用戶、用戶與中心控制系統(tǒng)間均可實(shí)現(xiàn)雙向簡短數(shù)字報(bào)文通信，用戶終端具有雙向數(shù)字報(bào)文通信能力[24-25]，已經(jīng)成功應(yīng)用在自動(dòng)剖面浮標(biāo)上。

目前，我國投向市場的常規(guī)自動(dòng)剖面浮標(biāo)主要有國家海洋技術(shù)中心研制的COPEX浮標(biāo)和中船重工710所研制的HM2000浮標(biāo)，其主要性能如表2所示。

表2 國產(chǎn)2 000 m常規(guī)自動(dòng)剖面浮標(biāo)主要性能指標(biāo)

1.3 深海自動(dòng)剖面浮標(biāo)

深海的水文觀測往往受限于船載水文儀器或者海底錨鏈觀測裝備。雖然常規(guī)自動(dòng)剖面浮標(biāo)為科學(xué)研究提供了大量的數(shù)據(jù)，獲得更高的時(shí)間和空間分辨率，但海洋系統(tǒng)的復(fù)雜性和不確定性，以及海洋要素變化導(dǎo)致的氣候變化等。使得獲取更深的觀測資料非常必要。因此，獲得深海更密集的采樣需求被科學(xué)家們廣泛認(rèn)可，這樣不僅可以幫助人們建立更加完整的模型來研究海洋中某些因素之間的相互關(guān)聯(lián)和影響，在某種程度上，還可以通過一套復(fù)雜的因素在大范圍的空間和時(shí)間尺度下對(duì)地球物理，化學(xué)，生態(tài)生物量同時(shí)產(chǎn)生影響，利用多學(xué)科方法綜合分析，有效地評(píng)估氣候變化和人類活動(dòng)的影響等。深層海水的變化與輸送，對(duì)全球氣候變化的作用和影響甚至更大。因此，國際Argo計(jì)劃啟動(dòng)深海（大于2 000 m）Argo觀測，發(fā)起對(duì)深海Argo剖面浮標(biāo)的研制。深海自動(dòng)剖面浮標(biāo)可以滿足大尺度測量溫度、鹽度、深度以及觀測大洋環(huán)流的需求，結(jié)合其它觀測系統(tǒng)技術(shù)，是對(duì)常規(guī)浮標(biāo)大尺度觀測的補(bǔ)充[15]。

表3 國外深海自動(dòng)剖面浮標(biāo)

目前，國際上的深海自動(dòng)剖面浮標(biāo)主要有Scripps Institution of Oceanography開發(fā)的 Deep SOLO和Teledyne Webb開發(fā)的Deep APEX型浮標(biāo)[26-27]，這兩款浮標(biāo)最大下潛深度可達(dá)6000m，DeepAPEX型浮標(biāo)已經(jīng)推向市場。由日本海洋科技研究中心和Tsurumi Seiki Co.Ltd.(TSK)公司聯(lián)合開發(fā)的Deep NINJA型浮標(biāo)、由IFREMER開發(fā)并由生產(chǎn)商N(yùn)KE制造的Deep Arvor型浮標(biāo)的下潛深度已經(jīng)到達(dá)4 000 m[15]。然而，我國在深海自動(dòng)剖面浮標(biāo)上仍然是空白。圖4為深海自動(dòng)剖面浮標(biāo)。

2 自動(dòng)剖面浮標(biāo)的組成

縱觀常規(guī)型自動(dòng)剖面浮標(biāo)，外觀基本都是圓柱形耐壓殼體設(shè)計(jì)。主要由水密耐壓殼體、機(jī)芯、液壓驅(qū)動(dòng)裝置、傳感器、控制/數(shù)據(jù)采集/存儲(chǔ)電路板、數(shù)據(jù)傳輸終端（PTT）和電源等部分組成。

圖4 深海自動(dòng)剖面浮標(biāo)[15]

頂部是半球形上蓋，裝載剖面測量CTD、通訊定位天線、抽真空密封結(jié)構(gòu)件等。圓柱殼體底部為半球形下蓋,下端裝一碟形雙腔皮囊（如圖5所示），一個(gè)為氣囊，一個(gè)為油囊。

浮標(biāo)內(nèi)部機(jī)芯為一矩形底板,該底板上裝有柱塞泵、氣泵、液壓管路、控制電路板、電池組、電機(jī)等。機(jī)芯將浮標(biāo)兩端半球形端蓋連結(jié)成體并使其密封,浮標(biāo)外觀如圖6所示。

圖5 自動(dòng)剖面浮標(biāo)蝶形雙腔皮囊

圖6 機(jī)芯及圓柱形外殼

浮標(biāo)控制系統(tǒng)主要由CTD測量模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、定位通訊模塊、電源模塊、浮力調(diào)節(jié)模塊和艙內(nèi)傳感器組成[28-30,24-25]，其控制系統(tǒng)組成如圖7所示。

圖7 自動(dòng)剖面浮標(biāo)控制系統(tǒng)模塊圖

3 自動(dòng)剖面浮標(biāo)浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)

物體在水中實(shí)現(xiàn)沉、浮運(yùn)動(dòng)通常有3種途徑：（1）改變物體的體積而不改變重量；（2）改變重量而體積不變；（3）增加或減少所施加的外力[1,30]。

3.1 可調(diào)壓載式浮力調(diào)節(jié)裝置

可調(diào)壓載式浮力調(diào)節(jié)裝置，即在體積不變的情況下，通過改變自身重量來調(diào)節(jié)凈浮力的大小。此種調(diào)節(jié)方式的調(diào)節(jié)能力強(qiáng)、浮力變化范圍大，多用于大型潛水設(shè)備。一般采用可棄壓載物或者可調(diào)壓載水艙兩種方式來實(shí)現(xiàn)。

可棄壓載調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)方式結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)現(xiàn)成本較低，但是不能對(duì)浮力重復(fù)調(diào)節(jié)。在水下固體壓載物被拋棄后，就無法重新獲得壓載，因此隨著壓載物不斷的減少，其調(diào)節(jié)能力也在逐漸的喪失[31]。

可調(diào)壓載水艙式的浮力調(diào)節(jié)裝置，則是通過改變水艙注水量的大小來調(diào)節(jié)水艙重量，從而調(diào)節(jié)凈浮力的大小[32]。由于潛水設(shè)備處于水中，將水作為壓載物就可以實(shí)現(xiàn)壓載的可重復(fù)調(diào)節(jié)。當(dāng)需要上浮時(shí)，向水艙中充入高壓氣體將水壓出水艙，當(dāng)需要下潛時(shí)，則向水艙中加水。這種調(diào)節(jié)方式可以實(shí)現(xiàn)凈浮力的大范圍變化，且相比于固體可拋式壓載可以實(shí)現(xiàn)重復(fù)調(diào)節(jié)。

目前，由于高壓海水泵耐腐蝕等一系列問題亟待解決，隨著高壓海水泵體積小型化的實(shí)現(xiàn)，耐腐蝕和可靠性增強(qiáng)等問題的解決，未來可以用此方法設(shè)計(jì)自動(dòng)剖面浮標(biāo)的浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

3.2 可變體積式浮力調(diào)節(jié)裝置

可變體積式浮力調(diào)節(jié)裝置，通過改變自身體積來調(diào)節(jié)浮力大小，在重量不變的情況下實(shí)現(xiàn)凈浮力的調(diào)節(jié)，一般采用可變形油囊、活塞或者氣囊來實(shí)現(xiàn)[33-34]。此種調(diào)節(jié)方式的浮力調(diào)節(jié)范圍較小，但更易于實(shí)現(xiàn)浮力的精確控制，多用于中小型的水下設(shè)備。

可變形油囊調(diào)節(jié)裝置是利用油囊的柔性，對(duì)油囊充入或吸出液壓油就可以實(shí)現(xiàn)油囊體積的改變，從而調(diào)節(jié)浮力大小。按照泵油方式又可以分為單柱塞式、液壓泵式、溫差驅(qū)動(dòng)式[1]。

水下滑翔機(jī)的浮力調(diào)節(jié)裝置[35-36]與自動(dòng)剖面浮標(biāo)的浮力調(diào)節(jié)原理相同。除了利用油囊或液囊來改變體積的方式以外，中船重工710研究所[37]還提出了利用活塞直接改變體積的浮力調(diào)節(jié)裝置，其活塞一端與海水相通，另一端由推桿驅(qū)動(dòng)，利用活塞的進(jìn)退實(shí)現(xiàn)體積的改變。

此外，利用氣囊來改變體積，相比油囊式和活塞式更能夠有效減輕系統(tǒng)的重量，減少空間的占用。但由于氣體的可壓縮性，在水下不同的深度壓力環(huán)境下的體積壓縮量不同，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)于氣囊體積的精確控制，目前采用氣囊式結(jié)構(gòu)的浮力調(diào)節(jié)裝置尚不多見。

3.3 自動(dòng)剖面浮標(biāo)浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)

Swollow中性浮標(biāo)通過拋載重物減輕浮標(biāo)自重獲得浮力。ALACE浮標(biāo)改變了RAFOS和SOFAR浮標(biāo)使用的拋載重物的方式，通過油囊式浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)改變浮標(biāo)的排水體積來實(shí)現(xiàn)上浮下潛運(yùn)動(dòng)，這種方式不僅降低了成本，而且對(duì)環(huán)境友好。

常規(guī)自動(dòng)剖面浮標(biāo)依靠改變其自身體積來調(diào)節(jié)浮力[38]。其浮力調(diào)節(jié)裝置為單柱塞式供油，通過與電機(jī)連接的螺旋副帶動(dòng)柱塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)油囊油液的注入和排出。該裝置用于改變浮標(biāo)體積的關(guān)鍵部件是一臺(tái)單活塞單沖程柱塞泵和置于浮標(biāo)體之外的可變形油囊。當(dāng)柱塞正向運(yùn)行時(shí)，柱塞缸內(nèi)的液壓油被推入油囊，浮標(biāo)體積就增大。反之，柱塞回程時(shí)，油囊內(nèi)的油被抽回柱塞缸，體積就縮小。

現(xiàn)在超過3 000 m的大深度剖面探測浮標(biāo)的浮力調(diào)節(jié)主要通過單沖程泵和液壓泵實(shí)現(xiàn)。由于深度大，深海剖面探測浮標(biāo)所承受的壓力也會(huì)隨著水深的增加而增大，APEX[26,39]和SOLO型 6 000 m級(jí)的浮標(biāo)均采用球形設(shè)計(jì)，承壓效果更好，且能減小浮標(biāo)的重量。該球形剖面探測浮標(biāo)沉浮功能的實(shí)現(xiàn)與2 000 m級(jí)剖面浮標(biāo)的原理相似，但液壓系統(tǒng)存在較大差異，如圖8～圖9所示。由于玻璃球耐壓殼體體積所限，超高壓小體積的液壓泵，配套的直流電機(jī)，輸出轉(zhuǎn)矩足以克服外壓使皮囊漲大，改變體積；而按照常規(guī)2 000 m自動(dòng)剖面浮標(biāo)設(shè)計(jì)，要產(chǎn)生大推力將使得自動(dòng)剖面浮標(biāo)變得十分笨重。

圖8 常規(guī)自動(dòng)剖面浮標(biāo)的液壓系統(tǒng)[38]

圖9 Deep APEX型自動(dòng)剖面浮標(biāo)液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)[26]

4 問題與展望

4.1 遇到的問題及解決方法

（1）電池能量。增大電池能量的一種有效方式就是將堿性電池?fù)Q成鋰電池，增大電池的能量密度。電池的放電容量和放電倍率是功率型鋰離子動(dòng)力電池的重要特性指標(biāo)，鋰離子動(dòng)力電池的高倍率放電容量隨溫度的降低而迅速下降，低溫下的放電電壓明顯下降[43]。然而，自動(dòng)剖面浮標(biāo)大多時(shí)候工作的環(huán)境溫度都在2℃左右，因此電池組中電池的內(nèi)部阻抗可能出現(xiàn)突然增大很多的現(xiàn)象。

為了保護(hù)電池，延長鋰電池的使用壽命，可以適當(dāng)?shù)馗淖兤魃疃?，使得鋰電池工作的環(huán)境溫度稍高。鋰電池高能量密度的突破，使得體積更小、重量更輕，有利于改善浮標(biāo)的整體性能。另一方面，采用低功耗控制器，如低功耗的MSP430單片機(jī)；在控制程序設(shè)計(jì)過程中，優(yōu)化算法，也可適當(dāng)減少能量消耗。

（2）核心部件依賴國外。雖然我國常規(guī)自動(dòng)剖面浮標(biāo)的總體集成取得了一定的成功，然而就浮標(biāo)的關(guān)鍵部件仍然受制于國外，如現(xiàn)在自動(dòng)剖面浮標(biāo)中使用最廣泛的SBE-41和SBE-61 CTD傳感器，均由美國的海鳥公司提供；而自動(dòng)浮標(biāo)中的電機(jī)和液壓泵等均由國外公司提供，核心部件完全依賴國外進(jìn)口。我國應(yīng)加快基礎(chǔ)部件的研發(fā)投入，提高核心部件的可靠性。

（3）雖然我國已經(jīng)有自己的北斗衛(wèi)星定位通訊系統(tǒng)，然而北斗的通訊范圍僅限我國及東南亞的部分區(qū)域，且短報(bào)文通訊1 min只能發(fā)送77個(gè)字節(jié)。目前使用的短報(bào)文通訊屬于民用通道，通訊速度較慢，采用數(shù)據(jù)壓縮方法，可以減少數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間；或通過軍用通道，提高數(shù)據(jù)傳輸速率。

（4）自動(dòng)剖面浮標(biāo)壽命和穩(wěn)定性出現(xiàn)衰退，原因尚不清楚，例如在整個(gè)Argo計(jì)劃中浮標(biāo)的穩(wěn)定性是非常不均勻的。浮標(biāo)技術(shù)上的改進(jìn)，將有助于提高浮標(biāo)的穩(wěn)定性。從深海自動(dòng)剖面浮標(biāo)的布放情況來看，CTD傳感器均存在偏差[15]，具體偏差原因可以會(huì)同CTD傳感器廠商聯(lián)合解決。

4.2 展望

Argo計(jì)劃中使用的自動(dòng)剖面浮標(biāo)主要以歐美國家為主。雖然我國的COPEX和HM2000A浮標(biāo)滿足Argo計(jì)劃提出的測量要求[44]，但國產(chǎn)自動(dòng)剖面浮標(biāo)的性能仍是落后于歐美國家。隨著我國海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略的推進(jìn)，深海自動(dòng)剖面浮標(biāo)的研制也必將是一個(gè)備受關(guān)注的話題，未來自動(dòng)剖面浮標(biāo)將在以下幾個(gè)方面獲得突破：

（1）隨著當(dāng)前人類對(duì)海洋研究領(lǐng)域的逐步擴(kuò)展，很多新技術(shù)、新材料不斷涌現(xiàn)，并使用到自動(dòng)剖面浮標(biāo)上，降低成本、提高可靠度、使用新的節(jié)能方法來延長工作壽命，使用新能源等是未來海洋新技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展的趨勢。

（2）隨著科學(xué)研究的需要，海洋剖面觀測不再僅僅局限于溫度、鹽度、深度、溶解氧、葉綠素等傳感器，更多新功能的傳感器必將大量出現(xiàn)，用來測量特性的生物化學(xué)參數(shù)，以及檢測海洋污染等，使得自動(dòng)剖面浮標(biāo)的測量參數(shù)更多。

（3）由于海洋環(huán)境的復(fù)雜多變，除了降低浮標(biāo)的丟失概率之外，就是研究環(huán)境友好型的可降解材料，一旦浮標(biāo)丟失，一定時(shí)間后可自動(dòng)降解。

（4）減小剖面浮標(biāo)關(guān)鍵部件體積，從而減小浮標(biāo)總體體積和重量，不僅方便布放，也可降低成本和能耗。

5 結(jié)語

隨著Argo計(jì)劃的提出，目前Argo浮標(biāo)的種類繁多，性能更加優(yōu)越?，F(xiàn)在Argo浮標(biāo)中主要還是以歐美國家占絕對(duì)優(yōu)勢，我國處于相對(duì)落后的狀態(tài)。雖然我國的COPEX和HM2000A浮標(biāo)滿足Argo計(jì)劃提出的測量要求，但國產(chǎn)浮標(biāo)的性能和使用壽命等還是不及歐美國家的浮標(biāo)產(chǎn)品。國外的深海自動(dòng)剖面浮標(biāo)已有部分投向市場，而國內(nèi)的深海自動(dòng)剖面浮標(biāo)仍然處于空白，因此，發(fā)展我國的深海自動(dòng)剖面浮標(biāo)迫在眉睫。

[1]許建平.阿爾戈全球海洋觀測大探秘[M].北京：海洋出版社,2002：1-6.

[2]許建平，劉增宏，孫朝輝，等.全球Argo實(shí)時(shí)海洋觀測網(wǎng)全面建成[J].海洋技術(shù)，2008,27（1）：68-70.

[3]劉仁清，許建平.Argo：成功的十年[J].中國基礎(chǔ)科學(xué),2009(4):15-21.

[4]http://www.argo.ucsd.edu/About_Argo.html

[5]SwallowJ C.Aneutral-buoyfloat for measuringdeep current[J].Deep Sea Research,1953,3(1):74-81.

[6]SwallowJ C.Some further deep current measurements usingneutrallybuoyant floats[J].Deep-Sea Research,1957,4:93-104.

[7]SwallowJ C.The Aries current measurements in the Western North Atlantic[J].Philosophical Transactions ofthe Royal Society London AMathematical Physical and EngineeringSciences,1971,270(1206):451-460.

[8]SwallowJ C,Worthington LV.Measurements ofdeep currents in the western North Atlantic[J].Nature,1957，179:1183-1184.

[9]Rossby T,Webb D.Observing abyssal motion by tracking Swallow floats in the SOFAR channel[J].Deep-Sea Research,1970,17: 359-365.

[10]RossbyT,Dorson D,Fontaine J.The RAFOSsystem[J].Journal ofAtmospheric and Oceanic Technology,1986,3(4):672-679.

[11]http://www.webbresearch.com/rafos.aspx

[12]Davis R E,Webb D C,Regier L A,et al.The autonomous Lagrangian circulation explorer(ALACE)[J].Journal of Atmospheric and Oceanic Technology,1992,9:264-285.

[13]Davis R E,Sherman J T,Dufour J.Profiling ALACEs and other advances in autonomous subsurface floats[J].Journal ofAtmospheric and Oceanic Technology,2001,18(6):982-993.

[14]D’Asaro,Eric A,Farmer,David M,et al.A Lagrangian float[J].Journal of Atmospheric and Oceanic Technology,1996,13(6): 1230-1246.

[15]Nathalie Zilberman,Guillaume Maze.Report on the Deep ArgoImplementation Workshop[C]//Deep ArgoImplementation Workshop. Hobart,May5-7th,2015.

[16]http://www.argo.ucsd.edu/About_Argo.html

[17]W John Gould.From Swallow floats to Argo—the development of neutrally buoyant floats[J].Deep-Sea Research II,2005,52: 529-543.

[18]孫朝輝,劉增宏,朱伯康,等.全球海洋中Argo剖面浮標(biāo)運(yùn)行狀況分析[J].海洋技術(shù)，2006，25(3):127-134.

[19]http://www.argo.ucsd.edu/How_Argo_floats.html

[20]http://www.argo.org.cn/index.php?c=index&catid=17&contentid=453&f=show&m=content

[21]盧少磊.北斗剖面浮標(biāo)在全球Argo實(shí)時(shí)海洋觀測網(wǎng)中的地位岌岌可危[N].Argo簡訊,2016,42,(2):16-18.

[22]Emerson S,Stump C,Johnson B,et al.In-situ determination of oxygen and nitrogen dynamics in the upper ocean[J].Deep-Sea Research I,2002,49(5):941-952.

[23]Bishop J K,Davis R E,Sherman J T.Robotic observations of dust-storm enhancement of carbon biomass in the north Pacific[J]. Science,2002,298(5594):817-821.

[24]張少永，商紅梅，李文彬.北斗定位通信系統(tǒng)在自持式剖面循環(huán)探測漂流浮標(biāo)的應(yīng)用初探[J].海洋技術(shù),2009,28(4):126-129.

[25]吳維,齊久成,張靜,等.基于北斗系統(tǒng)的ARGO浮標(biāo)設(shè)計(jì)[J].氣象科技，2013,41(3):459-463.

[26]Teledyne Webb Research.Variable BouyancyProfilingFloat:US,8,875,645 B1[P].2014.

[27]Petzrick E,Truman J,Fargher H.ProfilingFrom6,000 Meters With the APEX-Deep Float[J].Sea Technology,2014,55(2):27.

[28]余立中，張少永，商紅梅.我國Argo浮標(biāo)的設(shè)計(jì)與研究[J].海洋技術(shù),2005,24(2):121-129.

[29]余立中.我國的海洋剖面探測浮標(biāo)-COPEX[J].海洋技術(shù),2003,22(3):47-55.

[30]余立中,商紅梅,張少永.Argo浮標(biāo)技術(shù)研究初探[J].海洋技術(shù),2001,20(3):34-40.

[31]延安慶，方學(xué)紅，楊邦清.淺談潛水器浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀[J].水雷戰(zhàn)與艦船防護(hù)，2009,17(2):55-59.

[32]劉銀水,吳德發(fā),李東林,等.大深度潛水器海水液壓浮力調(diào)節(jié)技術(shù)研究進(jìn)展[J].液壓與氣動(dòng)，2014,(10):1-10.

[33]Song F,Smith S M.Design of sliding mode fuzzy controllers for an autonomous underwater vehicle without system model[C]//USA: Oceans 2000MTS/IEEE Conference and Exhibition,2002,835-840.

[34]Aoki T,Tsukioka S,Yoshida H,et al.Advanced technologies for cruisingAUV“URASHIMA”[J].Internetional Journal ofOffshore and Polar Engineering,2008,18(2):81-90.

[35]趙偉，楊燦軍，陳鷹.水下滑翔機(jī)浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及動(dòng)態(tài)性能研究[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版,2009,43(10):1772-1776.

[36]Webb D C,Simonetti P J,Jones C P.SLOCUM:An underwater glider propelled by environmental energy[J].Oceanic Engineering, 2002,26(4):447-452.

[37]谷軍.活塞調(diào)節(jié)升降式信息戰(zhàn)水下平臺(tái)技術(shù)及應(yīng)用[J].艦船電子工程，2008,28(12):25-27.

[38]Wantanabe et al.FLOATDEVICE:US,8:601,969 B2[P].Dec.10,2013.

[39]Yoshida et al.Profilingfloat and usage ofthe profilingprofilingfloat:US:2008/0087209 A1[P].Apr.17,2008.

[40]Alok Agrawal,Bhuneshwar Prasad,Vinothkumar Viswanathan,et al.Dynamic Modeling of Variable Ballast Tank For Spherical Underwater Robot[C]//Cape Town:Industrial Technology(ICIT),IEEE International Conference,2013,58-63.

[41]BambangSumantri,MNKarsiti,H Agustiawan,Malaysia.Development ofvariable ballast mechanismfor depth positioningofspherical URV[C]//Kuala Lumpur,Malaysia:International Symposiumon Information Technology,2008,4:1-6.

[42]董濤,楊慶保.自持式剖面循環(huán)探測漂流浮標(biāo)水下運(yùn)動(dòng)過程實(shí)例分析[J].海洋技術(shù)，2006,25（1）：20-23.

[43]王元奎,魏平芬.功率型鋰離子動(dòng)力電池的高低溫容量特性[J].電源技術(shù),2015,39(10):2079-2081.

[44]盧少磊，孫朝輝，劉增宏，等.COPEX和HM2000與APEX型剖面浮標(biāo)比測試驗(yàn)及資料質(zhì)量評(píng)價(jià)[J].海洋技術(shù)學(xué)報(bào)，2016，35 (1)：84-92.

Research Status and Prospects of Automatic Profiling Floats

CHEN Lu,PAN Bin-bin,CAO Zheng-liang,CUI Wei-cheng
1.Hadal Science and Technology Research Center,College of Marine Science,Shanghai Ocean University,Shanghai 201306,China; 2.Shanghai Engineering Research Center of Hadal Science and Technology,Shanghai 201306,China

This paper reviews the development process of automatic profiling floats,which has evolved from neutral floats proposed by Swollow to currently used PROVOR,APEX and SOLO type automatic profiling floats. Then this paper introduces several major automatic profiling floats of the Argo Plan.Their buoyancy regulation principles is mainly based on changing the displacement volumes of the floats to control the motion,so as to measure the water temperature,salinity,depth and other data.Compared with the design of deep-sea automatic profiling float(＞2000 m)and conventional float(＜2000 m),most of the pressure-proof structures of deep-sea automatic profiling floats have been designed in a spherical shape,the float thus has small deformation and lighter weight under enormous pressure;The single stroke plunger pump is replaced by a smaller hydraulic pump, in order to provide ultrahigh pressure and make full use of the sphere space.At present,the conventional automatic profiling floats have been widely used in the investigation and collection of marine environmental data, while the deep-sea automatic profiling floats are still in the development and testing stage.The floats still face many technical challenges,and more strict requirements have been put forward for the reliability of the automatic profiling floats.

automatic profiling floats;development process;buoyancy regulation;technoligical challenge; development direction

P715.2

A

1003-2029（2017）02-0001-09

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.02.001

2016-06-27

上海市科委科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃資助項(xiàng)目（14DZ1205500，15DZ1207000）；上海深淵科學(xué)工程技術(shù)研究中心籌建項(xiàng)目（14DZ2250900）；上海深淵科學(xué)工程技術(shù)研究中心（籌）開放基金資助項(xiàng)目——大深度剖面浮標(biāo)浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)研究；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41374147）。

陳鹿（1987-），男，博士研究生，主要研究方向?yàn)樗鹿こ萄b備可靠性及多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)。

崔維成（1963-），男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事船舶極限承載能力計(jì)算新方法研究、船舶疲勞壽命預(yù)報(bào)的統(tǒng)一方法研究、大型海洋浮體的流固耦合分析及多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)。E-mail：wccui@shou.edu.cn