1、1 概述浮標、潛標技術是六十年代由一些海洋發達國家開始使用并發展起來的;浮標、潛標系統是海洋環境調查的重要技術裝備,具有在惡劣的海洋環境條件下,無人值守的長期、連續、同步、自動地對海洋水文、氣象諸要素進行全面綜合監測的特點, 是海洋觀測岸站、調查船和調查飛機在空間上和時間上的延伸擴展,是離岸監測的重要手段。具有其他調查方法無法代替的作用。潛標系泊于海面以下, 并可通過釋放裝置回收,具有獲取海洋水下環境剖面資料的能力,并具有隱蔽性好不易被破壞的優點,得到了廣泛的應用。浮標、潛標系統的重要性越來越受到世界各海洋國家的重視。2 我國初、中期浮標、潛標技術的發展狀況我國從六、七十年代開始,分別開展了錨

2、泊浮標和潛標的研制工作。在1965年,通過全國會戰研制了第一套H23型2m1.5m船形浮標。經歷了2H23型、HFB-1型、南浮1號、科浮2號、FZF2-1型、FZS1-1型幾代浮標的演變。1985年開始建設我國的海洋水文氣象浮標網,從英國MAREX公司引進了8套DS14型3m圓盤式浮標,同時在“七五” 重點科技攻關項目中,研制了FZF2-1型10m圓盤式浮標和FZS1-1型3m圓盤式浮標,浮標工作得到了較為迅速的發展。1986年完成FSS1-2型千米測流潛標系統的研制工作,基本掌握了系統設計、制造、布放、回收等技術;“七五”期間開展了深海測流潛標系統實用技術研究,使潛標系統的相關技術得到了較

3、大的發展,提高了潛標系統對船舶的適應性和海區適應性。并在中日聯合黑潮調查中,多次應用了海洋調查潛標系統。國內海洋浮標的現狀及發展1、山東省科學院海洋儀器儀表研究所山東省科學院海洋儀器儀表研究所始建于1966年,是我國最早從事海洋技術理論研究和應用研究、海洋儀器設備研究、開發、生產的科研機構。該研究所是對海洋浮標的常規研究,主要是氣象、水溫、水質(化學、生物等方面的研究。研究所主要從事四個方向的研究和開發。1.1海洋動力環境監測技術主要研究內容包括大型多參數海洋資料浮標、船形浮標、遙測波浪波向浮標,海洋臺站氣象水文波浪自動化觀測設備,艦船氣象導航系統以及志愿船自動測報儀等。1-1 海洋動力環境監

4、測浮標系統1-2 海洋臺站自動化觀測系統1-3 大型艦船氣象導航系統1-4 數字氣象儀及氣象參數傳感器1-5 志愿船自動測報儀系統1-6 海洋波浪潮汐海流觀測儀器1.2海洋生態環境監測技術海洋生態環境監測技術及設備研究。主要研究內容包括海洋生態水質監測浮標,光學水質多參數監測浮標,化學需氧量現場光學測量系統,海水中有機污染物及貴金屬元素測量設備以及海洋生態環境、海洋赤潮動態監測及分析預報系統。2-1 海洋生態環境監測浮標系統2-2 海洋赤潮監測及分析預報系統2-3 化學需氧量現場光學測量系統2-4 海水中有機污染物現場測量系統2-5 海水重金屬元素現場測量系統1.3海洋軍用探測技術主要研究內容

5、包括水聲警戒浮標系統,水下目標探測及定位系統,上浮下潛自動浮標站及水聲通信系統。1 水聲警戒浮標系統2 水下目標探測及定位系統3 上浮下潛自動浮標站系統4 海洋水聲通信系統1.4自動化控制技術以及海洋環境觀測設備。主要研究內容包括港口裝備自動化控制技術,家用電器自動化檢測設備,制冷設備工程自動化檢測技術以及信息技術、計算機技術在海洋環境動態監測網格技術方面的應用。4-1 港口裝備自動化控制系統4-2 家用電器自動化檢測設備4-3 制冷設備工程自動化檢測技術4-4 信息技術及計算機應用技術4-5 海洋環境動態監測網格技術及軟件開發2、國家海洋技術中心國家海洋技術中心主要研發在特殊環境下的浮標的研

6、究,其主要方面有:2.1 小型多參數海洋環境監測浮標在“十五”863國家高新技術發展計劃資助下國家海洋技術中心研制成功了3m直徑多參數海洋環境監測浮標。該浮標繼承了技術中心原有的浮標技術基礎,并充分跟蹤借鑒國際先進的浮標技術,采用小型圓盤形標體,具有以下一些特點:(1小型化、多參數和水文剖面參數測量:計算機技術、低功耗和太陽能技術的應用,使得浮標裝載的測量儀器設備實現了小型化和低功耗,給浮標小型化提供了足夠的空間,并實現了多參數觀測,同時有較好的水動力特性,能較為方便地滿足水文剖面監測對浮標的要求。大大減小了浮標的制造和運行費用,使用方便、靈活,易于運輸。(2首次使用了國際上先進的彈性繃緊系留

7、系統:利用連接在系留系統中的彈性元件的調節作用,使系留索處于繃緊狀態。浮標始終運動在水面,隨波性良好,使波浪參數的測量更加準確;(3應用感應耦合數據傳輸技術,進行水下CTD剖面測量數據實時傳輸:采用技術先進的感應耦合傳輸式溫鹽深傳感器,安裝在水下系留索的不同深度,利用包塑系留鋼索與海水構成感應回路,通過系留纜將測量數據傳輸到浮標數據艙內,實現了從水面到水下的立體實時觀測。(4性能優越的低功耗高可靠數據采集處理器。(5ADCP應用于小型浮標進行海流剖面測量:主要監測參數如下:風速、風向、氣溫、濕度、氣壓、表層溫度、鹽度、剖面溫度、鹽度、波浪參數、海流剖面等。2.2 極區海洋環境自動監測浮標在國家

8、863高科技研究發展計劃的資助下,國家海洋技術中心聯合國家海洋局極地考察辦公室,研制的極區海洋環境自動監測浮標,能夠在極區寒冷條件下工作,既可布放在浮冰上,也可漂浮在水中,采用ARGOS通訊方式,并能跟蹤定位、探測氣溫、氣壓、風向風速、冰溫參數和冰下達50米深度的溫鹽的多層參數。我中心研制的極區浮標參加了由極地考察辦公室負責組織的我國第2次北極科學考察,成功地布放在北極,并獲得了大量的觀測數據。極區浮標在國內屬首次研制,全部設計具有自我知識產權,總體技術指標與國外類似浮標相當。2.3 自持式剖面循環探測漂流浮標自持式剖面循環探測漂流浮標是近年來國際上出現的新的調查設備,采用拉格朗日法對海洋次表

9、層溫度、鹽度進行剖面測量,布放后它自動潛入水下2000米以內的等密度層,隨海流保持中性漂浮,到達預定時間儀器自動上浮直至水面,在攀升過程進行溫度、鹽度剖面測量。到達水面后,通過Argos衛星系統將采集的測量及定位數據傳送給用戶。然后儀器自動下沉到預定深度,重新開始下一個循環過程。該浮標在Argo計劃的推動下得到了較快的發展,但目前僅有美國和法國有商業化產品。在國家863高新技術發展計劃的資助下,國家海洋技術中心開展了該浮標的研制工作,基本掌握了浮標設計、制造的關鍵技術,解決了浮標殼體的密封耐壓、液壓驅動系統、浮標的自動潛入、上浮和定深控制、Argos衛星通訊、浮標配重標定方法等技術難題,研制成

10、功了可視深度模擬壓力實驗槽。目前已完成了樣機制造,正在進行海上試驗和改進工作,具備了一定的技術基礎。2.4 H/HQB型海洋潛標系統“九五”期間海洋技術中心開展了H/HQB型海洋潛標系統研制工作,2000年完成海上試驗,同年通過有關部門的設計定型審查,在我國南海北部及巴士海峽海域連續8套次的實際使用中,系統回收率達到100%,獲取資料數百萬組,最大布放深度達到4700米。使我國的潛標技術進入了實際應用階段,在潛標系統的設計、制造、布放回收等主要技術方面已接近國際先進水平,具備了研制、生產覆蓋我國領海和周邊海域的潛標系統的能力。該潛標采用在主浮體上安裝ADCP的方法,解決了潛標主浮體以上淺表層海

11、流測量問題;編制了潛標在海流作用下的姿態及系統張力計算軟件,可方便的進行潛標的設計計算;研制生產了潛標系統的關鍵儀器QFS1-2A型聲學應答釋放器。2.5 防拖網坐底式海洋調查潛標防拖網坐底式海洋調查潛標平臺是近年來,國外發展起來的又一種淺海海洋調查裝備,布放于海底,利用安裝的ADCP海流剖面儀,向上測量海流剖面。并可通過聲學釋放裝置和浮力塊進行回收。坐底式海洋調查潛標系統主要由防拖網底座、儀器設備安裝框架、浮力部件、聲學應答釋放器、釋放結構、測量儀器、雷達信標機及聲學指令發射接收機等組成。海洋技術中心跟蹤國際先進技術,開展了防拖網坐底式海洋調查潛標的研制工作。解決了小型聲學應答釋放器、浮力部

12、件和防拖網結構件等的設計、制造等關鍵技術。2.6 實時傳輸海洋潛標系統在“十五”863國家高新技術發展計劃的資助下,國家海洋技術中心聯合中船重工集團710研究所開展了實時傳輸海洋潛標系統的研制工作。該潛標具備將海洋環境測量數據通過可自動補充的水面通訊浮標與衛星雙向通訊,實時傳輸到岸站的功能。潛標系統可搭載ADCP、海流計、溫度鏈等海洋測量設備,進行0200m海流剖面測量和1000m鹽溫深流測量。最大使用海域水深4000m,水下服役期210天,測量數據的存儲能力大于210天。2.7 極區剖面測量系統在“十五”863國家高新技術發展計劃的資助下,開展了極區剖面測量系統研制工作。在潛標系留中使用自動

13、升降剖面測量儀,將測量儀器集成在一中性浮力的載體中,并按設定程序沿系留索上下往返移動進行測量。可以對海洋水文剖面環境微結構進行測量,同時減少了測量儀器數量,簡化了布放回收工作。海洋技術中心于2003年完成了其關鍵技術自動升降平臺的研究,并在千島湖進行了連續三天的自動升降實驗,平臺移動速度2025cm/s。目前在863國家高新技術發展計劃的進一步資助下,正在研制開發具有溫鹽深和海流剖面測量功能、水下聲學數據傳輸功能、適于極區冰蓋下使用的系纜式剖面儀。該系統最大布放使用水深可達5000米,剖面測量水深1500米,水下服役期3年。剖面儀搭載海流計和CTD,進行海流和溫鹽深的剖面測量,每個剖面的測量數

14、據通過水下聲學數據通訊傳輸到主浮體中存儲,在極地調查時,再通過水下聲學數據通訊提取主浮體中存儲的測量數據。3、西安研創科技集團發展有限公司研創科技集團公司是一家專業從事工業控制自動化和電氣連接技術的高新技術企業,致力于工控及電氣連接產品的開發、銷售及系統集成業務。對于海洋浮標方面,主要是ARM單片機、數據處理及控制方面(GPS、GSM、GDM等的研究。它的產品分類有:PLC、工控機、變頻器、PC-Based、人機界面、自動化軟件、現場總線、工業以太網、無線通信、PAC、CPCI/PXI、低壓電器、嵌入式系統、運動控制、現場儀表、工業安全、傳感器、電源、接線端子。國外海洋浮標的現狀及發展美國:國

15、家資料浮標中心是美國浮標技術研制和應用的主要部門,多年來一直從事于浮體和錨泊系統、海洋和氣象傳感器、資料通信技術、電源系統等方面的研制工作。另外還有通用動力公司、得薩斯儀器公司、洛克希德火箭與空間公司以及伍茲霍爾海洋研究所、斯庫里普海洋研究所、羅德島大學、華盛頓大學應用物理實驗室等,都有十年以上研制浮標的經驗。其種類為:就浮標的技術性能來講,有高性能和有限性能之分;按浮標的大小,可分為巨型(100t、中型(550t和小型(13t;從浮標形狀看,有圓盤型、圓柱型、船型、球型、圓筒型(橫向;以浮標的用途分,有工程試驗浮標(EEP、環境實驗浮標(XERB和標準環境浮標(PEB;根據浮標在水中的狀態又

16、可分為錨泊浮標和漂流浮標等等。隨著浮標技術的發展,目前總的趨勢是把浮標分為兩大類:錨泊浮標和漂流浮標。美國的浮標技術發展大致分為三個方面:浮標體類型及系留方式的選定、通信系統的發展、傳感器性能的完善。美國的浮標的發展趨勢:采用先進技術、降低成本、提高可靠度、擴大功能、延長工作壽命、方便布放和回收,是近年來海洋觀測浮標技術發展的總趨勢。具有代表性的如,美國伍茲霍爾海洋研究所等機構研制的海洋資料浮標,其技術進展主要表現為:1、新技術和新材料的使用促進了浮標總體技術的發展浮標體采用鋼、鋁、泡沫塑料或玻璃鋼混合結構,重量輕,布放回收方便。浮標都采用太陽能電池和蓄電池組合供電。為提供可靠性,有的浮標采用

17、兩個獨立的供電系統,每個系統都有蓄電池和太陽能電池板,都能為整個浮標供電。2、增加測量傳感器。擴大功能采用先進的傳感器和儀器,擴大浮標的功能,最大限度的提高效率/費用比,是資料浮標技術發展的最主要進展。3、先進的數據采集和通信系統浮標的數據采集和處理系統由帶有100MHz Inte 180486DX4微處理器的PC/104格式組件組成,在Linux操作系統下運行,能夠提供多用戶、多編程過程保護和網絡等這些現在桌面工作站才具有的功能。挪威挪威政府很重視海洋自動觀測儀器平臺技術額發展的應用。挪威貿易委員會印發了挪威對海洋觀測系統的貢獻進行宣傳,重點介紹挪威OCEANOR公司的產品Seswatch系

18、統,力圖將海洋觀測技術作為一項創匯產業推向世界。1、Seascan資料浮標Seascan資料浮標是挪威的第二代海洋氣象資料浮標。Seascan資料浮標是以錨泊在固定位置上的浮動數據收集浮標為基礎的,其設計與早期的數據浮標有很大的不同。Seascan資料浮標采用一種新型的Wavescan資料浮標和稱為Retsan的實時數據處理系統。2、TTPB遙測溫度剖面浮標該浮標用于遙測海水和湖泊垂直溫度剖面,為電廠和水產研究等應用。這種浮標可以錨泊在幾百米的水深處。浮標用泡沫塑料填充,以支撐桅桿,桅桿上載有所需要的電子裝置、太陽能電池電源組件以及VHF或UHF發射器,浮標下有一個熱敏電阻器用來測量溫度。所測

19、溫度數據經過VHF或UHF無線電以實時發射給用戶。3、Seawatch海洋環境監測和信息系統Seawatch系統包括4個組成部分:數據采集、數據存儲分析和顯示、海洋環境數值預報、信息(包括測量值、預報值及與用戶有關的各種信息分發。數據通過衛星或其他通信手段傳輸到岸邊,經過進一步檢查、分析之后存儲起來。浮標測量得到的數據和從其他來源獲得的數據匯總在一起,作為各種數值模式的輸入量。由模式得到的結果與由浮標網得到的信息相結合,形成用戶所需要的預報值。然后,通過計算機通信網絡吧預報值和測量值分發給各種需要海洋環境數據的用戶。網絡中的用戶可以提取各自需要的信息并且得到各種特殊的服務。法國法國的浮標研制工

20、作始于20世紀702年代初。早先是電信中心實驗室應國立海洋開發中心要求,在布列塔尼海洋研究中心協助下研制成功“L55”輕型浮標,后來又相繼制造了博爾姆(BOREM錨泊浮標、自控浮標、“SM-01”遙測浮標及漂流浮標。法國的典型浮標有:“L55”輕型浮標、自記自反浮標、博爾姆浮標、MARISONDE BT型氣象浮標、MARISONDE GT型氣象浮標、MARISONDEC系遙測浮標、ECO型海洋測量浮標、FOCAL型海洋測量浮標等。英國英國海洋環境浮標的研制工作始于20世紀70年代初。英國的新一代氣象浮標是ODAS系統。英國錨泊浮標的浮體主要取圓盤形,亦有環形和半圓柱形。采用三點或單點錨泊。三點錨泊適用淺海,而深海采用單點錨泊。浮標上裝有氣象和海洋傳感器,可獲得風速、風向、氣溫、氣壓、相對濕度、雨量、能見度、波高、海流、水溫等參數。采用VHF、HF和衛星通信網絡傳遞資料。英國的錨泊浮標網的發展概況:英國氣象局在過去10年中用一些小型近海錨泊浮標和一些直徑大于8m的大型海洋浮標錨泊在海上進行了試驗,大部分試驗通過合作技術已經完成,目前已經達到能布設浮標網以滿足天氣