国产深海准实时传输潜标系统设计

基于海洋环境安全保障、海洋环境预报和海洋科学研究的需要,开展国产深海准实时传输潜标系统的设计,重点进行锚泊系统水动力分析、观测设备工作同步性、准实时通讯系统安全可靠和系统低功耗等整体技术设计;开展轻型感应耦合传输缆制作、大深度感应耦合传输和智能收放通讯等数据实时通讯技术的研究;进行适用于准实时传输潜标系统的多种类国产设备的稳定性和可靠性优化、规模化集成和系统化的应用示范,形成半潜升降式准实时通讯潜标与浮子式准实时通讯潜标各1套。所设计的准实时传输潜标系统集成了1台抗污染CTD、19台感应耦合CTD、8台感应耦合T、4台感应耦合传输的ADCP、2台单点海流计和6台感应耦合数据传输仪,并配有2套声学释放器;潜标系统本体设计含有3个水下流线型浮体、1套通讯浮子、1套准实时卫星通讯装置（半潜式水下绞车或海面浮子）和1套锚泊缆系,可实现深达2 000 mm的剖面温盐深和海流等海洋要素的高频率、多要素、多层次的长期连续观测和数据准实时传输,以便对科学问题解决和海洋环境安全保障等提供及时的数据支撑。     

潜标CTD的现场温盐比测方法研究

潜标温盐深剖面测量仪(CTD)在长期使用后仪器数据会发生漂移、准确度降低,对科学研究的正确性和可信性造成严重影响。本文依据船载CTD的作业内容,为SBE37潜标CTD设计了一种用于比测的CTD底托架,将大洋水体视为恒温槽,以SBE911船载CTD为比测标准,通过回归方法计算了潜标CTD的温盐传感器校准系数,并将该系数下获取的数据与未校准的数据进行比较。温度比测误差绝对值的均值为3.833 3×10~(-4)℃,原始误差绝对值的均值为5.500 0×10~(-4)℃,电导率比测误差绝对值的均值为2.166 7×10~(-4) S/m,原始误差绝对值的均值为2.333 3×10~(-4) S/m,以上结果证明,本文中设计的比测方法对提高潜标CTD准确性有一定作用。     

水下升降式准实时通信潜标控制系统研制

为实现长期、连续、定点、低成本的上层海洋垂直剖面要素的准实时观测,提出了一种以STM32单片机(microcontroller unit,MCU)为主控器、采用国产温盐深传感器(conductivity temperature depth,CTD)和声学多普勒剖面流速仪(acoustic doppler current profilers,ADCP)等仪器进行剖面观测、搭载铱星通信模块或其他通信设备、适用于近海和远海的低功耗水下升降式准实时通信潜标控制系统设计方案。介绍了潜标的结构组成、控制系统硬件和软件设计,以及服务器接收软件的设计;实现了基于无线双向通信的数据补发机制和对潜标的远程控制;提出了一种适用于霍尔无刷直流电机(hall brushless direct current motor,HBLDCM)的堵转保护方法。近海和远海试验表明,该型潜标可以实现海洋垂直剖面的连续观测和数据的准实时传输,验证了潜标控制系统设计方案的可行性与稳定性。     

船载CTD仪与自动剖面浮标观测资料质量初探

海洋科学的发展离不开精确的数据,然而各种海洋观测仪器在复杂的海洋环境中作业难免产生测量误差,导致观测数据需要进行实时(或延时)质量控制。中国Argo计划在搭载多个航次布放剖面浮标的同时,对航次中获取的船载CTD(conductivity, temperature, and depth)仪观测资料、自动剖面浮标观测资料以及实验室高精度盐度计测量数据进行了实时比对。分析结果显示,利用实验室高精度盐度计对现场观测数据尤其是船载CTD仪观测资料进行质量控制,于温盐数据(特别是深层)的实时/延时校正非常重要;如某航次未经标定的船载CTD仪所测1000dbar以深范围内海水盐度,与实验室高精度盐度计的差值达到±0.1左右,远远落后于国内海洋调查规范对盐度准确度±0.02的一级测量要求,该具体实例更加突显了船载CTD仪在航次前后送往权威部门进行检测的必要性和重要性,从而确保每个航次获取的CTD资料的质量。建议有条件的情况下,在进行深海大洋船载CTD仪观测时要进行现场实验室高精度盐度计的质量控制工作及比对试验,以提高我国深海大洋观测数据的质量。     

深海潜标ADCP 的实时数据传输

深海潜标观测是深海观测获取长周期海洋科学数据的重要调查手段,由于深海海域环境非常复杂,潜标易丢失或终止正常工作,造成重大损失.本研究基于铱星卫星数据通信模块,开发与深水潜标上安装的RDt 75k ADCP相匹配的数据解析压缩软硬件,建立一套远程实时获取潜标ADCP数据的传输系统,实现对深海潜标ADCP的实时监测.     

温盐深测量平台发展现状与趋势

温度、盐度和压力是海洋重要的基本物理特性参数。温盐深测量仪(Conductivity Temperature Depth,CTD)是海水温盐剖面观测的关键仪器,在海洋经济开发、海洋观测、海洋国防建设方面有着极为重要的意义。本文介绍了几种典型的温盐深测量设备及移动观测平台,重点论述了CTD在Argo浮标、水下滑翔机等海洋移动观测平台上的应用现状,分析了水下滑翔机搭载的CTD在热滞效应、湍流等因素影响下产生的测量误差。最后探讨了以水下滑翔机为代表的海洋移动观测平台搭载CTD测量技术的发展趋势及应用前景。     

西太平洋深海科学观测网的建设和运行

西太平洋科学观测网是由中国科学院海洋研究所自主建成的大洋观测网络。深海数据的连续获取和实时传输对海洋与气候预报和海洋环境安全保障意义重大,世界海洋大国纷纷致力于其关键技术和系统集成的攻关。在中科院战略性先导科技专项的资助下,中科院海洋所经过统筹安排和周密部署,3年多来先后组织西太平洋综合考察航次3次,成功布放和回收深海潜标73套次,建成了由16套深海潜标组成的我国西太平洋科学观测网并实现稳定运行,获取西太平洋代表性海域连续3年的温度、盐度和洋流等数据。在2016年航次中,中国科学院又攻克了潜标数据长周期稳定实时传输的海洋观测难题,实现了深海数据的"现场直播",截至2017年9月,深海数据已成功连续实时回传260余天。以此为标志,我国的大洋科学观测网建设实现了批量化、标准化和常态化。深海观测数据的长时间连续积累和实时化传输,将提升我国深海科学研究能力,加速我国海洋与气候预报业务系统建设步伐,满足海洋强国建设、"一带一路"倡议对海洋环境安全保障的重大需求。"十三五"时期,我国正全面推进深海进入、深海探测和深海开发的深海战略,深海科学观测网建设技术和潜标数据实时传输技术对我国深海探测能力的提升意义重大。     

海水温盐深剖面测量技术综述

温盐深是反应海洋物理学特性的重要参数,是海洋水文观测的基本要素。CTD剖面仪(Conductivity-Temperature-Depth profiler)是进行海水温盐剖面观测的主要仪器,利用CTD剖面仪可精确测得水下不同深度上海水的温度和电导率参数,进而能够推算出海水盐度、密度、声速等相关信息,对于海洋经济开发、海上国防建设、海洋环境保护等都具有非常重要的意义。本文介绍了温盐深剖面测量技术的基本原理与发展现状,对几种典型的温盐深测量设备及各种海洋观测平台中搭载的CTD传感器进行了介绍,论述了CTD传感器的标定和测试技术,并对其发展趋势进行了分析。     

两型国产CTD海上比测试验结果分析

基于目前国内海洋仪器的现状,为了对国产温盐深剖面仪(Conductivity-Temperature-Depth profiler,CTD)的性能和实际使用情况有个量化的结果,在我国南海东北部海域对国内较为成熟且具备产品化条件的两型国产CTD开展第三方独立检验与验证。比测过程中,采用同架捆绑,同步下放的方法进行测量。数据处理时,采用一种简便的移相相关法,对国产CTD的压力(P)、温度(T)、电导率(C)、盐度(S)与标准CTD进行对比分析。试验结果表明两者数据曲线趋势一致,线形基本吻合,参试的国产CTD基本上达到自身产品标称精度,但低于标准CTD精度。本次比测结果有利于促进技术成果的完善与固化,有利于进一步提高设备的可靠性、稳定性和批量一致性,为国产海洋环境监测设备的规模化应用和推广提供数据支撑。     

锚定式海洋水体剖面观测技术的研究与应用

介绍了国际上基于海底观测网、浮标和海床基等设施的锚定式海洋水体剖面观测的技术手段,国内西太平洋深海科学观测网、南海潜标观测网和中国科学院近海观测研究网络三大体系中应用的锚定式海洋水体剖面观测技术手段,通过对这些技术特点的分析,指出一些国际上较为成熟的锚定式海洋水体剖面观测技术手段并不适用于我国近海的水体剖面观测,自主研制的基于大浮标的锚定式水体剖面观测技术在我国近海则较为实用,能够长期稳定地运行,而且应用前景广阔。     

基于水下绞车的实时传输潜标研制及海上试验

针对“透明海洋”工程对水下实时、长期、连续观测的迫切需求,开展基于水下绞车的实时传输潜标研制。该型潜标采用水下绞车牵引卫星通信浮标的方式,将潜标上搭载的测量仪器观测数据通过铠装通信缆传输到卫星通信浮标,当卫星通信浮标浮出水面时,再通过卫星通信传输至数据接收处理装置,完成数据传输后,水下绞车牵引卫星通信浮标至海面以下50 m,从而实现潜标系统的实时传输功能。本文详细介绍了基于水下绞车的实时传输潜标系统设计及关键组部件设计,并通过海上试验验证了该型潜标海上应用的可行性。     

平台基海洋环境立体监测系统的研制及应用

介绍了一种基于海洋石油平台的海洋动力环境立体监测系统的系统组成和工作原理。该平台基监测系统由气象监测系统、浮标监测系统、有缆潜标监测系统、测波雷达、通信和岸站系统五部分组成,开展风、浪、流、内波等环境参数的长期、定点监测,并通过平台网络系统实时传输测量数据。经过海上长期试验表明该系统能够稳定可靠地在平台上运行,可为中国油气资源开发走向深海提供可靠的技术支撑和安全保障。     

国产XBT海上比测方法研究及结果分析

随着国产投弃式温深仪(XBT)性能的提高,其使用范围和规模也逐步扩大,受某专项办的委托,厦门大学在南海东北部开展了"海洋监测设备适用性检验规范及海上试验研究(国家863计划)"项目,针对海洋技术领域研发的技术较为成熟、具备产品化条件的XBT开展检验与验证,对国产XBT的性能和实际使用情况进行分析和总结。试验中,在不同站点进行温盐深仪(CTD)现场测量,以此数据为真值对国产和进口XBT精度做评估。在较高速度走航测量时,则以进口XBT数据为参照,对国产XBT进行评估。试验结果表明,国产XBT整体上表现良好,成功率大概为80%,有些型号的国产XBT精度与进口XBT精度接近,但国产XBT无效剖面较多。同时也发现,进口XBT的精度无法满足预期比测的要求,不能准确计算出国产XBT精度,但结果仍然具有参考价值。本次试验可以为国产XBT的规模化应用和推广提供数据支持,也可为其他型号XBT/XCTD/CTD等仪器的比测提供借鉴。     

温盐深测量仪(CTD)资料质量对比分析

温盐深测量仪(CTD)是目前国际上应用最为广泛的物理海洋调查仪器设备之一。2014年,中国科学院海洋研究所在黄海布放的潜标上搭载了3种不同型号的CTD(37Coastal、CTD48和304Plus),本文分别对这3种CTD所获取的数据资料进行了对比分析。三者数据两两对比结果显示,37Coastal与CTD48压力及温度数据最为接近,盐度数据则为37Coastal与304Plus相差最小。3种设备的压力、温度及电导率数据稳定性对比结果如下:37Coastal压力数据稳定性表现最好;三者温度数据稳定性表现一致;而37Coastal盐度数据稳定性和CTD48一致。三种设备均能适应海洋真实的物理环境参数变化观测,同时各自有其不同的使用环境,对于不同海域环境使用需要进行详细评估,综合各个方面的因素确定最终适合自身科学研究需求的方案。     

CTD海上剖面测量性能综合评定方法研究

随着国产温盐深剖面仪（Conductivity-Temperature-Depth profiler,CTD） 测量性能的不断提高,其使用范围和规模也逐步扩大,需要规范CTD 海上剖面测量性能评定方法。在威海附近海域开展基于锚泊式平台CTD 海上比对试验,通过改变同架比对CTD 数量、引入相关系数和平均差数据处理方法研究海上比对试验效果,提出以精准度和灵敏度为目标层的CTD 海上剖面测量性能评价指标体系,实现了对被测CTD 海上剖面测量性能相对全面的评价,准确量化了被测CTD 在实际海洋环境中的剖面测量性能,为国产CTD 海上剖面测量性能的优化提供依据。     

平台基有缆潜标实时内波监测系统

研究开发了一套依托于海洋平台进行安装的有缆潜标实时内波监测系统.该系统由温度传感器、温盐深传感器(CTD)、定点海流计(DVS)、终端接收机、绞车、钢缆、电缆及锚定重块等组成.温度传感器、CTD和DVS依一定的空间间隔串行连接并固定在系泊钢缆上.系统利用电缆实时供电、采用可寻址RS485总线进行控制和数据传输.集成的有缆潜标内波监测系统在中海油所属的PY30-1平台上进行了现场内波观测,成功捕获了多个内波过程,为获取长时间序列的内波实测数据、进而为开展南海内波机理和工程应用研究提供了有效的技术手段.     

深海综合观测浮标研制及其在热带西太平洋的应用

目前尽管国内近海浮标实现了产品化,但深远海尚无定型可靠的深海综合观测浮标系统,基于此,中国科学院海洋研究所设计制作了深海综合观测浮标系统,其浮标体为柱台型结构,采用单点锚泊系留。整个系统主要由浮标体、系留子系统、观测子系统、数据采集处理控制子系统、通信子系统、供电子系统、检测子系统、安全报警子系统和岸基数据接收处理子系统等9部分组成。浮标系统通过搭载不同类型的传感器,实现对风速/风向、气温、相对湿度、气压、能见度、雨量、波浪、表层水温、表层盐度、表层溶解氧、表层叶绿素、表层浊度、剖面流速流向、剖面温盐深（最大深度可达1 000 m）、方位及浮标位置等要素进行实时观测,从而完成对海洋气象、水文和水质等要素的长期、连续、自动监测,并支持铱星和北斗等卫星通信方式,将观测数据实时的传输到岸基数据接收处理系统。近年来,深海综合观测浮标系统在热带西太平洋海域连续进行了4次海上应用,每次应用时间长达1 a。它提供了第一手的大洋上层和海气界面长时间序列的实时连续观测资料,促进了关于气候变化和深海大洋的研究工作。所研制的深海浮标达到目前国际同类产品（美国ATLAS浮标、日本TRITON浮标）的先进水平,并且在水下感应耦合传输等方面进行了创新,形成了自有特色。     

应用潜标测流系统对中国南海深海区海流的测量

一、概述由国家海洋局海洋技术研究所研制的千米潜标测流系统,于1986年4月28日在中国南海的千米深海区进行了投放,该系统在水下工作80多天,于1986年7月19日成功的进行了回收,顺利的收回了海流计、释放器、浮子等部件。海流计回收后取出磁带,进行回放和数据处理。这次利用潜标测流取得了很有规律性数据,这份长期的、连续的、深海的(近1000米)海流资料,这在国内还是第一次,对研究海洋,开发海洋提供了很有价值的资料。     

温盐深测量仪(CTD)资料质量对比分析

温盐深测量仪(CTD)是目前国际上应用最为广泛的物理海洋调查仪器设备之一。2014年中国科学院海洋研究所在黄海布放的潜标上搭载了三种不同型号的CTD(37Coastal、CTD48和304Plus),本文对这三种CTD所获取的数据资料分别进行了对比分析。三者数据两两对比结果显示,37Coastal与CTD48压力以及温度数据最为接近,盐度数据则为37Coastal与304Plus相差最小。三种设备的压力、温度以及电导率数据稳定性对比结果如下, 37Coastal压力数据稳定性表现最好;其温度数据稳定性三者表现一致;而盐度数据稳定性则是37Coastal和CTD48一致。     

2008年夏季楚科奇陆架海域近底层水温大幅快速变化事件研究

2008年夏季中国第3次北极科学考察期间,利用锚碇潜标对北冰洋楚科奇陆架海域进行了为期33 d的海流剖面、近底层温度与盐度连续观测。观测数据显示楚科奇陆架海域近底层海水温度出现了两次较大幅度的快速升降现象。结合此次科学考察R断面温盐深仪(CTD)观测资料、以及卫星遥感海表温度(SST)和海表风场等资料,综合分析表明:观测到的这种快速升、降温现象不仅发生在近底层;这种快速升、降温现象应该是由海水温度锋面在夏季整体缓慢北移的同时存在短暂南北摆动所导致;温度锋面的季节性北移属于北极气候特征,而温度锋面短暂的南北摆动则与短期天气过程有关。