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[转载]国内外海底科学观测网络发展研究

已有 479 次阅读 2019-5-13 15:15 |系统分类:科研笔记|文章来源:转载

国内外海底科学观测网络发展研究

黄玉宇 卢军 溪流之海洋人生 4月23日

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一、概述

近年来,一场无声的科技革命正在海洋学界掀起,世界各国在各大洋陆续建立起了海底科学观测网,并将其应用于海洋环境、气候监测或大洋板块运动等海底地质信息监测,把“实验室”、“气象站”建在海底,研究海洋环境的变化或海底地质地貌等。2009年加拿大建成了世界上第一个大型深海科学网NEPTUNE东太平洋海洋环境监测光缆网络,随之,2015年日本又建成S-NET 网以全长5400公里成为全球最长的海底光缆网,欧盟国家海底观测网EMSO 计划有14个国家50个单位参加,从地中海一直延伸到北冰洋,别具特色;然而无论是观测网本身的多样性还是科学问题的全面性,美国的大洋观测计划(OCEAN OBSERVATION INITIATIVE OOI)都走在最前沿。建立海底科学观测网络,加快对海洋的认识、研究和开发,对各国的经济建设具有重要的现实意义。本文将详细介绍世界各国各具特色的海底观测网的研究与发展情况,并在此基础上针对我国经济发展的需求对我国开展海底观测网建设提出参考性建议。

二、国外海底光缆传输网络发展情况

⒈美国00I海洋观测网

美国是世界上第一个利用海底光缆联网进行科学观测的国家,经过十几年的科学研究已形成了较为先进的海底科学观测网计划。经过多年的努力,大洋观测计划(OOI)于20166月全面建成并启用。OOI观测网观测形式多种多样,一是通过海底光电复合缆有缆连接方式,为水下持续提供电源和传输数据。二是锚系连接方式,试验平台上由电池自主供电,利用卫星将数据传输到陆地,第三种是移动观测方式,利用水下机器人或水下滑翔机,实现大范围的时空观测。

OOI观测网包括区域网、近岸网、全球网。OOI中区域网最大,为有缆连接方式,设在东北太平洋的胡安德富卡板块,也是“海王星”计划中美国负责的部分。近岸网在东西海岸各建一个,东海岸外的先锋阵列和西海岸外的长久阵列,主要采用锚系连接方式。全球网在具有全球意义的关键海区设置,包括阿拉斯加湾,伊尔明戈海,南大洋和阿根廷海盆四处,主要采用移动观测方式。

⑴区域网

区域网是OOI观测网最大的亮点。区域网采用有缆连接阵列,通过海底光缆以及水下接驳设备将各种地质地球物理、物理海洋,化学和生物传感器等各种传感器连接在一起,实时观测从海底生物圈到整个海洋水柱、地震活动与流体等信息。

岸基站位于俄勒冈太平洋海域,系统敷设两条光电复合缆,缆长880 公里,通过海底光缆向水下提供10KV8KW的能量和10Gb/s的带宽双向通信。系统包括7个观测节点,分别是PN1APN1BPN3APN3BPN5APN1CPN1,水下实时监测信息通过海底光缆源源不断传回岸基。OOI区域网海底光缆及水下观测节点分布基本情况如图1所示。

1  OOI区域网海底缆及水下观测节点分布图

⑵近岸网

近岸网由两条锚系阵列组成,即东海岸外的先锋锚系阵列和西海岸外的长久锚系阵列。

先锋锚系阵列如图2所示布放配备了多种观测仪器设备和传感器,可以穿越锋面、垂直等深线,进行陆架-陆坡锋面的海洋环境研究。为了实现陆架折坡和陆坡大范围的观测,先锋系列还提供了9个移动观测平台,包括5个滑翔机和3AUV,作为锚系阵列的补充。

2  近岸网先锋阵列示意图

西海岸外长久锚系阵列如图3所示,包括两条线,一条华盛顿洲线,一条俄勒冈洲线,俄勒冈洲线采用有缆连接和无缆连接两种方式,有缆连接方式与区域网连成一体,采用光电缆连接锚系阵列,由岸基通过缆系向锚系提供3000W电源和10GB的带宽通信能力。华盛顿洲线采用无缆方式,由电池自主供电,利用卫星将数据传输到陆地。

 近岸网长久锚系阵列示意图

⑶全球网

与近岸网和区域网不同,全球网布局分散,远离陆地,不可能靠缆线连接联成网路,只能是采用锚系组合并通过卫星传输信息的方式无线链接岸基中心。全球网的每个观测阵列包含一套APEX 表层锚系,1APEX剖面锚系,和2套侧翼剖面锚系。当锚系的浮标位于海面以下深度,无法进行水面信号传输,就利用水下滑翔机,通过声学信道连接水下滑翔机,获取锚系获取的水下传感数据,然后利用滑翔机通过卫通信道实现与陆地的通信和数据传输。全球网锚系阵列如图4所示。

4  OOI全球网锚系阵列组成示意图

⒉加拿大海底观测网

加拿大海底观测网有加拿大海王星海底观测网(NEPTUNE CANADA)和金星海底试验网络(VENUS)。

⑴加拿大海王星海底观测网(NEPTUNE Canada

加拿大海王星海底观测网(NEPTUNE Canada)是世界上第一个建成的大区域、多节点、多传感器的海底科学观测网络,于200912月正式运行,主干网络为800公里长海缆的多节点环形网,NEPTUNE Canada观测范围为水下172660米,整套观测系统以800公里的海底光纤光电缆为主干,从温哥华西岸出发,向外延伸到大洋中脊,具有6个海底观测节点。分别是Folger PassageClayoquot SlopeMiddle Valley EndeavourCascadia Basin Barkiey Canyon,如图5所示。

5  加拿大海王星海底观测网布局图

NEPTUNE Canada海底观测网是利用海底光电复合缆构建具备供电和数据传输、观测和数据采集、远程控制与数据处理分析为一体的综合网络,其节点敷设布局如图6所示。

  NEPTUNE节点铺设布局图

该系统主要由3个部分组成:岸基监控中心,海底光缆传输网络和海底观测传感仪器。NEPTUNE网络包含一百多个水下监测设备,采用直流恒压供电方式,能量输送达到了60kW,信息传输达到10Gb/s。岸基监控中心是海底光缆网络的运行监控中心、电能传输管理中心和海洋环境科研数据分析中心。水下接驳节点是海底光缆传输网络的水下传输及控制节点,其主要功能是实现信息和电能的中继、传输、分配及控制。它不仅将从海岸基站监控中心传输来的DC 10 kV高压直流电能转换为各种低压直流电能,提供给不同的海底观测传感器使用,同时将各观测传感器采集到的原始数据信息(海水温度、压力等),通过骨干光纤网传送到岸基监控中心。

⑵金星海底试验网络(VENUS

金星海底试验网络(VENUS)是一个近岸尺度的小型观测系统的海底观测网。第一条4公里长的单节点网于2006年完成,科学节点布放在山尼治湾内100米水深的区域,光电缆登陆点位于加拿大渔业和海洋研究所。在佐治湾海峡布设了第二条40公里长缆双节点网,2个科学节点从弗雷泽三角洲延伸到穿过佐治亚海峡,用于研究300米水深内的海洋与生物作用。NEPTUNE CanadaVENUS两个网络是维多利亚大学的姊妹项目,它们拥有很多相同的设计理念,很多NEPTUNE Canada的实现都是在VENUS上进行的。

⒊日本的海底观测网

日本是最早利用海底光缆网络系统监视地震和海啸等的国家,作为一个地震多发的国家,地震和海啸的预警和研究是日本建设海底光缆网络的首要目的。早在2003年日本就提出了宏伟的ARENA计划,计划在日本沿海岸线建设3千多公里长距离的海底光缆网络,每个节点呈树状连接各种传感器,但鉴于经费原因,取代实施的是DONET计划。

DONET网络

DONET网络堪称是世界上最精密的地震海啸海底光网络。DONET网络的主要特色是监测仪器的密集分布,DONET观测网集中在纪伊半岛以南的海域,总共有5个观测节点,20个观测站,海底光缆总长300公里,2011年建设完毕,布网工作共用时17个月,出动了个航次,动用87ROV的下潜。

2011年日本东北9级地震,DONET网在800公里外,依然接收到了80MM幅度的海啸记录。2015年,日本建成DONET2观测网,DONET2观测网位于DONET网的西边,规模比DONET网稍大一点,海底光缆总长450公里,总共有7个观测节点,29个观测站。两个DONET网的建成,为日本来自南边海域的地震和海啸提供了海底预警装置。日本南海岸外的DONETDONET2海底观测网如图7所示。

 日本南海岸外的DONETDONET2海底观测网

S-NET

2011年发生在日本东北方向而非南边方向的大地震促使日本决心在东海岸建设长距离的S-NET网,S-NET海底光缆网于2015年建成,是迄今为止全球规模最大的海底光缆网络。

缆线总长5700公里,S-NET网沿日本海沟布设,北起北海道,南抵东京湾东的房岛半岛,覆盖从海岸到海沟的共计25万平方公里的广大海域,建设规模远远超过了当初的ANENA 计划。

S-NET网由六大部分组成,由南向北为:房总系统(S1)、次城福岛系统(S2)、宫城系统(S3)、岩手青森系统(S4)、圳路青森系统(S5),沿日本海沟向布设的海沟轴外侧系统(S6)。每个系统包括800公里长的缆线和25个观测站,除海沟轴外侧系统(S6)长达1600 公里;观测站之间南北向相距50公里,东西相距30公里,做到每个地震源区有一个观测站。S-NET 网示意图见图8

 日本S-NET网组成示意图

S-NET网在每距离50公里海域布放一个观测站点,在该站点上,联结与观测对应的海底地震仪、海啸测量仪、磁力仪、地球测量传感器等各种仪器,用以收集各种探测器和传感器接收的海洋信息,水下仪器最大作业水深为6000米。

由于日本经常遭受地震灾害,要求水下光缆网络具备较高的可靠性,即使地震造成某段海缆链路的故障,也不影响信息的传输。S-NET 网每个观测系统的缆线有两个登陆站,可以从两个方向为光电缆提供高压电源和数据信息,其目的是保证缆线发生故障时,观测系统仍能继续运行。S-NET网最大的贡献是在供电系统技术上,提出了恒流分支组网技术的实现方案,并设计了可以将一路恒流转为两路电流值相等的恒流的设备。与NEPTUNE相比,S-NET网采用抗故障能力更强的恒流远程供电技术,NEPTUNE技术本质还是在传统海底远程中继器供电技术上的改动,而日本则将恒流供电技术大规模的应用到了水下信息网络的建设中,提出了许多创新性的成果和结论。

⒋欧洲海底观测网

欧洲的海底观测从20世纪90年代开始在欧洲共同体框架下推进,主要有ES0NET计划即欧洲海洋观测网,ES0NET计划于2004年由欧洲14个国家共同制定,在大西洋与地中海精选海区设站建网,进行长期的科学观测,针对从北冰洋到黑海不同海域的科学问题,承担一系列的科学研究项目。ES0NET计划历经四年的准备,海底观测主基站已拓展到15个,包括11个深海主基站和4个浅水试验基站,广泛分布于从北冰洋和大西洋到黑海并穿越地中海的海域。每个主基站都有不同的观测方向,见表1

  欧洲海洋观测网组成表

值得一提的是北冰洋FRAM缆系系统,为了更好地了解大洋环流对北极海洋生态系统的影响,德国极地所联合其它一些机构在北冰洋思瓦尔德群岛观测网的基础上,进一步完善北冰洋极地观测网络,2013年开始实施覆盖整个弗拉姆海峡的FRAM缆系观测系统,FRAM敷设缆长190公里,采用20KV4AMP的供电,末端与HAUSGARTEN主基站相连,联结各种传感器,进行多科学观测。相比较其它观测网,FRAM系统各种设施包括浮标、海缆、仪器都得在北极严酷的条件下正常工作,良好解决极地极低温下的工作技术问题,才能获取北极地区海冰各层的数据。系统组成如图9所示。

9  欧洲北冰洋FRAM缆系观测系统组成

三、国内海底科学观测网情况

我国在海底观测网方面起步较晚,国内主要有浙江大学、同济大学、国家海洋局等国内科研机构做了大量研究工作,就相关技术逐步开展了积极探索,在接驳盒技术、供电技术、海底观测组网技术等方面取得了一定的成果。

⒈小衢山海底观测试验网

2009年,同济大学在东海小衢山建立了海底观测试验站,该系统主要由1.1 千米长的主干光电缆,一个海底接驳装置和套观测设备组成,包括温盐深CTD、多普勒流速剖面仪ADCP和浊度仪。

ZERO系统是国内首个基于海底观测网络的深海观测系统,2011 月在NEPTUNE 的子实验系统MARS上已经验证通过。ZERO是一个单节点的实验系统,其系统结构如图10所示。Z岸基与主节点,主节点与次级接驳盒之间是通过光电复合缆连接,次级接驳盒与各类传感器则是通过普通同轴电缆连接与供电,可以看出拓展范围比较短,只有十几米。其二期工程也已提上议程,将实现多节点的水下联网。

10   ZERO系统的结构组成

⒉东海海底观测网

2011年,同济大学东海海底观测网项目被列为上海市“十二五”科技发展规划,在小衢山试验站的基础上,在舟山东部的长江口区域布设观测网络系统,其网络结构如图11所示。

11  东海海底观测网示意图

观测系统为环形布设,总长750千米长,主要应用于科学研究,以多普勒声学海流仪、浊度仪等形成观测点,通过光纤网络向各个观测点供应能量、收集信息,实时监控海洋信息,记录地震和海啸等数据,监控泥沙的走向等。

⒊南海海底观测网

20135月,中国科学院支持建设的三亚海底观测示范系统建成运行,该系统由岸基站、2千米长光电缆、1个主接驳盒和1个次接驳盒、3套观测设备(包括视频观测、海底照明、多普勒流速剖面仪ADCP、多功能水质仪等)、1个声学网关节点与个距离500 米到800米不等的温深观测节点构成,并具有扩展功能。岸基站提供10千伏高压直流电,接驳盒布放在20米水深的海底,是我国相对具备较为完整功能的海底观测示范系统。系统在高压直流输配电技术、远程直流高压供电技术、水下可插拔连接器应用技术、网络传输与信息融合技术、低功耗高性能水声通信节点、稳健网络协议、水声通信网与主干网协同机制等核心技术方面取得了突破,对加快建设我国长期海底观测系统、全面提升我国海洋观测能力和设备研发水平具有重要意义。

2012年,科技部建设我国首个“南海海底观测网试验系统”,系统布设位置为海南陵水附近海域,主要用于对南海海底的监控和探测。目前该海底观测网已经完成100千米左右的建设,最大水深1700米。

四、海底观测网总体结构与关键技术

当前国内外海底观测网主要由海底主基站(主接驳盒)、光电复合缆、各种观测仪器与观测仪器适配器(即次接驳盒)、岸基远程控制中心组成。其主要基础设施按功能可划分为电力系统和通信系统,具有供电、通信、监视与授时四大功能。总体物理结构如图12所示。

12 海底观测网总体物理结构

海底观测网主要需解决的关键技术包括:

⑴海底远程电能供给技术

海底观测网电能是从岸基站通过海底电缆输送到海底的,根据科学观测要求,海底电缆长达数千公里,海底主基站可达数十个以上,挂接用电观测平台可达数百个,电网拓扑为较为复杂的网形结构,因此电能供给技术是海底观测网络建设必须重点突破的关键技术。海底远程电能供给主要需解决的技术包含海底负高压直流输配电技术、海底高压高频直流变换技术、海底远程电力监控与故障隔离技术。

⑵海底接驳盒技术

海底接驳技术是海底观测网络技术中的重中之重,主要解决海底电能与信号传输、分配与管理等重大技术问题。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单元,主要包括三大功能模块需研制;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。接驳盒一般由高压转中压电源腔、中压转低压电源腔、控制腔以及光电分离腔组成。

⑶海底远距离信息传输技术

陆地光缆传输技术比较成熟,可是在海底利用海底通信传输设备,将信息经“次接驳盒-主接驳盒-主干光缆分支器”三级架构实现从水下到岸基的传输,由于海底环境的特殊性,需要研究水下传输结构与相关设备。其中由于水下中继器的体积与可靠性限制,系统通常只容纳16对光纤,采用密集波分复用(DWDM)技术,可使海缆通信系统的通信容量提高到数十Tb/s,若采用光分插复用分支器,可使海底主基站共享同一光纤对的容量,从而克服光纤对数对海底主基站个数的限制。目前海底中继器和分支器多采用两端恒流供电方式,从海缆中直接串联取电,而海洋观测网络海底负荷多且功耗大,多采用恒压供电方式,因此中继器与分支器的供电取电也是一项需研究的问题。

⑷海底原位科学实验技术

观测仪器是观测海洋现象和测量海洋要素的基本工具,海底长期原位观测是未来海洋科技观测的发展方向。近几年,随着复杂科学仪器的研究,总体趋势是将试验室直接布置在海底,建立满足特定科学需求的原位试验室。原位试验室的特点是科学功能强大、智能化程度高、可灵活的操作和配备,将大大促进对海洋复杂运行机理的探索。原位试验室通常对供电功率和通信带宽有较高的要求,可充分发挥观测网持续充裕供电和高速传输的优势。

五、思考建议

目前国内科研单位已基本突破了缆系海底科学观测网的关键技术,成功研制了大部分核心组网装备的试验样机,但离长期高可靠性的实际工程化应用尚有不少距离。因此针对观测网这一创新性的科学工具,目前尚有不少方面需要深入研究,为将来的大规模建设做好充分准备。海底观测网络工程庞大、投入高,建设中也应考虑军民结合,军队和国民经济相关部门、科研院所、高校等通力合作,共同攻关,充分发挥海底观测网络的建设效益。

【作者简介】文章作者/黄玉宇 卢军,分别来自华中科技大学附属中学和烽火科技集团烽火学院。黄玉宇,华中科技大学附属中学,学生;卢军,烽火科技集团烽火学院,院长,教授级高工。文章来自《信息通信》(2018年第12期),参考文献略,用于学习与交流,版权归作者及出版社共同拥有,转载也请备注由“溪流之海洋人生”微信公众平台整理。




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