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）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(sensors)、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。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、