基于海洋资料浮标上目标探测系统的集成设计

第!"卷!第!期!!!!!!!!!!!!光谱学与光谱分析#$%&!"!'$&!!((?C ?*?C "!++"年!月!!!!!!!!!!!!,(-./0$1.$(2345,(-./03%643%21718-90:302!!++"!海洋光学浮标的设计及应用试验杨跃忠< ! 孙兆华< !" 曹文熙< 李!彩< 赵!俊<! 周!雯< ! 卢桂新< 柯天存< 郭超英<<&中国科学院南海海洋研究所T Q [重点实验室!广东广州!?<+;+<!&中国科学院研究生院!北京!<+++;"摘!要!海洋光学浮标在水色遥感现场辐射定标和数据真实性检验"海洋科学观测"近海海洋环境监测等方面有重要应用价值#采用子母浮标技术设计了海洋光学浮标系统!该系统可同步测量海面和海水近表层及真光层的光谱辐照度和光谱辐亮度分布"水体光谱吸收,散射系数!以及风速风向等辅助参数#浮标利用I Y ,定位!采用低功耗的Y P <+D 嵌入式电脑作为控制核心实现数据的自动采集!采用P [_6,I Y O ,无线网络与海事卫星两种方式实现数据和指令的实时传输#近海试验表明!设计的子母浮标能较好地满足水下光辐射测量对浮标姿态和稳性的要求!系统的数据采集和远程传输技术可靠!光学仪器防污染技术能确保光学浮标长期有效地工作#关键词!海洋光学浮标&光辐射测量&高光谱辐射计&防污染装置中图分类号 Y F ;; B D ;;!!文献标识码 6!!!"# <+&;"C D E&7114&<+++*+?"; !++" +!*+?C ?*+?!收稿日期!++F *+"*!) 修订日期 !++F *<!*!"!基金项目 国家.)C ;/计划项目$!++C 66+"6;<+%!中国科学院装备项目$`!++?+<<%和中国科学院知识创新项目$>a e !*`b *!<?%资助!作者简介 杨跃忠!<"C ?年生!中国科学院南海海洋研究所副研究员!!-*@37%'J :%7!1.17$&3.&.4"通讯联系人!-*@37%'1:4G :3C ?<D !<C ;&.$@引!言!!海洋光学浮标技术是!+世纪)+年代中期以后发展起来的一门新技术!可用于连续观测海面"海水表层"真光层乃至海底的光学特性!在水色遥感现场辐射定标和数据真实性检验"海洋科学观测"近海海洋环境监测和海洋军事科学方面有着重要的应用价值(<*D )#美国于<")F 年在马尾藻海区应用深水锚定系统获取了时间系列的海水光学参数(?)#!+世纪"+年代后期!第一台海洋光学浮标$_B V `%在美国诞生!并用于,-3b 78,和_B [^,的现场辐射定标数据真实性检验(C )#为配合B P U ,的发射和应用!日本也独立发展了自己的海洋光学浮标技术$`V B _%(F )#近年来!英国"法国先后开展了光学浮标Y %2_V B [2和V B f ,,B T Q 的研制!其主要目标是为,-3b 78,!_B [^,和_Q O ^,等水色遥感器的辐射定标"数据和算法真实性检验提供长期的观测平台()!")#用于海洋科学多学科联合观测的光学浮标技术也取得了很大的进展(<+)#海洋光学浮标涉及的技术面广!依赖于高稳性浮标设计和水下光辐射测量"遥测遥控"电源"数据采集和存储"水下光学仪器的防生物污染等技术的进步#我国于!++<年开始了海洋光学浮标技术的研究(<<)!本文主要介绍海洋光学浮标设计的一些关键性问题!并分析试验结果#<!浮标体及锚碇系统!!光学浮标主要用于光辐射测量!不仅要满足耐海水腐蚀性"抗倾覆性"稳性和随波性等性能要求!同时要兼顾浮标海上姿态以及阴影对光辐射测量的影响#为减小浮体及其上层建筑的阴影效应对光辐射测量的影响(<!)!保证高海况条件下浮标体的稳性!光学浮标浮体设计由子浮标和母浮标两套水面浮标体构成!如图<所示#母浮标为直径!&)@的小型锚碇圆盘型浮标体&子浮标为直径<&?@的柱型浮标体!系泊于母浮标#试验结果表明!在)@*1A <风速的高海况条件下子浮标的倾角平均不超过<+Z#!!母浮标的锚系采用组合式!自上而下分别由包塑钢丝绳"中间锚链"尼龙缆$聚丙乙烯缆%"过渡锚链"拖底锚链和锚六部分构成#设置过渡锚链段的作用是为了避免尼龙缆下部与海底的摩擦!因此在尼龙缆段适当位置加装具备一定浮力的浮球!将过渡锚链段拉起#由于海洋环境中的风"浪"流对系泊中的子母浮标的作用!如果两标之间系缆类型和长度选定不当!很有可能造成两标相撞或跑标#通过理论计算和模型水池试验!最终采用子浮标通过;+@零浮力缆系泊于母浮标方案#$%&'(!L.1%:,25/%*.8A62O-221%:&*2:3%&61./%2:!!系统集成设计;'(!总体方案及通讯系统光学浮标由母浮标控制系统"子浮标控制系统"标间通讯系统"无线通讯系统"岸站接收中心!以及所装载仪器和传感器构成!如图!所示#$%&';!=4*+,-./%*2G,1G%,I23/+,-.1%:,25/%*.8A62O4O4/,-!!当子母浮标控制系统控制所搭载的仪器和传感器测量数据后!两标之间通过超短波电台通讯!将数据汇总于子浮标!然后由装载于子浮标的无线通讯系统实时发送回岸站接收中心!进行进一步处理"分析#浮标在近海使用时!无线通讯系统基于P[_6和I Y O,两种网络与岸站接收中心通讯&在P[_6,I Y O,网络信号覆盖不到的海域$如大洋%使用时!使用海事卫星与岸站接收中心通讯#;';!浮标控制系统浮标控制系统采用低功耗的Y P<+D嵌入式电脑作为控制核心!<I的P8卡作为存储介质!在高稳定性"低资源占有的[B,平台上开发控制软件#!!图;所示为浮标控制系统原理框图!Y P<+D嵌入式电脑通过并行接口接收浮标体的报警信号和控制整个浮标系统的电源供给!扩展的)O,!;!P串口通讯模块作为所搭载的仪器"传感器"标间通讯系统和无线通讯系统与浮标总控的接口平台#$%&'>!=4*+,-./%*2G,1G%,I23/+,48.G,A62O*2:/1284O4/,-;'>!浮标搭载的主要仪器 传感器母浮标装载了光谱吸收,散射系数测量仪!测量海水的固有光学特性!在中间锚链挂有真光层多光谱辐射计&子浮标用于海水表层和海面光辐射的测量!装载有海面光谱辐射计"海水表层高光谱辐射计&同时子母浮标均装载有一些辅助传感器!如经纬度"倾角"方位角"风速"风向"水温等#海面光谱辐射计测量海面入射光谱辐照度,1!海水表层高光谱辐射计(<;!<D)可以快速同步测量水下;!?!F和"@四个水层的下行光谱辐照度$,5%和上行光谱辐亮度$T:%!每个探头都集成白光T Q[!用于对辐射计的光谱响应和波长漂移进行现场监测#真光层多光谱辐射计(<?!<C)是低功耗"用于探测深层海水中微弱光信号的高灵敏度仪器!母浮标中间锚链不同深度处共挂有三台该辐射计!测量的真光层的下行光谱辐照度"上行光谱辐亮度"深度"方位角和倾角等数据!自容式存储后!利用感应式调制解调器技术实时传输给母浮标!进而实时传回岸站接收中心#海洋光学浮标使用了自主设计的同时CC?光谱学与光谱分析!!!!!!!!!!!!!!!!!!!第!"卷具有防污和清污功能的新型装置(<F)!成功地解决了这一问题#;!海洋光学浮标的试验结果分析!!海洋光学浮标已在中国近海开展多次海上运行试验!成功获取了水体高光谱数据#!!试验期间!每天凌晨!点用白光T Q[对辐射计进行稳定性检测$此时认为水下没有月光的影响%!图D有代表性地给出了水下;!?!F和"@四层T:对T Q[的响应!结果表明辐射计光谱响应稳定性很好#!!根据,-3b781光学测量规范!用于水色卫星现场辐射定标测量的光谱辐射计倾角不宜大于<+Z!图?为子浮标倾角与风速的关系曲线!可见!浮标在<D@*1A<$C级风%的海况下的倾角一般小于!+Z!)@*1A<$D级风%以下海况倾角能保持在?$)Z!因此!D级风以下海况下浮标倾角可满足应用要求#$%&'F!)5,*/1.81,452:4,23/+,45,*/12-,/,1/2S<!Y@+, -,.461,-,:/./;20*82*f A,/I,,:X.:0(D/+23?2G,-A,1%:;V VE$%&'E!J+.:&,23/+,A62O%:*8%:./%2:I%/+I%:0$%&'D!J2-5.1%42:23'4.:0S d1>-A,/I,,:/+,-.1%:,25/%7 *.8A62O$428%08%:,%.:0L%*12512$4/1.%&+/8%:,%$%&'C!$.%@+,.//,:::6./%2:*61G,23'0./F b V:-Y@+,428%0 8%:,%4/+,3%//,0*61G,23/+,,U52:,:/%.8.//,:6./%2:1./,I%/+.G.86,23V'>X$A%/+,45,*/1.80%4/1%A6/%2:23/+,0%3364,.//,:6./%2:*2,33%*,:/4312-/+,3%//,01,7468/4./0%33,1,:/I.G,8,:&/+4!!试验期间!用_7.0$Y0$剖面仪$加拿大,3/%34/7.公司产%与海洋光学浮标的海面光谱辐射计"海水表层高光谱辐FC?第!期!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!光谱学与光谱分析射计和真光层多光谱辐射计进行了比测!_7.0$Y 0$只有F 个波段!中心波长分别为D <!!D D ;!D "+!?!+!???!C !+!C );$%&'X !@%-,4,1%,423$.%I %:045,,0!$A %&0$F b V %!$*%5+27/24O :/+,/%*.G .%8.A 8,1.0%./%2:$B =P $V %%A 62O $428%08%:,%.:0L %*12512$4/1.%&+/8%:,%4@#结果表明两个仪器的测量结果是一致的#图C 代表性给出了海面,1和水下;@上行光谱辐亮度的比测结果#!!通过对海洋光学浮标测量的水下;!?!F !"!<+和<?@的下行,1和上行T :数据的处理!可得水体的漫射衰减系数!图F 给出了!++?年<<月F 日<<点所测D "+4@波长处,5随深度的衰减曲线!以及计算得到的水体漫射衰减系数光谱分布#图)9为@5$D "+%的时间序列变化!从中可见!@5$D "+%变化较大#<<月<!日以后遇到寒潮!风速持续增强$图)3%!而且入射到海面的太阳辐射也持续多天较小$图).%!@5$D "+%持续增大!表明水体水质也变差#;!结!论!!海洋光学浮标基于子母浮标方案设计!集成水下光辐射测量"遥测遥控"数据采集和存储"水下光学仪器的防生物污染等多项先进技术#多次近海试验表明'在)@*1A <风速的高海况条件下子浮标的倾角平均不超过<+Z!浮标体姿态能够满足水下光辐射测量的特殊要求&新型的防污染装置能够保证浮标工作期间光学探头的清洁&浮标所搭载的辐射计光谱响应稳定性好&海洋光学浮标能够为我国水色遥感"海洋科学观测"近海海洋环境监测等方面应用提供长期的水体高光谱数据#参考文献(<)!_:-%%-0]T !830M 7$4I,\B .-34B (/7.1Y 0$/$.$%1H $0,3/-%7/-B .-34P $%$0,-41$0#3%753/7$4!'6,6U -.G_-@$\!!++;!D ';?\(!)![7.L -2U[!]$4-1V=\,Y ^Q !<""F !!"C ;'!?D \(;)![7.L -2U[!,7-M -%[\f,]I B 8,Y %34474M O -($0/'V 7$*P (/7.174f ,]I B 8,Y %34474M 345P $$05743/7$4B H H 7.-b $$51=$%-B .-34$M 03(G *7.^41/7/:/7$4!<"")!<)+\(D )!=$$L -0,V !T 3W 74I !a 79$057I !-/3%\]$:043%6/@$1(G -07.345B .-347.U -.G 4$%$M 2!!++!!<"'D )C \(?)![7.L -2U[!_3003]!I 0343/3U !-/3%\]$:043%I $-(G 217.3%O -1-30.G *B .-41!<""<!"C ')C D ;\(C )!P%30L[>!`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b !`34M `!>-U !-/3%\Y 0$.--574M1$H ,Y ^Q !!++;!D )"!'!!!\(<!)!P6B b -4*X 7!bfU 74M *H 34M !`6'I`:-*W G $4M !-/3%$曹文熙!吴廷芳!杨跃忠!等%\=7M GU -.G 4$%$M 2T -//-01$高技术通讯%!!++;!<;$;%')+\(<;)!e fa G $4M @74!`fV 74M X 7!]^'e 7H -4M \^,^,U 0Y 0$.--574M!!++D !;'F ?"\(<D )![^'Ie 73$*(74M !b 6'I b -7!8f T 734*.G :4$丁小平!王!薇!付连春%\,(-./0$1.$(2345,(-./03%643%2171$光谱学与光谱分析%!!++C !!C $C %'<<F C \(<?)!P 6B b -4*X 7!bfU 74M *H 34M !`6'I`:-*W G $4M !-/3%$曹文熙!吴廷芳!杨跃忠!等%\=7M GU -.G 4$%$M 2T -//-01$高技术通讯%!!++!!<!$<%'"C \(<C )!T^P 37!>QU 734*.:4!P 6B b -4*X 7!-/3%$李!彩!柯天存!曹文熙!等%\B (/7.3%U -.G 47c :-$光学技术%!!++D !;+$C %'C C ?\(<F )!T^P 37!P 6B b -4*X 7!>QU 734*.:4!-/3%$李!彩!曹文熙!柯天存!等%\Q %-./0$47.[-17M 43456((%7.3/7$4b $0%5$电子设计应用%!!++;!$C %'!)\)C ?光谱学与光谱分析!!!!!!!!!!!!!!!!!!!第!"卷!,4%&:.:0<U 5,1%-,:/./%2:23L .1%:,"5/%*.8R 62O`6'I`:-*W G $4M<!!!,f 'a G 3$*G :3<!!"!P 6B b -4*X 7<!T ^P 37<!a =6B]:4<!!!a =B f b -4<!!!T fI :7*X 74<!>QU 734*.:4<!I f BP G 3$*274M<<\T Q [T 39$03/$02!,$:/GP G 743,-3^41/7/:/-$H B .-34$%$M 2!P G 74-1-6.35-@2$H ,.7-4.-1!I :34MW G $:!?<+;+<!P G 743!\I 035:3/-,.G $$%$H /G -P G 74-1-6.35-@2$H ,.7-4.-1!V -7E 74M !<+++;"!P G 743=A 4/1.*/!_3074-$(/7.3%9:$271$H 7@($0/34/N 3%:-74/-0@1$H .3%7903/7$4345N 3%753/7$4$H $.-34.$%$00-@$/-1-4174M!1.7-4/7H 7.$91-0N 3/7$4!.$31/3%-4N 70$4@-4/@$47/$074M !-/.\6@3074-$(/7.3%9:$2121/-@J 315-17M 4-5J G 7.G .$4171/1$H 3@37434531%3N -9:$2\U G -121/-@.34@-31:0-/G -571/079:/7$4$H 70035734.-345035734.-$N -0/G -1-31:0H 3.-!74/G -%32-04-301-31:0H 3.-34574/G --:(G $/7.W $4-124.G 0$4$:1%2!5:074M J G 7.G 1$@-$/G -0(303@-/-0130-3%1$3.c :70-51:.G 311(-./03%391$0(/7$43451.3//-074M .$-H H 7.7-4/1$H /G -J 3/-0.$%:@4!/G -N -%$.7/2345570-./7$4$H /G -J 745!3451$$4\U G -9:$2J 31($17/7$4-592I Y ,\U G 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海洋维权执法浮标信息采集系统的CAN总线设计作者：唐原广刘晓王朋朋来源：《现代电子技术》2013年第10期摘要：我国的海上疆土非常的辽阔，海洋开发和海洋探测对于我国经济的发展具有深远的意义。

海洋资料浮标是海洋环境监测与海洋灾害预报的主要手段之一，具有全天候、长期连续、定点监测的特点。

根据海洋维权执法浮标的特点，运用现场总线技术，设计了基于CAN 总线的浮标数据采集系统。

实验表明，CAN总线的应用为海洋维权执法浮标采集系统提供了一种新的采集方式，组成了一套总线化、模块化、高可维护性的系统。

关键词：通信； CAN总线；海洋浮标；数据采集中图分类号： TN911⁃34 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2013）10⁃0031⁃02海洋维权执法浮标基于目前的大型海洋资料型浮标安装高清晰度图像采集系统和声学传感器阵列，定点获取关键海域的舰船信息，获取海洋侵权目标、提升全天候探测能力；分别研制基于浮标卫星和飞机卫星的高速数据实时传输系统，结合目标特征数据库，实现对侵权目标的特征识别和研判；综合集成上述传输技术、探测技术和分析研判技术等，在东海特定敏感区域开展维权执法目标探测识别与信息传输技术集成三位一体的信息综合监视示范应用。

但是，我国目前的海洋资料浮标信息采集系统仍存有许多不足之处：浮标信息采集系统实现对浮标内信息的集成，完成浮标上图像信息、水声信息、水文环境参数信息、浮标体安全参数信息的采集、存储和传输。

数据采集处理系统种类多，给使用和维护带来了极大的不便。

因此为克服传统浮标采集系统的不足，本文将CAN总线应于海洋维权浮标采集系统，主机和通讯机通过CAN总线相连，CAN总线数据通信具有可靠性、实性及灵活性的特点，因此解决了大型海洋浮标数据采集系统的扩展性差的缺点[1]。

浮标系统电气部分分为：电源系统、浮标信息采集系统、水下声阵列信息采集与识别系统、高清图像采集与识别系统、高速卫星通信系统、水文气象传感器和浮标体安全监控传感器。

gnss 浮标法（最新版）目录1.GNSS 浮标法的概述2.GNSS 浮标法的工作原理3.GNSS 浮标法的应用领域4.GNSS 浮标法的优缺点正文【1.GNSS 浮标法的概述】GNSS 浮标法是一种利用全球导航卫星系统 (Global Navigation Satellite System, GNSS) 进行海洋观测的技术。

它通过在浮标上安装GNSS 接收机，接收卫星信号，实现对浮标位置、速度、加速度等海洋参数的实时监测。

这种方法具有精度高、可靠性好、成本低等优点，被广泛应用于海洋科学研究、海洋环境监测等领域。

【2.GNSS 浮标法的工作原理】GNSS 浮标法的工作原理主要基于 GNSS 系统的卫星信号。

GNSS 系统由多颗卫星组成，卫星向地面发射信号，接收器接收到至少三颗卫星的信号后，可以计算出自身的位置信息。

GNSS 浮标法将接收机安装在浮标上，通过接收卫星信号，实现对浮标的精确定位。

同时，浮标还配备了各种传感器，如温度传感器、盐度传感器等，可以对海洋环境参数进行实时监测。

【3.GNSS 浮标法的应用领域】GNSS 浮标法在多个领域都有广泛应用，包括但不限于以下几个领域：(1) 海洋科学研究：通过 GNSS 浮标法，科学家可以实时监测海洋表层和深层的流速、流向等参数，为研究海洋环流、海洋生态系统等提供数据支持。

(2) 海洋环境监测：利用 GNSS 浮标法，可以实时监测海洋表层温度、盐度等环境参数，有助于了解海洋气候变化、海冰融化等情况。

(3) 海洋灾害预警：通过 GNSS 浮标法，可以实时监测海啸、风暴潮等海洋灾害的动态信息，为灾害预警和防范提供数据支持。

【4.GNSS 浮标法的优缺点】GNSS 浮标法具有以下优缺点：(1) 优点：- 精度高：GNSS 浮标法利用卫星信号进行定位，精度可以达到厘米级别。

- 可靠性好：GNSS 浮标法不受天气、海况等环境因素影响，具有较高的稳定性。

- 成本低：相较于传统海洋观测方法，GNSS 浮标法的设备成本和维护成本较低。

1112023年·第4期·总第205期智能浮标系统的架构与关键技术赖粤龙 李 凯 傅雨佳（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海　２０００１１）摘　要：…随着对海洋的探索开发，人类对海洋数据的需求日益增长。

海上浮标作为海洋水文气象的自动观测站，在技术的加持下被赋予了越来越多的功能，被运用到探索开发海洋的方方面面。

但是，目前海上浮标的应用场景比较单调，其信息传输仍受到诸如气候环境、通信距离等因素的影响。

为满足对海洋数据日益增长的需求，该文提出一种基于海上浮标技术、海底光缆技术与网络技术相结合的智能浮标系统，并设想了这套系统的若干应用场景。

关键词：智能浮标系统；海底光缆；网络技术；数字海洋中图分类号：U662.9；P715.2………文献标志码：A………DOI ：10.19423/ki.31-1561/u.2023.04.111Architecture and Key Technologies of Intelligent Buoy SystemLAI Yuelong LI Kai FU Yujia(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)Abstract: With the exploration and development of the ocean, human’s demand for ocean data is increasing. As an automatic observation station for marine hydrometeorology, marine buoys have been assigned more and more functions with the support of technology, and have been used in all aspects of exploration and development of the ocean. However, the current application scenarios of marine buoys are relatively monotonous, and their information transmission is still affected by factors such as climate environment and communication distance. In order to meet the growing demand for ocean data, an intelligent buoy system based on the combination of marine buoy technology, submarine optical cable fiber technology and network technology is proposed with imaginations of several application scenarios of this system.Keywords:…intelligent buoy system; submarine optical fiber cable; network technology; digital ocean收稿日期：2023-03-07；修回日期：2023-05-11作者简介：赖粤龙（1997-），男，本科，工程师。

基于地磁与红外双模探测的海洋浮标预警系统设计赵铁虎;齐君;阮大双;单瑞【摘要】设计了一种基于地磁检测与红外感应相结合、可对浮标周围异常目标进行探测和预警的控制系统.系统采用芯片级的微型磁感线圈,以及高集成度、低功耗的数据采集与总线技术,通过探测船体磁性对地磁场的扰动,监测船舶对浮标的靠近;采用芯片级的热释电红外传感器,通过探测人体红外辐射,监测浮标在正常工作期间未知人员的入侵.系统的预警采用声光报警和图像远程传输相结合的方式,现场采集的图像数据经过压缩编码后通过无线数传电台发送至远程岸基监测站,实现海洋浮标的远程预警与现场取证功能.【期刊名称】《海洋技术》【年(卷),期】2017(036)005【总页数】7页(P15-21)【关键词】海洋浮标;地磁检测;红外感应;无线数传【作者】赵铁虎;齐君;阮大双;单瑞【作者单位】青岛海洋地质研究所,山东青岛266071;海洋国家实验室海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室,山东青岛266071;青岛海洋地质研究所,山东青岛266071;海洋国家实验室海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室,山东青岛266071;杭州电子科技大学,浙江杭州310018;青岛海洋地质研究所,山东青岛266071;海洋国家实验室海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室,山东青岛266071【正文语种】中文【中图分类】P715.2海洋浮标是海洋环境、气象预报和海洋灾害预测预警的主要监测手段，我国在近海区域布放了成千上万个基于各类不同业务项目的浮标系统，由于浮标全天候、长期连续、定点监测海洋水文环境和气象[1-2]，因此极易遭受到渔业活动和过往船只等客观与主观因素的破坏。

随着我国海洋观测、监测业务活动的全面开展，使得设计一种浮标安全自动监测系统的必要性与迫切性日益提高。

本文设计了一种基于地磁检测技术[3-4]、热释电红外感应技术与数据无线传输技术的海洋浮标预警系统，系统由“检测单元”和“预警单元”两部分组成。

国家海底观测网十米浮标平台系统研究与应用①李 清1,陆 海2,韩 睿1,王建军2(1.上海外高桥造船海洋工程有限公司,上海 201306;2.同济大学国家海底科学观测系统项目办公室,上海 201306)摘要 国家海底科学观测网是经国家发改委批准的重大科技基础设施建设项目,旨在全方位㊁多领域㊁立体观测海洋㊂与业务化运行的浮标网不同,海底科学观测网对浮标平台的数据采集和控制系统㊁水声通信㊁系统的防护和国产仪器实验平台等方面提出了新的更高的要求㊂针对这些科学目标的工程实现,探讨对现有浮标的改进和功能增删以满足整个海底观测网的需求㊂关键词 国家海底科学观测网;海洋资料浮标;数据采集和控制系统;水声通信中图分类号:P 714 文献标志码:A 文章编号:20957297(2023)011907d o i :10.12087/oe e t .2095-7297.2023.02.19D e s i g n o f C h i n a N a t i o n a l S c i e n t i f i c S e a f l o o r O b s e r v a t o r y B u o y Pl a t f o r m L I Q i n g 1,L U H a i 2,H A N R u i 1,WA N G J i a n ju n 2(1.S h a n g h a i W a i g a o q i a o S h i p b u i l d i n g &O f f s h o r e C o .,L t d .,S h a n gh a i 201306,C h i n a ;2.P r o j e c t M a n a g e m e n t O f f i c e o f C h i n a N a t i o n a l S c i e n t i f i c S e a fl o o r O b s e r v a t o r y ,T o n g j i U n i v e r s i t y ,S h a n gh a i 201306,C h i n a )A b s t r a c t C h i n a N a t i o n a l S c i e n t i f i c S e a f l o o r O b s e r v a t o r y (C N S S O )i s a m a j o r s c i e n c e a n d t e c h n o l o g yi n f r a s t r u c t u r e p r o j e c t a p p r o v e d b y t h e N a t i o n a l D e v e l o pm e n t a n d R e f o r m C o m m i s s i o n (N D R C ),w h i c h a i m s t o o b s e r v e t h e o c e a n f r o m v a r i o u s a s p e c t s a n d f i e l d s .U n l i k e t h e b u o y n e t w o r k o p e r a t e d b y t h e g o v e r n m e n t ,C N S S O r e qu i r e s s m a r t d a t a a c q u i s i t i o n a n d c o n t r o l s y s t e m ,u n d e r w a t e r a c o u s t i c c o m m u n i c a t i o n ,s ys t e m p r o t e c t i o n a n d d o m e s t i c i n s t r u m e n t e x p e r i m e n t p l a t f o r m.I n r e s p o n s e t o t h e r e a l i z a t i o n o f t h e s e s c i e n t i f i c g o a l s ,i m pr o v e m e n t s n e e d s t o b e m a d e f o r t h e b u o y p l a t f o r m t o m e e t t h e r e qu i r e m e n t o f C N S S O .K e y wo r d s C N S S O ;b u o y ;d a t a a c q u i s i t i o n a n d c o n t r o l s y s t e m ;u n d e r w a t e r a c o u s t i c c o m m u n i c a t i o n 0 引 言长期以来,人们对于海洋观测的认识局限于岸边和表层,对于海洋内部的认识比较少㊂而随着科学研究的需要和工程技术的进步,众多国家开始建立第三代海洋观测平台海底科学观测网㊂相比于调查船测量和卫星遥感,海底科学观测网可以深入海洋内部,提供定点㊁长期㊁连续的观测数据,有助于更加深入理解海洋随时间的变化[1]㊂在海底科学观测网中,浮标观测平台能够获取海气界面的科学数据,包括大气数据和近海面水体参数,是观测网系统的重要组成部分㊂本文将从浮标平台的发展现状㊁海底观测网的功能需求分析㊁平台设计探讨㊁柴发太阳能混合能源系统4个部分来阐述㊂1 浮标观测平台的发展现状根据功能的不同,浮标观测平台可以包括浮标①基金项目:同济大学国家海底科学观测系统㊂作者简介:李清(1980 ),男,大学本科,高级工程师,主要从事船舶与海洋工程装备制造生产管理方面的研究㊂E -m a i l:l i q i n g@c h i n a s w s .c o m ㊂第10卷 第2期2023年6月海洋工程装备与技术O C E A N E N G I N E E R I N G E Q U I P M E N T A N D T E C H N O L O G YV o l .10,N o .2J u n .,2023㊃120㊃海洋工程装备与技术第10卷体㊁锚系㊁传感器系统㊁数据采集和控制系统㊁能源管理系统和通信系统㊂1.1浮标体浮标体是整个平台的载体,可以为系统提供足够的浮力,与锚系共同确保整个平台在海洋环境中的稳定工作㊂按照结构类型划分,浮标体可以分为圆盘型㊁船型和柱型等结构㊂其中,应用最广泛的㊁历史最悠久的是圆盘型浮标㊂圆盘型浮标通常按照直径分为大型㊁中型和小型3种类型㊂国外的浮标平台使用源于20世纪60年代,当时多采用12m 直径和10m直径的大型浮标[2]㊂随着材料技术的进步,美国的国家数据浮标中心(N a t i o n a l D a t a B u o y C e n t e r,N D B C)逐渐发展出了直径3m的标准浮标,成为美国浮标观测网的主力浮标[3]㊂我国的海洋浮标研制起步较晚,现在也进入了业务化运行阶段㊂我国已经初步建立了包含约130个浮标的近海浮标观测网,包括10m大型浮标㊁6m中型浮标和3m小型浮标,主要型号是10m大型浮标[4]㊂究其原因,我国近海渔业活动频繁,采用大型浮标可以降低丢失和损坏的风险,能够提高浮标系统的稳定性㊂而国外的海况比较良好,渔业活动较国内稀少,因此,采用易于运输和维护的3m小型浮标,只有在比较恶劣的海况才使用大型浮标㊂1.2锚系锚系通常由锚和系缆组成,能够为整个浮标系统提供足够的系泊力,与浮标体共同保证系统的稳定运行㊂根据系留方式的不同,锚系可以分为单点系留和多点系留㊂其中,单点系留又可以分为全锚链式系留㊁拉紧式系留㊁半拉紧式系留㊁倒S型系留和弹性系留系统[5]㊂锚的类型有有杆锚㊁无杆锚㊁大抓力锚和特种锚㊂系缆的材料类型有锚链㊁钢丝绳㊁化纤缆绳和弹性系缆原件㊂弹性系留是比较新的系留方式,可以降低海流导致的系缆运动,改善浮标的随波状态,提高浮标的数据质量[6]㊂1.3数据采集和控制系统数据采集和控制系统是整个浮标系统的控制中心和数据处理中心,能够完成对传感器的数据采集㊁远程控制和电源管理㊂数据采集系统结构可以分为采集电路㊁控制芯片㊁存储设备和相应软件等㊂当前,我国浮标平台普遍采用的数据采集和控制系统主要支持海洋气象㊁物理海洋和少量海洋传感器的采集和控制,满足国家海洋局㊁气象局等单位的业务化运行需要㊂对于这些业务化运行的浮标平台,增减传感器数量和种类都需要重新设计,增加了工作量㊂国外的发展趋势是,研制可以应用浮标㊁潜标和水下滑翔机等多种平台的低功耗的智能型数据采集和控制系统[7],其关键是模块化设计和标准化设计㊂国内的各个机构,包括中国海洋大学㊁山仪所㊁中船重工七一五所等都设计了自身的基于C A N总线的数据采集和控制系统[8㊁9],具有较好的扩展性㊂1.4电源管理系统电源管理系统是数据采集控制系统㊁通信系统和传感器系统的能量来源,能够实现电源的补充和管理㊂通常,浮标平台采用太阳能和蓄电池结合的方式实现能量的采集和存储㊂在阳光充足的时候,太阳能电池板可以将光能转化成电能,除了供应传感器消耗之外,将多余的电能储存在蓄电池中㊂在没有阳光的时候,蓄电池中的能量可以满足整个系统的运行㊂其中,电源管理模块可以监测并显示电池的电压㊁电流和温度等要素,防止蓄电池过充㊁过放和过热等[10],最终,实现系统的长期平稳运行㊂1.5通信系统通信系统是浮标平台和岸基站之间的联系通道,可以实现数据和控制指令的双向传输㊂浮标上常用的通信方式有V H F㊁C D M A㊁G P R S㊁北斗卫星和海事卫星等多种方式㊂在近海和湖泊中,手机信号比较强,采用C D M A或者G P R S信号通信具有速度快㊁费用低和稳定的特点㊂在离岸较远的区域,通信基站较少,卫星通信成为唯一的方式㊂为了避免数据的泄露和高昂的流量费,国内的浮标平台普遍采用北斗卫星通信,其在寻址方式㊁信道畅通率㊁用户容量㊁通信实时性和价格方面都优于国际海事卫星通信,但是一次只能传递78个字节,每次通信需要分成多个数据包才能完成[11]㊂1.6传感器系统传感器系统是整个浮标系统的工作部分,可以实现对多种海洋环境参数的测量㊂根据观测的科学目标的不同,搭载的传感器包括气象传感器㊁物理海洋传感器㊁海洋化学传感器和海洋生物传感器等㊂目前,国内浮标观测网搭载的传感器一般采用国外的产品,价格昂贵,维护比较麻烦㊂而国产传第2期李清,等:国家海底观测网十米浮标平台系统研究与应用㊃121㊃感器的问题在于,没有相应的产品,产品精度不能达到使用要求,或者没有在浮标上的使用经验㊂这些问题限制了国产传感器的研发和使用,导致与国外传感器产品差距越来越大,最终国内传感器产业萎缩甚至消失㊂2海底科学观测网浮标平台功能性分析在东海海域,海底科学观测网需要从海面到海底,全方位立体协同观测,从而深入理解人类活动影响下的长江口东海的物质交换及其生态环境效应,研究东海低氧区的形成机制㊁生物地球化学过程及对生态环境的影响,探索长江冲淡水与西太平洋边界海流的相互作用㊂因此,海底观测网的浮标平台提出了新的更高的要求㊂2.1搭载的传感器数量多㊁学科全㊁控制要求高业务化运行的浮标平台一般搭载海洋气象传感器㊁海洋物理传感器和少量海洋化学传感器,主要测量指定海域的气象特征㊁温度盐度深度和流速等水文特征㊂而海底科学观测网的目标在于对东海的全方位观测,不局限于气象和水文特征㊂因此,海底观测网的浮标平台除了搭载常见的海洋气象传感器(风速㊁风向㊁气压㊁气温㊁湿度等)㊁物理海洋传感器(流速㊁流向㊁水温㊁波浪等)外,还要搭载众多的海洋化学传感器,比如用于测量p H值㊁溶解氧㊁水气C O2㊁硝酸盐㊁甲烷等的传感器㊂另外,浮标平台还要搭载激光粒度仪㊁光合辐射仪㊁三波长荧光计㊁光量子效率仪和浮游生物成像和分类系统,来观察水体中的浊度㊁光合作用㊁叶绿素㊁有机质和生物丰富度㊂如此多的传感器,对浮标系统的测量项目㊁传输方式及接口㊁防护等级㊁供电及功耗㊁体积与安装㊁连续工作时间与维护周期等方面,提出了较高的要求㊂浮标平台上传感器的稳定协调工作是海底观测网长期稳定运行的重要保证㊂2.2观测网防护要求除了需要搭载传感器实现海气界面的观测之外,浮标平台还要承担守护海底缆系的作用㊂东海地区繁忙的渔业活动对于海底的缆系具有较大的威胁,需要浮标平台提供一定的示警和防护作用,来提醒渔民注意指定海域底部的缆系,从而提高整个海底科学观测网的稳定性㊂2.3水声通信要求为了实现海底科学观测网的全方位观测,除了浮标平台,还需要潜标㊁四脚架㊁观测塔等平台同时工作㊂而这些平台的能量和数据是通过海底的光电复合缆传输的㊂浮标和部分无缆的潜标必须使用无线通信,才能接入海底科学观测网㊂无线电波和激光等信息载体在水下衰减剧烈,无法实现水下信息的传输,因此声波成为水下通信的唯一载体㊂在海底观测网中,水声通信系统共有3个主要作用:将无缆区域的浮标和潜标纳入实时海底观测网,将有缆区域的无缆浮标纳入海底观测网㊁海底电缆通信故障时的数据出水应急通道㊂借助水声通信,将浮标㊁潜标㊁四脚架等平台真正整合为一个有机整体,从而更好地实现数据的实时传输㊂2.4仪器国产化要求和国外传感器相比,国产的传感器优势在于价格便宜㊁维护方便以及可以提供必要的技术支持,打破国外的技术封锁㊂缺点在于测量精度不够㊁稳定性不够和没有使用经验不足等㊂另外,某些保密性的数据也只能通过国产的仪器采集和处理㊂在海底科学观测网中,为了降低后期的运行维护成本,保证声学数据的保密性,需要传感器的国产化㊂3浮标平台设计探讨3.1智能型数据采集和控制系统设计针对当前浮标数据采集和控制系统主要支持海洋气象㊁物理海洋和少量海洋化学传感器的现状,研制模块化程度高㊁扩展能力强㊁人机交互良好㊁具备辅助预警决策功能的智能型控制系统㊂该数据采集系统主要包括主控芯片㊁C A N总线控制模块㊁分布式数据采集预处理模块和预警辅助决策模块等㊂图1所示为数据采集和控制系统结构框图㊂为了保证传感器数量的迅速扩展,采用C A N总线和分布式预处理模块结合的方法㊂分布式预处理模块包括数据采集电路㊁数据处理和控制芯片以及相应的硬件模块化设计㊂当需要增加或者改变传感器时,只需要将传感器装在预处理模块上,再将预处理模块与C A N总线相连,从而实现传感器的迅速扩展㊂另一方面,还要开发易于操作的人机界面,使得科学家在岸上能够实时监测设备的健康状况,提前发现可能出现的设备故障,发出预警,并通㊃122㊃海洋工程装备与技术第10卷图1浮标数据采集和控制系统F i g.1B u o y d a t a a c q u i s i t i o n a n d c o n t r o l s y s t e m过交互式远程控制系统对设备进行控制,从而保障海底观测网的稳定工作㊂3.2水声通信数据链为了实现潜标和浮标平台之间的水声通信,需要在浮标和海床基上加装水声通信机㊂浮标上的水声通信机基阵采用柔性线阵列,在柔性保护管内部安装发射换能器和接受水听器,外部安装透声保护罩㊂基阵主要由8个接受水听器和1个发射换能器组成,阵元间距为200m m,整体长度为2m左右㊂基阵下端配重,保证基阵在一定流速范围内可以保持基阵垂直㊂在浮标系统中,金属锚链的振动声㊁连接头旋转的声音㊁海浪冲击标体的声音等都会影响水声通信的效果㊂为了减弱这些噪声的影响,通信机基阵需要伸出浮标底部一定距离,其下端应伸出浮标地面5m左右㊂3.3浮标平台防护措施为了保证浮标平台的安全和整个海底观测网的长期运行,需要在浮标上增加安全防护装置㊂首先是报警系统,具体包括人员闯入报警㊁事故报警和故障报警等㊂这些报警系统需要加装相应的传感器,例如舱开门㊁舱进水㊁浮标移位㊁浮标倾斜等传感器㊂其次,在浮标上要加装A I S防撞系统,实时监测浮标周围12海里海域内的过往船只,对驶入2k m范围内的船只进行识别跟踪,并利用海事和渔政系统对其发出警告㊂为了避免某些没有加装A I S 系统或者A I S系统关闭的船只,可以采用V H F电台对其广播,使其远离浮标㊂最后,为了激发渔民的主动保护意识,除了每年对渔民进行宣传之外,还可以借助观测数据开发相应的数据产品以服务渔民,保障渔民的生命财产安全㊂例如,可以在渔船靠近时,向渔民的手机发送该海域的天气状况及预测,帮助渔民了解海上天气状况,减少损失㊂3.4仪器实验平台建设为了提高仪器的国产化水平,促进海洋传感器的发展,需要在浮标平台上搭建传感器的实验平台㊂在海底科学观测网中,每一个锚定点附近会有一个实验标和两个警戒标,在观测海底的同时,起到保护海底电缆的作用㊂而在每个浮标上会开6~ 8个仪器安装井,在保证海底观测网的长期稳定运行的基础上,可以将部分安装井作为国产传感器的实验平台,以验证㊁完善其使用性能㊂还可以同时搭载国外同种传感器产品,提供数据比对,以明确改进方向和验证数据的准确性㊂4柴发太阳能混合能源系统传统太阳能发电系统的发电功率与太阳能板的数量成正比,通常仅能支持低频率的数据采集㊂太阳能发电的效率受天气影响较大,无法满足浮标平台在连续阴雨天㊁台风等极端天气的用电需求㊂为了实现多种传感器全天候的高频连续观测㊁高带宽数据的实时传输,浮标平台采用柴油发电机和太第2期李清,等:国家海底观测网十米浮标平台系统研究与应用㊃123 ㊃阳能板混合发电,经蓄电池存储转换后供所有仪器设备用电㊂4.1 柴油发电机的布置柴油发电机在各类大小船舶中应用非常成熟,工作期间的振动㊁噪声和散热大,通常布置在独立的机舱中㊂在浮标平台上,柴油发电机布置在能源室深处远离浮标中心的方向,能够降低对浮标小平台仪器㊁仪器室数采设备的影响㊂油柜布置在发电机外侧,配置油位计,如图2所示㊂柴油发电机周围应预留设备维护空间,满足定期保养和检修需求㊂图2 柴油发电机的布置F i g .2 A r r a n g e m e n t o f d i e s e l ge n e r a t o r s 4.2 柴油发电机的冷却系统船用柴油发电机通常采用海水直接冷却的方式㊂海水经过滤后进入发电机冷却水管,具有冷却效率高的优点;缺点是冷却水管内部易发生腐蚀或堵塞㊂浮标平台以无人值守的方式长期工作在东海近岸含沙量高的海水中,需要采用间接海水冷却的方式㊂在冷却水管路中充满淡水,以内循环的方式冷却发电机㊂一部分冷却水管穿过舱壁后进入冷却水舱,由海水对冷却水管进行降温冷却㊂经验证,间接海水冷却的方式完全能够满足发电机的使用工况㊂4.3 柴油发电机的通风系统柴油发电机工作期间消耗新鲜空气,因此需要配置通风系统㊂新风从桅筒侧面的烟雾处理器进入结构风道㊁风机,一路直接送至能源室柴油发电机进风口附近,另外一路经电动风闸送至仪器室㊂发电机产生的废气经排烟管从桅筒背面一侧排至舱外,不影响舱内设备运行和人员工作㊂当人员需要进舱作业时,开启风机和仪器室的电动风闸,能够为仪器室快速注入新鲜空气,减少海上作业等待时间㊂4.4 柴油发电机油箱设计柴油发电机(以下简称柴发)选用K O H L E R13.5E F K O Z D ,可输出110~220V /50H z 共计7种电压,输出功率13.5k W ㊂油柜采用独立箱柜设计,按照系统的设备及柴发的设计工况,即75%负荷每日工作一小时,油耗为2.92L /h ,1500L 容积,可为柴发提供超过250天的续航,见表1㊂由于浮标平台为无人值守设计,需要设计远程读取液位数据,因此,在油柜顶部设计有浮球式磁性液位计;在侧面设计有翻转式磁性液位计,用物理显示的方式显示液位,保证了柴油液位监控的准确可靠,如图3所示㊂表1 柴油发电机油耗说明T a b .1 D i e s e l g e n e r a t o r f u e l c o n s u m p t i o n d e s c r i pt i o n 油耗60H z 50H z柴油,L /h (g ph ),%(载量)100%4.57(1.21)3.90(1.03)75%3.55(0.94)2.92(0.77)50%2.50(0.66)2.02(0.53)25%1.57(0.42)1.19(0.31)注:60H z 模式下16E K O Z D 油耗,50H z 模式下13.5E F K O Z D 油耗㊂㊃124㊃海洋工程装备与技术第10卷图3 柴油发电机示意图F i g .3 S c h e m a t i c d i a g r a m o f d i e s e l ge n e r a t o r s 4.5 水循环改进及设计柴油发电机原设计采用船用柴油机,其冷却水系统为开式二级循环冷却系统,即通过泵和管路抽取外部环境水,用环境水和发电机内部的缸套水进行热交换,是为一级循环;缸套水通过闭式循环管路再冷却柴油机气缸等部件,从而带走发电机运行产生的热量,是为二级循环㊂使用后的环境水通过排气管和高温气体一起排出㊂但是,该冷却水方式适合低盐水环境的内河环境使用,对于无人值守的海上浮标平台显然不适用㊂因此,需要将原有的开式二级循环系统改造为闭式三级循环冷却系统㊂在标体外围的浮力舱内单独划分出一个海水冷却水舱,使舱内有和吃水高度一致的海水,舱底布置耐腐蚀材质制成的热交换盘管,用来实现低温淡水与海水的热交换,是为一级循环;低温淡水部分设置有除气水箱,用于去除系统循环中产生的气体,气体通过水箱顶部的管路进入位于高位的膨胀水箱,再通过膨胀水箱上的透气管排出系统㊂膨胀水箱有两个功能:二级循环系统补水;承担系统运行时冷却水热膨胀释放㊂二级循环冷却水通过发电机内部的泵及热交换器和发电机内的三级循环系统进行热交换㊂通过改造,冷却水循环系统可大大提高冷却水系统的可靠性,从而满足浮标平台无人值守的要求,如图4所示㊂图4 水循环系统示意图F i g .4 D i a g r a m o f t h e w a t e r c i r c u l a t i o n s ys t e m 4.6 通风及排烟设计为满足浮标舱内设备散热及发电机运行对于新鲜空气的需求,浮标系统内还设计布置了通风系统㊂通风系统分为两路:日常设备运行通风及发电机送风㊂两路通风系统通过计算机控制风闸,考虑到海上环境对于设备的影响,进风口设计有盐雾过滤器㊂当日常设备运行时,风闸间歇性打开,通风第2期李清,等:国家海底观测网十米浮标平台系统研究与应用㊃125㊃系统可以带走设备运行时产生的热量,为系统可靠性提供保障㊂当柴发启动运行时,设备运行的风管分闸关闭,所有空气全部用于柴发送风㊂根据柴油机的运行需求,此时柴发的需求风量需要达到10000L/h㊂5结语本文首先介绍了浮标平台的结构组成以及国内外的进展;然后,提出了海底科学观测网对于浮标平台的功能性需求,包括对浮标数据采集和控制系统的要求㊁对水声通信的要求,和对海底电缆的防护要求和仪器国产化的要求;最后,针对海底观测网的这些需求,提出了一些建设的意见㊂总之,浮标平台未来将向智能化㊁系统化㊁网络化发展,这需要广大科技工作者的共同努力㊂参考文献[1]汪品先.从海洋内部研究海洋[J].地球科学进展,2013,28(5):517520.[2]M c c a l l J,K e r u t E,H a a s G,e t a l.E v o l u t i o n o f B u o yE l e c t r o n i c s a n d T e l e m e t r y[C].O c e a n s.I E E E,1978:19.[3]T a f t B,B u r d e t t e M,R i l e y R,e t a l.D e v e l o p m e n t o f a n N D B CS t a n d a r d B u o y[C].I E E E,2010:110.[4]王波,李民,刘世萱,等.海洋资料浮标观测技术应用现状及发展趋势[J].仪器仪表学报,2014,(11):24012414. 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我国海洋资料浮标观测技术的发展起步较晚，但经过长期的努力与积累，取得了丰硕成果。

在“十五”和“十一五”期间，我国的海洋资料浮标观测技术达到产品化阶段，并开始浮标网的建设。

一、我国海洋资料浮标观测技术的发展现状⒈我国总体技术水平与国际相当我国从1965年开始研制海洋资料浮标，经过近50年的发展，在国家863等计划和有关部门的支持下，取得了丰硕的成果，已经基本掌握了关键核心技术，总体已经达到国际先进水平。

我国研制的第一个海洋资料浮标诞生于1965年，为船型结构。

此后，在国家的支持下，浮标技术大力发展，目前，已经形成了直径从10m到3m的产品系列，完全能够满足我国近海长期业务化观测的需求，其中研制的3m直径小型浮标为2008年奥帆赛提供了大量有效数据，受到各界一致好评。

深远海观测浮标方面也开展了部分工作，研制了工程样机，取得了一定成果，布放海域最深达到3500m，最远至印度洋和格陵兰海海域。

我国的智慧海洋的海洋资料浮标研制虽然起步较晚，但在某些方面的水平已经达到国际领先水平。

观测参数种类多于国外产品；采用了多种数据通信手段，其中北斗通信方式是我国独有；数据传输间隔方面有多种传输间隔可供选择。

我国已经初步建立了包含约130个浮标的近海浮标观测网，浮标种类主要由图1中的浮标和波浪浮标组成，图2给出了由山东省科学院海洋仪器仪表研究所生产的浮标沿海分布图，该研究所生产的浮标占全国业务化浮标总数的90%以上。

⒉专用型浮标研究取得一定成果在通用型浮标研究成果的基础上，综合国外的研究成果，我国在专用型浮标研究方面也取得了一定的成果，研制了多种专用浮标。

⑴海洋剖面观测浮标“十五”期间，国家海洋技术中心研制了利用马达驱动的剖面观测系统，“十一五”期间中船重工710所研制了利用浮力控制的剖面观测浮标系统，中科院海洋所研制了波浪能驱动式的剖面观测浮标系统，3种系统均经过了海上测试，最大布放水深达4000m，能观测海水温度、盐度、深度和海流等参数。

第17卷　第2期1998年6月 海　洋　技　术OCEAN TECHNOLOGYVol.17,No.2June,1998FZF2-3型海洋资料浮标传感器系统赵　力(山东省科学院海洋仪器仪表研究所,青岛266001)摘　要 本文介绍了FZ F2-3型海洋资料浮标系统中各种传感器的技术性能指标、工作原理、构造特性及在海洋浮标系统中进行海洋监测工作中的应用情况。

关键词　浮标　传感器　技术性能海洋资料浮标系统中的各种传感器是浮标系统的主要组成部分之一,是进行各种海洋水文气象要素测量的一次代表。

其性能指标的优劣直接决定着浮标系统测量数据的质量。

目前,我国资料浮标系统测量所用的传感器多数是国内厂家研制生产的,只有少数传感器是进口的。

各传感器的性能指标基本上能满足资料浮标的需要。

在FZF2-3型海洋资料浮标系统中,主要配有风速风向、方位、气温、气压、水温、波浪等传感器。

本文就这些传感器的技术性能、工作原理、构造特征以及在浮标系统中进行海洋环境监测中的应用情况作以下介绍,以期交流。

1　风速风向传感器FZF2-3型海洋资料浮标系统中的风速风向传感器采用的是美国R.M.Young公司的05103型风速仪,它结构简单轻便、耐腐蚀、设有滑环和电刷,因而增加了可靠性。

风速传感器的四片旋桨是用聚丙烯材料制成的,直径为18cm,螺距30cm,距离常数是2.7m,旋桨的启动灵敏度是0.6m/s。

旋桨转动产生的频率正比于风速的正弦交流信号。

交流电压信号是由装在旋桨轴上的无极环形磁铁感应安装在主壳体内中心位置上的线圈而产生的,该线圈安装在主体的非转动部分,因而不需要滑环和电刷。

尾翼的启动灵敏度是1m/s,阻尼常数是0.25,尾翼的位移是通过一个连接器传送到位于风速感应线圈下面的主壳体密封室的导电塑料电位器上,当激励电压加到电位器上时,输出信号是一个正比于方位角的模拟电压。

05103型风速仪的技术指标为:收稿日期:1998-02-13 测量范围:风速　0～80m/s风向　0～355°极限值:最小启动风速　0.3m/s风向标　0.9m /s(风速)　偏移角10° 1.3m /s (风速)　偏移角5°信号输出:风速　磁感应交流电压,每转3个脉冲,1800r /m in ,8.8m /s风向　直流模拟电压0～5V电源电压:5～15V重 量:1kg05103型风速仪的工作原理为:风向测量是由平衡良好的尾翼在垂直轴承上自由转动,其角位移通过一个连接器传到精密导电塑料电位器上,该电位器有355°有效功能角度。

第五章海洋光学浮标1.前言目前建设海洋强国已经是我国的一项基本国策,我国海洋监测高新技术发展的总体目标:一是提高台风风暴潮和巨浪等海洋灾害的预报和警报能力,最大限度地减少由灾害造成的人民生命财产的损失;二是提高对海洋生态环境污染和生态环境的监测能力,保护海洋健康;三是提高海洋资源开发的环境保障能力,支持沿海和海洋经济发展及科技兴海战略;四是提高国家海上安全防务的海洋监测和环境保障能力,加强国防建设;五是提高对海洋环境的立体监测和时序数据获取能力,推进中国近海海洋科学的发展。

这五个方面是相互关联的,而当前最主要的是预警海洋灾害和保护海洋健康,即监测技术,其载体就是海洋仪器。

现代海洋监测技术总体上向高技术、高集成度、高时效、多平台、长时间序列、数字化方向发展。

典型海洋监测仪器：遥感卫星大面积、同步、近实时、全天候、全天时的对海观测,3 个月飞行获得的数据绘制的全球海面温度场相当于用传统的测温方法花50 年时间才能取得的效果。

机载海洋激光雷达是一种主动式传感器，灵活性和抗干扰能力较强；与船载仪器相比，由于飞机能够快速地飞过较长的海水带，因而它能够对探测海域进行大面积的测量；由于飞机飞行的速度较快，因而它测量海域的结果在时间上变化小，能够真实地反映出临近海域的状况，不易受到较迅速变化的气候条件的影响；飞行高度一般在几百米左右，因而在有云的天气条件下仍然能够进行测量，而这是星载传感器所不具备的；对于具有较高发射重复频率的激光雷达，其探测海面的水平分辨率远大于星载传感器；时间分辨激光雷达能够实现对海洋剖面信息的探测船载仪器：调查船载荷量和机舱空间较大，其携带的仪器设备较多，可对海洋进行全方位的相互印证探测。

海洋浮标资料浮标的出现实现了长期、定点、连续、多参数的现场实时自动观测,这是调查船不可能做到的;漂流浮标的出现,实现了大尺度的连续观测,尤其是可以在人或船舶、飞机都不可能到达的海域进行环境参数的观测;声学多普勒海流剖面测量技术(ADCP) 的出现,把单点测流变为测剖面流,一次可测128 层,且最大剖面深度已达1200m。

基于北斗卫星导航定位系统的Argo海洋浮标设计齐久成1，吴维1，李清1，张静1，高太长2，熊超超1(1.解放军63863部队,吉林白城 137001；2.解放军理工大学，江苏南京 211101)摘要：为了设计一种基于我国自主卫星导航定位系统的Argo浮标，提出了基于我国的北斗卫星导航定位系统的Argo浮标设计方案。

首先讲述了Argo浮标的基本原理、应用概况和现有北斗卫星导航定位系统的基本应用，初步提出了基于北斗卫星导航系统的Argo浮标设计方案；从通信方式、体制和定位、配重等方面对基于北斗的Argo浮标设计进行了可行性分析，研究了基于北斗卫星导航定位系统的Argo浮标通信方式和两种通信模式。

理论研究表明，基于北斗卫星导航定位系统的Argo浮标方案可行。

关键词：海洋调查与监测；Argo；北斗；浮标Argo是英文“Array for real-time geostrophic oceanography（地球海洋学实时观测阵）”的缩写。

布放在大洋中的Argo浮标可以自动采集0～2000 m的海水温度、盐度等资料，并通过Argo卫星传送回地面接收站[1][2]。

这些资料是研究海洋科学的基础，分析这些资料可以了解大尺度实时海洋变化，提高天气和海洋预报精度；可以有效防御全球日益严重的天气和飓风、风暴潮等海洋灾害给人类造成的危害，为航海、军事海洋学服务[3][4][5]。

目前运行的Argo浮标，通常采用GPS定位，利用Argos卫星系统进行通信传送水文资料，但是对于现有的Argo浮标和Argo卫星系统,我国并没有自主权在技术和手段上受制于人。

而北斗卫星导航定位系统属于我国自主的卫星系统,具有导航、通信和授时功能[6]，如果可以研究基于北斗系统的Argo浮标设计，不仅可以拓展了北斗卫星导航定位系统的应用，也为Argo浮标的设计提供了一种新的设计思路；在复杂的国际政治和军事形势下，也是维护国家主权和海洋安全的国家战略需求。