先进锚系观测平台

锚系观测平台是获取海水水体垂向剖面数据的有效手段，通常可分为浮标和潜标两类。这两类的结构类似，区别在于平台的主浮体是浮出水面还是潜在水面之下。其中，浮标能采集海气界面的科学数据，包括大气数据和近海面水体参数，而潜标通常不采集这些数据。当然，为获取这些海气界面的科学数据，浮标要承受海面风浪的侵袭，因此浮标比潜标易受损坏。在设计过程中，潜标只需考虑水流的荷载，而浮标不但要考虑水流的载荷，还必须要考虑水面的风及海浪潮汐的荷载，需要考虑更高的可靠性。图11-22为锚系浮标和潜标的示意图。

近年来，传统锚系观测平台逐渐发展为先进锚系观测平台。传统的定深剖面锚系主要为自容式设计，携带能量有限，难以实时传输数据，科学观测能力较弱，数据在深度上是离散的。而先进锚系指具有上浮和下沉观测模块、甚至能够连接至海底观测网的活动剖面锚系，由于供电和通信能力的增强，科学观测能力也大大提高，数据在一定的深度范围内是连续的。但从可靠性上看，传统定深锚系的各个传感器独立，其中某些传感器失效不影响传感器，而活动剖面锚系上的剖面仪一旦失效则可能无法获取数据或只能获得某一深度的数据。所以若要综合两种锚系的特点，可将两种潜标的布置成对使用。这两种锚系潜标见图11-23。可见，所谓的先进锚系观测平台，本质上是具有一定的垂向活动观测能力的固定锚系观测平台，因此本书将其仍然放在“固定平台观测技术”一章里作介绍。

图11-22 锚系浮标和潜标示意图（引自http：//ocean-observatories.org/marine-technologies/moorings/）

图11-23 典型锚系潜标结构（Trask， Weller，2009）

11.2.1 锚系的组成和发展

锚系观测平台主要由锚、声学释放器、系留缆、浮体和传感器组成，如图11-24所示。锚的作用是用重物在海底固定锚系观测平台的位置；系留缆用于连接浮体与锚，通常通过声学释放器与锚连接，而声学释放器用于回收锚系观测平台；浮体提供正浮力，包括锚系观测平台最上端的主浮体和系留缆上的水下浮体，水下浮体保证系留缆处于垂向紧绷状态，主浮体上一般装有通信和供电装置。锚、系留缆和浮体上均可安装海洋传感器，主浮体上通常还安装有气象传感器。

图11-24 传统锚系观测平台的典型结构（Rapizo，Babanin et al.， 2015）

传统锚系观测平台的结构较为简单系留缆仅用于连接，不负责供电或通信，可由金属或非金属制成。传统潜标和传统浮标水下部分完全为自容式设计，即传感器通过自带电池供电，按照事先设置好的程序参数（如采样周期等）采集数据，所采集的数据也存储在传感器内部，待回收时才能读取这些数据，需要较为频繁的定期维护。有些锚系浮标可以通过太阳能面板或小型风机给主浮体上的传感器供电，而主浮体上传感器所采集的数据有时通过射频或卫星通信发送至岸基。

传统潜标的主要受制于电能。因为能源的限制，爬行式剖面仪的巡航密度受到限制，绞车式剖面仪难以保持足够的垂直度，声学通信设备的使用受到限制，导致传感器采样周期的增大，维护周期的缩短及数据连续性较差。若能借助海底观测网来实现能源的供给及实时通信，打破电能的限制，则锚系观测平台可实现长期、实时、高采样率的海水垂向观测。

图11-25 可连接至海底观测网的先进潜标系统 （Howe，Chao et al.，2010）

如图11-25所示，通过光电机械缆将海底观测网与锚系观测平台连接，潜标平台上设置活动剖面仪充电通信接口、水下绞车和传感器，科学数据通过光电机械缆直接传输给海底观测网。该系统先后在普吉特海湾和美国MARS网上试验，并计划在夏威夷ALO-HA缆系海底观测网上布放。

11.2.2 先进锚系的关键技术

与其他海底观测系统一样，锚系观测平台涉及机械结构、通信、控制和供电等多种共性技术。由于传统锚系的结构已为大家所熟知，这里主要介绍随着先进锚系发展起来的自主活动剖面技术、特种系留技术和水下感应耦合充电通信技术。

1.自主活动剖面技术

锚系自主活动剖面技术的研究始于19世纪70年代，近年来相关技术逐渐发展成熟，各类锚系自主活动剖面仪（Moored Automatic Mobile Profilers，MAMPs）在海洋观测系统上的应用越来越多，具有多种商业化产品可供选用。按照运动方式，MAMPs可分为绞车方式及爬行方式两大类。Carlson等按照布放方式、供电方式、运动方式及通信方式，总结并比较了目前主要的几种MAMPs（Carlson，2013）。

表11-1 现今主要的剖面仪（Carlson，2013）

(1）绞车式MAMPs

绞车式MAMPs的特点是其相对于系留缆不动，通过水下绞车的滚筒转动收放系留缆，从而带动剖面仪的运动。按照设置绞车的位置，绞车式MAMPs又可分为浮体绞车式、海底绞车式和剖面仪绞车式。

①浮体绞车式

浮体绞车式的绞车是安装在海面的主浮体上，绞车收放剖面仪器缆，仪器缆通过定滑轮带动剖面仪在水中上下运动，如意大利Idronaut S.r.l公司的601/701型，如图11-26所示。浮体绞车式原理简单、使用灵活，但由于绞车等动力部件要承受海浪的振动，难以在外海使用。其一般至少要用3个锚来定位浮体，同时其工作深度一般不超过100m。

图11-26 典型的浮体绞车式MAMP（Carl-son，2013）

②海底绞车式

海底绞车式与浮体绞车式的原理相同，只是将绞车从海面移到了靠近海底。图11-27中绞车是着底式的，曾在NEPTUNECana-da上使用。此外，美国Inter Ocean Systems公司也有采用着底绞车式产品。图11-28中的两种MAMPs的绞车均为非着底式（Prien， Schulz-Bull，2016）。图11-28（a）的MAMP用于瑞典哥得兰岛附近海域的深海环境观测站（Gotland Deep Environmental Station，GODESS），包括位于180m水深的水下绞车和观测仪器，观测范围为30～180m水深，每两天可采集一组剖面数据，能够持续运行3个月（Prienand Schulz-Bull，2016）。图11-28（b）的MAMP目前在美国OOI海洋观测系统上使用，可布放在300～5000m水深，包括水下绞车、观测仪器和通信浮体，可采集距离海面150m范围内的海水参数。

图11-27 采用着底式绞车的MAMP（引自http：//www.ocean-networks.ca/）

相比上述浮体绞车式MAMPs，海底绞车式MAMPs的优点是可实现全深度剖面（布放点）的探测，且能承受较为恶劣的风浪侵袭。海底绞车式MAMPs最大的问题是在海水流速较大的情况下，其仪器缆易偏斜而导致仪器平台无法到达海面，可采取的应对方式是增加仪器平台的浮力。仪器平台浮力的增加会提高仪器缆的静荷载，且增大绞车的能量消耗，所以一般需要通过缆系海底观测网给其供电，而通信方式可采用海缆通信、微波通信或卫星通信。

图11-28 两种采用非着底式绞车的MAMPs （Prien and Schulz-Bull， 2016）

③自带绞车式

自带绞车式MAMPs是指水下绞车安装在仪器平台上。如图11-29所示，Benard （2006）介绍了一种紧凑型自带绞车式MAMPs，这种剖面仪的维护周期为90天，能上下爬行的总路程为36km，设计倾斜角限值为10°。和海底绞车式一样，优点是可探测整个深度剖面，但同样存在海水流速的限制。所以，若采用自容式设计，不论是海底绞车式MAMPs，还是自带绞车式MAMPs，均不适用于大流速区域。

(2）爬行式MAMPs

爬行式MAMPs能沿着锚系缆上下爬行，而锚系缆固定不动，就好像常规的锚系观测平台上增加了一个活动观测装置。爬行式MAMPs可分为电机驱动式、浮力调节式及波浪动力式。

①电机驱动式

这种MAMPs一般由上下滚轮夹持住锚系缆，通过电机转动来驱动剖面仪上下运动。电机驱动式的典型产品是Mc Lane Moored Profiler（MMP），如图11-30所示。MMP的工作水深为30～6000m，上下移动速度为25cm/s，采用11.7V供电，支持13种传感器，包括CTD、溶解氧、硝酸盐、二氧化碳、甲烷、浊度、流速等传感器。更为详细的介绍可参考其使用手册（http：//mclanelabs.com/）。Mclane公司还有一款与上述MMP类似的、用于冰下探测的剖面仪，称为Ice Techered Profiler（ITP）。ITP的工作水深为30～1000m，其他参数与MMP相同，如图11-31所示。

图11-29 一种小型化自带绞车式MAMP

图11-30 Mclane公司的MMP

（a）结构示意图；（b）海上布 放 （引 自 http：//mclanelabs.com/product-type/profilers）

图11-31 Mclane公司的ICP

（a）水池试验；（b）从冰面上 布 放 （引自http：//mclanelabs.com/product-type/profilers）

图11-32 一种浮力调节式MAMP的示意图（Singleton，Bachmayer， 2014）

②浮力调节式

这种MAMPs采用调节浮力的方式驱动剖面仪上下运动。其中，瑞典Ocean Origo AB公司生产的Sea Tramp PP2和加拿大METOCEAN公司生产的Polar Ocean Profiling System（POPS）是采用浮力调节方式的代表性产品。

Joe Singleton等介绍了一种浮力调节方式的剖面仪，示意图见图11-32，原理是通过液压泵调节外部皮囊改变排水体积的方法，原理图见图11-33 （Singleton，Bachmayer，2014）。该MAMP的最大工作水深为200m，能一直探测到海水表面，能在1 m/s以内流速和5m以内浪高下运行，移动速度为0.2～0.4m/s，每天做5个剖面，可持续运行一年。

③波浪动力式

波浪动力式MAMPs指的不是收集波浪能量发电作为驱动能源，而是直接随着波浪的起伏波动直接移动，比较典型的是劳斯莱斯集团下属的ODIM Brooke Ocean公司的产品Sea Horse。Sea Horse利用表面波浪能沿着锚系缆上下运动，其工作原理是控制棘爪实现随波浪的上下移动，从而节省能量。其工作水深小于200m，能在浪高大于15cm且周期小于2s的波浪下运行，Sea-Bird19plus CTD是其标准配置（图11-34）。

图11-33 一种浮力调节式MAMP的工作原理（Singleton，Bach-mayeretal.，2014）

图11-34 Sea Horse波浪动力剖面仪

（a）Sea Horse在锚系上运行的示意图；（b）Sea-Horse的结构示意图（http：//www.brooke-o-cean.com/products.html）

Rainville与Pinkel（2001）还介绍了一种名为Wirewalker的波浪动力式MAMPs。其工作原理是通过内部设置锥台空间的外部护套与内部套管的相对位置的不同，使得滚珠与锚系缆分离或结合，来达到控制剖面仪上下移动。

11.2.3 特种系留技术

随着锚系观测平台的发展，人们希望能实现海面和海底之间的供电和通信，如实现海面浮标与海底着底器之间或锚系观测平台与海底观测网之间的供电和通信。因此，近几年光电机械缆（Electro-Optical-Mechanical Cable，EOM缆）或电机械缆（Electro-Me-chanical Cable，EM缆）逐渐发展起来（Grosenbaugh，2006）。EOM缆和EM缆的难点在于铜导体及光纤不能在大应变条件下正常工作，而对于大深度浮标而言这个应变难以控制。

如图11-35所示，Andrew Hamilton等设计了一种海洋观测系统，其目的是通过海面浮标收集能源，通过EOM缆将电能传送到海底仪器，同时通过卫星通信将水下收集到的科学数据传送给岸上。

图11-35 MBARI海洋观测系统（Hamil-ton，2003）

大多数的EOM缆都采用内部为导体和光纤、外部为承力部件的设计，而外部承力部件的材质一般为维克特拉纤维（Vectran）或凯夫拉纤维（Kevlar），这种材质得益于其高弹性模量限制了整体形变，从而起到保护内部导体及光纤的作用。

Grosenbaugh等介绍了一种低弹性模量的EOM缆，使用的承力部件是尼龙或聚酯材料，其最大的特点是承力部件在缆的中央，而导体和光纤螺旋式缠绕在承力部件的外部，从而保证了导体和光纤应变不超限，同时由于其弹性模量较低，可降低动态负荷（Grosen-baugh，2006）。

通常EOM缆采用高弹性模量的承力部件制作，在潮汐、波浪、风及水流作用下可能承受很大的动载荷，并引起超限的应变。为防止这种情况的发生，一般要在浮体下部设置弹性补偿装置，如伸缩管，以此控制最大动载荷。图11-36中较粗的黑色段即为伸缩管，采用EOM缆以螺旋方式浇筑在弹性橡胶里面形成的，当受到动态荷载时这段管可像弹簧一样伸缩，并吸收消耗这些能量（Grosenbaugh，2006）。

图11-36 EOM缆的弹 性 补 偿 伸 缩 管（Grosenbaugh，2006）

11.2.4 水下感应耦合供电通信技术

锚系观测平台进行剖面数据实时传输分为有线通信和无线通信两类方式，而无线通信又包括水声通信和感应耦合两种，如图11-37所示（刘长华，王春晓，2014）。其中，有线通信方式难以用于活动剖面仪的数据传输，且可靠性不高；水声通信方式功耗大、体积大，且带宽小、传输可靠性较低；感应耦合方式结构简单、体积小、功耗低、可靠性高。

图11-37 锚系观测平台三种典型的通信方式

（a）有线方式；（b）水声通信方式；（c）感应耦合方式（刘长华，王春晓，2014）

常规水下湿插拔连接器的结构决定了实现水下湿插拔需要很大的力量，而剖面仪或水下滑翔机等低能耗设备不具备这样的能力，因此为了实现这些水下设备之间的供电和通信连接，水下感应耦合供电通信技术显得非常重要。Howe等介绍了S&KEngineering公司的水下感应耦合充电方案，其在2mm左右的耦合线圈空隙下，设备间能达到70%的供电效率（Howe，2010）。