海底观测网络.docx

1、海底观测网络 海底观测网络的探究摘要：海底观测系统的想法最初是在冷战时期从美国海军的水声监视系统中获得的，如今，由于各国对资源的争夺，海底观测网络更加引起人们的重视。本文介绍了海底网络的来源及其发展，以及海底观测网络的组成部分及其各部分的功能，另外本文还谈到了有关海底观测网络的一些关键技术。最后本文关于目前已有的海底观测网络作了介绍。关键词：海底观测网络、探测、技关键术引言：人类在认知地球的历史过程中使用过三种平台，对地面和海面观测的平台、对空间观测的平台和对海底观测的平台。其中对地面和海面的观测平台的发展比较长久，其次是对空间的观测平台，最后是对海底的观测平台。如今，对地面和海面的观测技术已

2、经非常成熟，对太空等空间的探索技术也飞速发展，相比之下，对海底的探索还远远不够。地球的面积非常广阔，其中海洋占70.8%，而深海大洋又占据海洋的92.4%，所以人类对地球的认识还很少。按技术的难易程度来讲，首先是对海底的观测技术，其次是对空间的观测技术，最后才是对地面的观测技术。虽然海底观测技术最难，但是它的意义十分重大，特别是对于日益尖锐的世界格局、领土之争、资源之战的情况下，它的意义更显重大。随着人类对地面资源的过度使用，资源短缺的情况也越见明显。海洋拥有地球大部分资源，包括石油、天然气、各种金属等宝贵的资源。近几十年以来，许多浅海地区的资源已被人类探测到并已经被投入开发利用了，但是人类对

3、深海资源的探索却处于初始阶段。深海占据海洋的92.4%，大部分资源都被埋藏在深海之中。对海洋资源的探索引起了许多国家的领土之争，更多的资源对一个国家来说是非常重要的，因此如何保护自家的资源也是一个非常严峻的问题。对于我国来说，南海就是一个资源丰富但是备受侵扰的地区，它的周边国家都看中了其中海洋资源。为了更好地维护我们的海洋资源，我们就需要借助海底观测网络来进行实时观察监控。海底观测网络不仅可以实时监控海里的情况，还能为海下的科研探索提供方便的平台，同时对海洋灾害，如地震海啸等，也是一种预警。1.海底观测网络概述对海底观测的方法有两种，一种是间接观测，主要通过采集海水、微生物、矿物等来进行实验分

4、析，对其物理量和化学量进行测量。其实现方式有拖网、CTD、抓斗、热流计、大洋钻探等；另一种是直接观测，就是把观测设备直接放在被观测的对象旁边对其进行在线实时地观测。对海底观测技术可以分为三类，一类是海底观测站，只针对某一个具体的目标，在小区域内进行原位观测；一类是观测链，即在海底观测站的基础上通过通信的方式将比较实时的数据传回岸基站或科考船；还有一类是海底观测网，它是前两者的升级，通过将电能不断的输送到海底以供给设备长期运作，是一种可以长久在线实时多数据观测的海底观测系统。海底观测系统的想法最初是在冷战时期从美国海军的水声监视系统中获得的，该系统由安置在大西洋和太平洋中的大量水下听音器组成，用

5、来监听苏联海军潜艇的动向。20世纪70年达末期，海底观测系统开始步入海底环境监测的领域。1978年日本在御前崎建造了第一个有海底电缆构成的海底实时观测系统，用于实时监测地震以及伴随的海啸。1985年，日本又在房总地区建造了第二个海底电缆观测系统。20世纪90年代，海底观测网又被运用到海底科学研究工作之中，更多的国家开始投入精力研究海底观测网络。日本在20世纪90年代建造了6个海底观测系统用作试验，但是大部分只有一个科学节点，还不算是海底观测网。美国则分别在1996至1998年期间建立了水下15m的长期生态系统观测网（LEO-15）、夏威夷水下地球天文观测站（HUGO）和夏威夷-2观测站（H2O

6、）的3个海底观测系统，其中HUGO是第一个尝试建立海底永久多功能观测站。日本科学技术振兴机构（STA）从1995年起开始研究利用退役的海底电缆联接各种海底观测设备，并在1999年宣布成功利用退役的海底电缆第一次在世界上建立了海底环境监测网。前期的海底观测系统大部分是以单个科学节点为主，后来随着传感器技术、互联网技术、机器人技术和海底光纤电缆技术等相关技术的快速发展，海底观测系统也开始向多科学节点、多功能的长期海底观测网络转变。2.海底观测网络的构成如下图所示，海底观测网络由岸基站(Shore station)、网络(Network)、光纤光缆(cable)、接驳盒(node)、传感器(sens

7、ors)、水下机器人(ROV)以及观测设备插座模块(SIIM)和各种功能观测设备等组成。其中岸基站是整个海底观测网的总控制部分，负责控制整个网络的正常运行以及给海底观测设备输送高压电能，同时它也是数据传输的终点，负责接收最终的观测数据。光纤光缆用于通信，负责各设备之间的联接和信号的传输。接驳盒是水下的中枢部分，它不仅为信号的处理、控制盒管理提供了一个集中的站点，同时为观测设备插座模块提供了接口（可借助水下机器人ROV在海底接驳盒上直接对观测设备插座模块进行热插拔），还为海底观测网络的电能的低功率输送、转换、分配与管理提供了可能。传感器大多分布在海底各个观测设备上，是实验数据的主要获取途径。水下

8、机器人ROV可以帮助人们在水下进行安装、布置和维护海底观测网，以及帮助人们完成各种观测设备的投放，另外它本身也可以完成一些简单的探测。观测设备插座模块SIIM是各个观测设备和接驳盒连接的桥梁，它可以为各个观测设备提供对应的标准插口。3.海底观测网络关键技术（1）岸基站技术：岸基站是对海底观测网络进行监控、对观测信息进行实时汇总、处理的岸上研究场所，同时负责给海底观测设备提供电能。海底各种观测设备测得的原始数据最后都得传回岸基站，通过岸基站科研系统中的各种软件处理后显示在屏幕上或发回用户的所在地。这一功能是岸基站的重要功能之一，岸基站对大量数据处理的能力体现了岸基站系统在整个海底观测系统中的作用

9、。有些观测系统还用于维护国家安全，监视周围海域的环境，那么岸基站中还应有路由器与国防部的网络相连，测得的数据直接可以传回国防部。所以岸基站技术包括了硬件技术（解决岸基站的硬件配置的合理性、高效性和稳定性）和软件技术（负责研发高效稳定的处理软件来对大量数据进行处理），以及系统的网络安全技术（保护海底观测网络的数据不被窃取）等。（2）电能供给技术：整个海底观测网离不开电能，没有电能的海底观测网就如同虚设。电能是从岸基站通过海底电缆输送到海底的，输送电缆有一根主电缆与海底接驳盒相连。因为交流电的容抗对电能损耗大，所以为了在海里远距离传输电能，一般采用单级负压直流输电方式，主干缆输送电压一般在千伏量级

10、甚至更高，有利于减少电能的损耗。输送电能的系统由四个部分组成：岸基站能量转换点、接驳盒能量控制与转换模块、接驳盒能量管理与控制模块、接驳盒末端低电压分配模块。岸基站至少需要实现电能转换和不间断能量供给两个功能。电能转换指的是将三相交流电转化为高压直流电，不间断能量供给指的是通过建立多个能量供给站点，构成冗余供电方式，即使当地的三相交流电供给出现故障时对海底观测网络的供电仍然不会间断；接驳盒能量控制与转换模块负责海底高压电的降压工作。由于大多数海底观测设备都是工作在低压，所以通过主干光缆输送到接驳盒的高压电会由接驳盒的电能转换模块进行降压处理；接驳盒能量管理与控制模块能够实现海底观测网络中的能量

11、分配与管理。由于海底观测系统的负载是不定的，负载变化会引起电流电压的变化，从而造成观测设备的不稳定。能量管理与控制模块会根据波动的电压电流来对设备的实际电压电流进行调节，使之保持在一定范围。（3）海底接驳盒技术：海底接驳盒是对电能和数据信号进行集中转换和处理的中间环节，是海底观测网络中的重要组成部分。海底接驳技术是海底观测网络技术中的重中之重，它主要解决海底电能与信号传输、分配与管理等任务。海底接驳盒主要包括三大功能模块组成，一是电能转换、分配模块，二是信号处理、存贮和通信模块，三是观测设备插座模块，它们一般是装入接驳盒的密封耐压腔里。接驳盒的构成组要包括高压转中压电源腔、中压转低压电源腔、控

12、制腔以及光电分离腔。接驳盒的关键技术组要包括防水密封技术、水下热插拔接口技术、电能转换分配技术、岸基站、接驳盒及观测设备插座模块之间的通信技术、密封舱体中电子芯片散热技术和小型化设计技术等。防水密封技术解决接驳盒的防水耐压的问题。防水密封是接驳盒运用在海底的首要条件。为了使得接驳盒离得电子器件不受到浸水的侵扰，接驳盒的壳体需要是耐压密封的。耐压技术与接驳盒材料非常相关，因此材料的选择和强度的设计非常重要；水下热插拔接口技术是解决ROV安装维护观测设备是插拔插头的问题。接驳盒一旦投放在海里，其安装和维修就非常困难，因此需要用到ROV对其进行安装和维护。安装过程中需要将观测设备的插头接入电源，所以

13、就需要热插拔技术。热插拔技术是指A部件的联接街头能够在海底与B的插座联接，同时又能防止海水的浸入；电能转换分配技术是接驳盒技术的重点之一，负责解决工业高压电的减压问题。工业用电经过变压整流后，通过光缆送到海底后不能直接与观测设备相接，需要接驳盒的转换装置。接驳盒将电能进行降压和分配，需要的话还应该能够逆变化；岸基站、接驳盒及观测设备插座模块之间的通信技术是解决整个海底观测网的通信问题的。海底观测设备将测到的数据实时发送到接驳盒中，接驳盒就是一个中转，将各种数据进行处理分离和再上传到岸基站。有时岸基站需要给观测设备下达某个指令，就需要先传到接驳盒然后再由接驳盒传给观测设备。做到这一切需要基于预定

14、的通信协议；密封舱体中电子芯片散热技术主要解决接驳盒内电子器件的散热问题。接驳盒的功能非常多，所以其内部布置一般比较紧密，如何散热是一个问题。如果散热不当，就会导致一些仪器无法正常工作；小型化设计技术的目的是为了解决大型尺寸耗能多的问题。海底的设备一般需要小型化以减少耗能，接驳盒也不例外。小型化不仅便于运输，耗能也减少很多。另外小型化对于成本本身也是一种节省。（4）观测设备插座模块技术：由于海底各个观测设备都需要通过接驳盒将测得的数据返回到岸基站，所以接驳盒需要与许多设备相连接，而插座模块就是连接它们的桥梁。SIIM就是一种观测设备插座模块，便于将海底各种观测设备联接进观测网中。它作为一种可以

15、兼容不同接口仪器设备的连接模块，可以很方便地观测设备提供接口。SIIM可以为不同接口的观测设备提供标准的电力和通信接口，符合规范的观测仪器可以直接通过SIIM连接到海底观测网。SIIM主要由电源模块和通信模块两部分组成。通信模块由串口服务器和交换机组成，负责信号的传输。一个接驳盒加若干个观测设备插座模块和一些海底观测仪器就构成了一个节点。多个节点连接起来就构成了大范围的海底观测网。4.海底观测网络的现状国际上深海领域的竞争日趋激烈，21世纪初前后，各海洋强国纷纷制定、调整海洋发展战略计划和科技政策，以确保在新一轮海洋竞争中占据先机。相应的国际和区域海洋监测网络逐步实施，如美国的OOI、HOBO

16、、LEO215 、H2O、NJSOS、MARS、DEIMOS等系统，欧洲的NEMO、SN21 、ESONET等系统，美国和加拿大联合建立的NEPTUNE系统及其扩展成的全球ORION系统，日本的ARENA系统和之后的DONET系统,它们成为全球的GOOS( Global Ocean Observing System)对海观测网的一部分。GOOS最终与全球环境监测系统GEMS(Global Environment Monitoring System)、全球陆地观测系统 GTOS (Global Terrest rial Observing System)、全球气候观测系统GCOS(Global

17、Climate Observing System)共同构成世界气象组织的WIGOS(WMO Integrated Global Observing System)观测系统，并最终建成2003年倡导建立的名为GEOSS ( Global Eart h Observation System of Systems) 的一个全球统一的综合网络。（1）日本的ARENA计划和DONET计划 ARENA计划是日本海底电缆科学应用研究组于2003年1月提出的，它由日本东京大学主持，目标是沿日本海沟建造跨越板块边界的光缆连接观测网络（如图）。ARENA主要应用于地震学和地球动力学研究、海洋环流研究、可燃冰监测、

18、水热通量研究、生物与渔业研究、海洋哺乳动物研究、深海微生物研究等。ARENA是一个低成本、高效率、高抗故障能力、高可靠性的海底观测网络。在这个新型海底实时监测网络计划ARENA中，构成网络的基本海底观测网络干线是利用基于已经成熟的商业化海底通信光缆系统，另外一些观测仪器被添加进了这个系统以扩展其功能。为了保证ARENA海底观测网的持续正常运行，多站点网络模式被采用了进来，可以从不同的站点对海底观测网络供给电能。各种海底测量仪器设备所获得的观测数据，可经由陆地上的数据管理中心由Internet向各研究机构传送，另外拥有IP地址的观测仪可直接由研究室登录控制。如此的研究室与海底直接相联系是AREN

19、A系统的又一特点。ARENA海底观测网中使用到的传感器主要有地球物理传感器（地震检波器、海底传感器、倾斜计、磁力计）、光学仪器（海底照相机）、CTD（测量电导率、温度和深度）、ADCP（测量海流）、温度传感器（测量温度）、化学传感器（测量pH、H2S、溶解氧）。DONET计划是继ARENA之后日本在伊豆半岛东南海附近地震源区铺设的先进实时海底观测系统。该系统由20个观测点密集展布，各观测点都设置有宽频带地震仪、强震仪、高精度水压仪、压差仪、水中地震检波器、温度计等传感器群，用以高精度、宽频带实时监测东南海的地震。DONET系统以基础电缆、分支装置、传感器群为基础构成，具备储备性能、置换机能、扩

20、充性能，可以维持数十年的运作。（2）美国和加拿大的NEPTUNE计划NEPTUNE计划也叫“海王星”计划，是美国与1998年正式启动的一个海底观测网络。后来加拿大于1999年6月也加入到了这个计划，与美国共同建造大规模的海底观测网。海王星计划最终目标就是建立区域的、长期的、实时的交互式深海观测平台，在几秒到几十年的不同时间尺度、几微米到几千米的不同空间尺度上进行多科学的测量和研究。其主要研究方向包括深海的三大领域：一是板块构造研究、主要用来预测地震能发生的地点及其可能产生的影响；二是海洋对气候的影响以及南部富氧洋流对太平洋沿岸的生态和渔业的影响；三是各种深海生态系统研究，观察这些成千上万种生物

21、组成的各种生态环境在自然环境变化时作出的反应。这个计划设立了大约33个观测中心，每个中心都有潜标、CTD、ADCP、人工磁场海流计、波浪传感器、光源和相机、营养盐测量仪、地震仪以及ROV、AUV、ROVER。其中ROV用于水下仪器设备和网络的布放、安装以及维护，AUV用于数据的接驳和能源的补给，ROVER用于各节点之间的空白区域的观测。海王星计划环绕在“胡安.德富卡”板块，在500km1000km的海域铺设3000km长的光缆，进行量化海洋学和板块相关过程间的关系实时观测25年。（3）美国MARS计划和加拿大VENUS计划美国MARS计划和加拿大VENUS计划是作为海王星计划的原型试验，美国承

22、担的是蒙特雷湾海洋科学观测站MARS，而加拿大承担了VENUS观测站的建设。美国的MARS分为两期工程，一期工程需要完成电力和通讯两用光缆的铺设、所有水下观测仪器设备及相关装置的安装，最大水深900m，光缆全长52km；二期工程将于2013年结束并投入运行。加拿大的VENUS观测站设在水下约3000m的海床上，用800km长的电力通讯光缆在海底围成一个与岸基站联通的回路。VENUS观测网与NEPTUNE观测网构成了加拿大的海底观测网ONC（Ocean Networks Canada）。（4）美国夏威夷H2O计划美国夏威夷-2海底观测网位于夏威夷和加利福尼亚正中间的海底5000m处。夏威夷-2海

23、底观测网络是世界上第一个海底地震观测网络。夏威夷-2海底观测站把不间断工作的地震仪与安装了海水温度、化学成分和海流计的集装箱相连接，海底地震记录数据会不断地传给夏威夷州立大学。（5）欧洲ESONET计划根据全球环境监测与保护计划开展4D观测的需要，英、德、法在2004年制定了ESONET欧洲海底观测网计划。其计划与海底海王星计划类似，它是为了对地球物理学、化学、生物化学、海洋学、生物学和渔业等提供长期战略性监测能力，针对从北冰洋到黑海不同海域的科学问题，在大西洋与地中海精选10个海区建立观测网，大约有5000km的海底电缆。ESONET计划不像NEPTUNE计划那样是一个独立完整的海底观测网络

24、，它是由不同地区间的网络系统组成的联合体。（6）中国东海海底观测小衢山试验站东海海底观测小衢山试验站设置在羊山国际深水港东南约20km的小衢山岛附近，其水域平均深度15m。小衢山试验站于2009年4月正式运作。该试验站包括双层凯装海底光电复合缆，联接具有不同型号的水密接插头、实现能源自动供给和通信传输的基站特种接驳盒。光电复合缆通过海洋平台登录，由台上的太阳能蓄电池实施不间断能源供应。现场海洋观测数据通过光电复合缆传输到平台后经CDMA无线网络实时发到实验室服务器上。5.结语海底观测网络是多种技术的结合，它已成为人们深入认识海洋、认识地球的又一基本观测平台。海底观测网络在海洋预测、海洋科学研究

25、、海洋资源开发、地震海啸观测和国家安全等多个方面具有重大的科学和现实意义。日本、美国、加拿大以及欧洲等国都已铺设了自己的海底观测网并已经运作。而我国无论从技术水平和科学成果来看都与这些发达国家在海底观测系统上存在着很大的差距。但是我国也逐渐开始重视海洋观测的发展，并建设了一些小型观测站。目前我国的一些高校合作研发中国的海底观测系统，并取得了一些进步。参考文献：1李三忠，洋底动力国际海底相关观测网络与探测系统的进展与展望，海洋地质与第四纪地质，第29卷，第5期，2009年1月。2高艳波，深海高技术发展现状及趋势，海洋技术，第29卷，第3期，2010年9月。3朱光文，海洋监测技术的国内外现状及发展趋势，气象水文海洋仪器，No.2，1997年6月。4金田义行，日本先进的实时海底观测系统，国际地震动态，第11期，2011年1月。5马伟锋，海底电缆观测系统的研究现状与发展趋势，海岸工程，第28卷，第3期，2009年9月。6罗续业，海王星海底长期观测系统的技术分析，海洋技术，第25卷，第3期，2006年9月。7同济大学海洋科技中心海底观测组，美国的两大海洋观测系统：OOI与IOOS，第26卷，第6期，2011年6月。8彭晓彤，美国MARS海底观测网络中国节点实验，地球科学进展，第26卷，第9期，2011年9月。9许惠平，东海海底观测小衢山试验站，科学通报，第56卷，第22期，2011年。