海底觀測系統(tǒng)技術進展與發(fā)展趨勢①

晏慶 崔浩貴 張曉 劉冰

(91001部隊 北京 100841)

海洋自古以來就與人類的生產(chǎn)、生活及軍事活動密切相關。海底觀測系統(tǒng)作為海洋科學和技術的重要組成部分，在維護海洋權益、開發(fā)海洋資源、預警海洋災害、保護海洋環(huán)境、加強國防建設、謀求新的發(fā)展空間等方面起著十分重要的作用，也是展示一個國家綜合國力的重要標志。

1 海底觀測系統(tǒng)概述

根據(jù)不同的技術實現(xiàn)方式，海底觀測系統(tǒng)可以分成海底觀測站、觀測鏈和海底觀測網(wǎng)絡，海底觀測網(wǎng)絡在海底觀測系統(tǒng)中功能最強大、實時性最好、技術含量最高[1]。

海底觀測網(wǎng)絡由岸基站、接駁盒、觀測儀器以及海底光電復合纜組成，可搭載水下傳感器、水聽器陣列和智能錨系等各類探測設備。岸基站是整個海底觀測系統(tǒng)的控制中心，負責實時監(jiān)控整個系統(tǒng)的正常運行，并為海底觀測設備提供高壓電能，負責接收、分析、處理收集的觀測數(shù)據(jù)。接駁盒是水下的一個中樞，其功能是將骨干網(wǎng)光電復合纜傳來的電能進行轉換，分配給不同的觀測儀器，同時負責基站和觀測儀器之間數(shù)據(jù)交換。接駁盒還可為水下觀測設備模塊提供濕插拔接口。觀測儀器可根據(jù)系統(tǒng)所承擔的功能來選擇安裝。骨干網(wǎng)光電復合纜不僅用于通信，還負責各設備之間的聯(lián)接和電能傳輸。根據(jù)實際需要，局部觀測系統(tǒng)還可以通過子網(wǎng)節(jié)點形成擴展的觀測系統(tǒng)，通過光纖將接駁盒與骨干網(wǎng)上的某個節(jié)點連接起來。

2 海底觀測系統(tǒng)現(xiàn)狀

2.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

隨著海洋事業(yè)的發(fā)展和海洋軍事戰(zhàn)略地位的提高，世界各國普遍意識到水下信息網(wǎng)的重要作用，也陸續(xù)建設了一些項目。比較有代表性的主要有：日本的ARENA計劃、DONET、S-net觀測網(wǎng)，加拿大的VENUS、NEPTUNECanada，美國的LEO-15、MVCO、MARS、OOI和歐洲的EMSO觀測網(wǎng)。

2.1.1 日本海底觀測系統(tǒng)

2003 年，日本提出建造先進實時海底區(qū)域監(jiān)測網(wǎng)（Advanced Real-time Earth monitoring Network in the Area,ARENA），計劃使用3600km光電復合纜，每隔50km設置1個觀測節(jié)點，將66個觀測節(jié)點呈交織網(wǎng)狀敷設在海底，涉及到水深6000米地海域。整個系統(tǒng)拓撲結構為網(wǎng)狀，具有擴展性。

后來日本又提出在日本以南海域分期建造地震和海嘯海底觀測密集網(wǎng)絡（Dense Oceanfloor Network System for Earthquakes and Tsunamis,DONET）觀測網(wǎng)取代了日本的ARENA計劃，主要用于地震、海嘯等自然災害的監(jiān)測和預警。2011年，第一期DONET1在日本以南海域建網(wǎng)完成。該系統(tǒng)采用海底光電復合纜連接組網(wǎng)，包含5個分支單元、5個科學節(jié)點，提供了40個觀測接口，目前連接了20個觀測點，觀測點之間相距為15～20km。目前第二期DONET2也已基本完成，具有2個海岸基站、7個海底主基站和29個觀測節(jié)點，并在DONET1上增加了兩個觀測節(jié)點，已與DONET系統(tǒng)組成網(wǎng)狀拓撲結構[2]。

此外，2011年東京大地震后，日本立項建設的海溝海底地震海嘯觀測網(wǎng)(Seafloor observation network for earthquakes and tsunamis along the Japan Trench, S-net）也即將全部建成并投入使用，其具有6個海岸基站，共150個相距30～50km的地震海嘯觀測節(jié)點，海纜總長達5700km，其采用DONET類似的組網(wǎng)技術。S-net為目前全球規(guī)模最大的海底地震海嘯觀測網(wǎng)。

2.1.2 加拿大海底觀測系統(tǒng)

加拿大維多利亞海底試驗網(wǎng)(Victoria Experimental Network Under the Sea, VENUS)是加拿大維多利亞大學建設的纜系海底觀測網(wǎng)絡。它主要包括2個獨立的觀測系統(tǒng)部分組成，Saanich灣部分包含1個節(jié)點，位于水深96m處，由3km光電復合纜同岸站連接，于2006年建成；Georgia海峽部分共包含2個節(jié)點，分別位于水深170m和300m處，由40km光電復合纜同岸站連接，于2008年建成。該觀測網(wǎng)的目的主要集中在海洋動力環(huán)流模式；大洋變化的修復；次級生產(chǎn)力對環(huán)境的反應；鯨的行為和聲學污染；底棲生物群落的反應；海底穩(wěn)定性、侵蝕和沉積；生態(tài)系統(tǒng)反應的早期預警等[4]。

加拿大西北太平洋時間序列觀測網(wǎng)(North-East Pacific Time-Series Underwater Networked Experiment, NEPTUNECanada)是目前全球最大纜系深海海底觀測網(wǎng)絡，也是全球第一個區(qū)域性觀測網(wǎng)絡。它通過800km的海底光電復合纜連接形成環(huán)路，共包含5個海底主節(jié)點，主節(jié)點可拓展出多個次節(jié)點，目前觀測設備數(shù)量超過138個。

2.1.3 美國海底觀測系統(tǒng)

1996 年，美國的伍茲霍爾海洋研究所（WHOI）在距美國新澤西州塔克頓9km處設計建造的長期生態(tài)觀測站(Long-term Ecosystem Observatory at 15 meters, LEO-15)的運行，標志著現(xiàn)代由海底光電復合纜連接海底觀測網(wǎng)絡時代的開始。該系統(tǒng)水下包含2個節(jié)點，節(jié)點部署在水深15m的海底，相距約1.5km，節(jié)點與岸基設備通過9.6km的海底光電復合纜連接。節(jié)點上掛接了CTD、ADCP、光學背反探頭等各種傳感器，實現(xiàn)了連續(xù)實時的海洋環(huán)境觀測。

2000 年，伍茲霍爾海洋研究所（WHOI）建立的馬薩葡萄園島海岸觀測站(Martha’s Vineyard Coastal Observatory,MVCO)，以觀測近岸風浪作用下沉積搬運和海岸侵蝕等物理過程為主，水下包含2個節(jié)點，采用海底光電復合纜同岸站連接，距岸約1.5km，水深分別為12m和15m[5]。MVCO使科學家可以直接連續(xù)觀測海岸帶區(qū)域在各種環(huán)境條件下的環(huán)境參數(shù)，包括北大西洋強烈風暴的觀測、海岸侵蝕、沉積物輸運和海岸帶生物過程[6]。

2007年3 月，蒙特雷灣水生研究所（MBARI）成功建立了蒙特雷灣加速研究系統(tǒng)（Monterey Accelerated Research System, MARS）。MARS是一個布放在水深約891m的科學節(jié)點網(wǎng)絡，主纜長約52km，共提供8個濕插拔端口用來連接海底觀測設備[7]。MARS的建設目的是為試驗新的觀測設備、傳感器技術和ROV作業(yè)能力，為美國海洋觀測計劃（OOI）提供測試基礎。2008年維修后，MARS正式運行。目前該觀測網(wǎng)由MBARI管理和維護。

2016 年，美國國家科學基金會正式啟動運行大型海洋觀測計劃(Ocean Observatory Initiative, OOI)。美國OOI觀測網(wǎng)由83個實驗平臺、830多個儀器組成，可提供10萬多個科學與工程數(shù)據(jù)，其主要科學主題是海氣交換、氣候變化、大洋循環(huán)、生態(tài)系統(tǒng)、湍流混合、水巖反應、洋中脊的各種過程、地球內(nèi)部構造和地球動力學等[8]。OOI可分為區(qū)域網(wǎng)（RSN）、近岸網(wǎng)（CSN）和全球網(wǎng)（GSN）三大部分。其RSN為纜系觀測網(wǎng)，是OOI中技術難度最大的部分。現(xiàn)階段RSN總長約為900km，在3000m水深范圍內(nèi)共布設7個海底主基站。

2.1.4 歐洲國家海底觀測系統(tǒng)

本世紀初歐洲提出的歐洲多學科海底及水體觀測系統(tǒng)(European Multidisciplinary Seafloor Observatory, EMSO)觀測網(wǎng)計劃包含十多個觀測子網(wǎng)，將覆蓋北冰洋、大西洋、地中海和黑海等，其科學目標是監(jiān)測巖石圈、生物圈、水圈以及自然災害等[9]。EMSO觀測網(wǎng)的最大水深超過5000m，初步估計海纜總長達5000km以上，包含11個深海節(jié)點和4個淺海試驗節(jié)點，節(jié)點部署覆蓋歐洲主要水域，從北冰洋穿過大西洋和地中海，一直到黑海[10]。

2.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

我國在海底觀測這方面的工作起步很晚，相關技術研究基礎相對薄弱，不過我國緊跟國際發(fā)展趨勢，也開展海底觀測技術的研究，取得了一些成果。

2009 年，同濟大學在我國東海建立了首個單節(jié)點纜系海底觀測系統(tǒng)小衢山實驗系統(tǒng)，采用1.1km光電復合纜與水下節(jié)點連接，水下節(jié)點包含3個端口，掛接的海底設備為CTD、ADCP和濁度儀。

近年，我國臺灣地區(qū)提出并已開始建設媽祖（MArine Cable Hosted Observatory，MACHO）觀測網(wǎng)。它的最初建設目標是監(jiān)測外海地震、海嘯和緊鄰臺灣的南沖繩海槽海底火山活動，實現(xiàn)災害預警和防災減災[11]。2011年建成的MACHO觀測網(wǎng)一期工程，海纜長約為45km，水深300m處有一個海底主基站，海底儀器有寬頻海底地震儀、加速度地震儀、水聽器、海嘯壓力計傳感器和CTD。未來MACHO觀測網(wǎng)將逐漸延伸，形成環(huán)型拓撲，并將增加至4個海底主基站。

2013年5 月，中科院南海海洋所聯(lián)合沈陽自動化所和聲學研究所在海南三亞海域共同建成南海海底觀測實驗示范網(wǎng)。這是我國海底觀測網(wǎng)絡建設的一次先導性實驗，該項目在海底觀測網(wǎng)技術、裝備、運維等方面積累了一定經(jīng)驗。

“十二五”期間，中科院聲學所也在南海進行了海底觀測網(wǎng)試驗系統(tǒng)的建設，該系統(tǒng)主要用于對南海海底的探測，以及水中目標的監(jiān)視。

2017年3月，國家發(fā)改委批復《海底科學觀測網(wǎng)國家重大科技基礎設施項目建議書》。該項目由同濟大學牽頭進行統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，同濟大學和中國科學院聲學研究所共同作為項目法人單位完成。建設目標是在我國東海和南海關鍵海域建設基于光電復合纜連接的海底科學觀測網(wǎng)，實現(xiàn)對我國邊緣海典型海域從海底到海面全方位、綜合性、實時的高分辨率立體觀測；在上海臨港建設監(jiān)測與數(shù)據(jù)中心，對整個海底科學觀測系統(tǒng)進行監(jiān)測與數(shù)據(jù)存儲和管理。

3 海底觀測系統(tǒng)的關鍵技術

3.1 海底接駁技術

海底接駁技術是海底觀測系統(tǒng)中一項至關重要的技術，它是在海底光電復合纜和各觀測儀器中對電能和數(shù)據(jù)信號進行集中處理和管理的中間環(huán)節(jié)。海底接駁關鍵技術包括水下濕插拔接口技術、電能的轉換分配技術、內(nèi)部通信技術和小型化設計等。

3.2 電能供給技術

電能供給就是要通過基站將電能輸送到海底觀測網(wǎng)絡中，為水下儀器供電。在整個海底觀測系統(tǒng)中，電能供給系統(tǒng)的設計和建造舉足輕重。在海底觀測系統(tǒng)中，一般采用高壓直流輸配電技術，有利于減少電能的損耗。電能供給技術是海底觀測系統(tǒng)必須解決的關鍵技術之一。

3.3 海底觀測系統(tǒng)布放與維護技術

鑒于海洋的特殊工作環(huán)境，水下設備容易受到漁船作業(yè)或船只拋錨等人為外力影響和自然因素影響而受到破壞，如何提高水下設備的生存性和安全性是目前遇到的最迫切需要解決的問題。因此，海底觀測系統(tǒng)的布放及維護施工技術是必須解決的關鍵技術。在深海海域中，海底光電復合纜一般采用直接敷設的方式施工。在淺海海域，海底光電復合纜一般采用埋設方的方式施工。埋設施工的方法主要有開溝法、水噴式埋設施工法、多刀犁式埋設施工法和ROV沖埋法。接駁盒是海底觀測系統(tǒng)的核心組件之一，將其安全、可靠地投放并且安裝在幾千米的海底也是一項非常重要而且必須認真對待的工作。

4 發(fā)展趨勢和面臨的挑戰(zhàn)

我國是一個海洋大國，有300多萬平方公里的經(jīng)濟專屬區(qū)和18000多公里的海岸線、海洋環(huán)境監(jiān)測技術，特別是海底觀測系統(tǒng)技術具有廣泛的應用前景。它不僅擁有巨大的經(jīng)濟價值，還有重要的軍事利益。海底觀測系統(tǒng)是一個系統(tǒng)工程，涉及的技術領域很多。我國的海底觀測系統(tǒng)正處于起步階段，應逐步開展工作。首先，應重點突破幾項核心關鍵技術，進行系統(tǒng)研究，然后建設1～2個比較大的海底觀測系統(tǒng)，為以后的運行和維護積累經(jīng)驗，為我國海底觀測系統(tǒng)發(fā)展奠定堅實的基礎。

目前，我國的海底觀測系統(tǒng)技術應重點關注以下幾個方面：

（1）加強水下設備的可靠性研究，重點是水下接駁盒和濕插拔組件可靠性；

（2）突破遠程電能傳輸關鍵技術，主要是海底負高壓直流輸配電技術和遠程電力監(jiān)控和故障隔離技術；

（3）加強海底遠距離信息傳輸技術和數(shù)據(jù)挖掘、信息融合關鍵技術研究；

（4）加強海底觀測系統(tǒng)工程施工和維護問題研究，主要是海底光電復合纜的故障探測與定位，修復后的再埋設問題，還有ROV技術的研究。