錨系觀(guān)測(cè)平臺(tái)是獲取海水水體垂向剖面數(shù)據(jù)的有效手段，通?？煞譃楦?biāo)和潛標(biāo)兩類(lèi)。這兩類(lèi)的結(jié)構(gòu)類(lèi)似，區(qū)別在于平臺(tái)的主浮體是浮出水面還是潛在水面之下。其中，浮標(biāo)能采集海氣界面的科學(xué)數(shù)據(jù)，包括大氣數(shù)據(jù)和近海面水體參數(shù)，而潛標(biāo)通常不采集這些數(shù)據(jù)。當(dāng)然，為獲取這些海氣界面的科學(xué)數(shù)據(jù)，浮標(biāo)要承受海面風(fēng)浪的侵襲，因此浮標(biāo)比潛標(biāo)易受損壞。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，潛標(biāo)只需考慮水流的荷載，而浮標(biāo)不但要考慮水流的載荷，還必須要考慮水面的風(fēng)及海浪潮汐的荷載，需要考慮更高的可靠性。圖11-22為錨系浮標(biāo)和潛標(biāo)的示意圖。

近年來(lái)，傳統(tǒng)錨系觀(guān)測(cè)平臺(tái)逐漸發(fā)展為先進(jìn)錨系觀(guān)測(cè)平臺(tái)。傳統(tǒng)的定深剖面錨系主要為自容式設(shè)計(jì)，攜帶能量有限，難以實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，科學(xué)觀(guān)測(cè)能力較弱，數(shù)據(jù)在深度上是離散的。而先進(jìn)錨系指具有上浮和下沉觀(guān)測(cè)模塊、甚至能夠連接至海底觀(guān)測(cè)網(wǎng)的活動(dòng)剖面錨系，由于供電和通信能力的增強(qiáng)，科學(xué)觀(guān)測(cè)能力也大大提高，數(shù)據(jù)在一定的深度范圍內(nèi)是連續(xù)的。但從可靠性上看，傳統(tǒng)定深錨系的各個(gè)傳感器獨(dú)立，其中某些傳感器失效不影響傳感器，而活動(dòng)剖面錨系上的剖面儀一旦失效則可能無(wú)法獲取數(shù)據(jù)或只能獲得某一深度的數(shù)據(jù)。所以若要綜合兩種錨系的特點(diǎn)，可將兩種潛標(biāo)的布置成對(duì)使用。這兩種錨系潛標(biāo)見(jiàn)圖11-23?？梢?jiàn)，所謂的先進(jìn)錨系觀(guān)測(cè)平臺(tái)，本質(zhì)上是具有一定的垂向活動(dòng)觀(guān)測(cè)能力的固定錨系觀(guān)測(cè)平臺(tái)，因此本書(shū)將其仍然放在“固定平臺(tái)觀(guān)測(cè)技術(shù)”一章里作介紹。

圖11-22 錨系浮標(biāo)和潛標(biāo)示意圖（引自http：//ocean-observatories.org/marine-technologies/moorings/）

圖11-23 典型錨系潛標(biāo)結(jié)構(gòu)（Trask， Weller，2009）

11.2.1 錨系的組成和發(fā)展

錨系觀(guān)測(cè)平臺(tái)主要由錨、聲學(xué)釋放器、系留纜、浮體和傳感器組成，如圖11-24所示。錨的作用是用重物在海底固定錨系觀(guān)測(cè)平臺(tái)的位置；系留纜用于連接浮體與錨，通常通過(guò)聲學(xué)釋放器與錨連接，而聲學(xué)釋放器用于回收錨系觀(guān)測(cè)平臺(tái)；浮體提供正浮力，包括錨系觀(guān)測(cè)平臺(tái)最上端的主浮體和系留纜上的水下浮體，水下浮體保證系留纜處于垂向緊繃狀態(tài)，主浮體上一般裝有通信和供電裝置。錨、系留纜和浮體上均可安裝海洋傳感器，主浮體上通常還安裝有氣象傳感器。

圖11-24 傳統(tǒng)錨系觀(guān)測(cè)平臺(tái)的典型結(jié)構(gòu)（Rapizo，Babanin et al.， 2015）

傳統(tǒng)錨系觀(guān)測(cè)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單系留纜僅用于連接，不負(fù)責(zé)供電或通信，可由金屬或非金屬制成。傳統(tǒng)潛標(biāo)和傳統(tǒng)浮標(biāo)水下部分完全為自容式設(shè)計(jì)，即傳感器通過(guò)自帶電池供電，按照事先設(shè)置好的程序參數(shù)（如采樣周期等）采集數(shù)據(jù)，所采集的數(shù)據(jù)也存儲(chǔ)在傳感器內(nèi)部，待回收時(shí)才能讀取這些數(shù)據(jù)，需要較為頻繁的定期維護(hù)。有些錨系浮標(biāo)可以通過(guò)太陽(yáng)能面板或小型風(fēng)機(jī)給主浮體上的傳感器供電，而主浮體上傳感器所采集的數(shù)據(jù)有時(shí)通過(guò)射頻或衛(wèi)星通信發(fā)送至岸基。

傳統(tǒng)潛標(biāo)的主要受制于電能。因?yàn)槟茉吹南拗?，爬行式剖面儀的巡航密度受到限制，絞車(chē)式剖面儀難以保持足夠的垂直度，聲學(xué)通信設(shè)備的使用受到限制，導(dǎo)致傳感器采樣周期的增大，維護(hù)周期的縮短及數(shù)據(jù)連續(xù)性較差。若能借助海底觀(guān)測(cè)網(wǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)能源的供給及實(shí)時(shí)通信，打破電能的限制，則錨系觀(guān)測(cè)平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期、實(shí)時(shí)、高采樣率的海水垂向觀(guān)測(cè)。

圖11-25 可連接至海底觀(guān)測(cè)網(wǎng)的先進(jìn)潛標(biāo)系統(tǒng) （Howe，Chao et al.，2010）

如圖11-25所示，通過(guò)光電機(jī)械纜將海底觀(guān)測(cè)網(wǎng)與錨系觀(guān)測(cè)平臺(tái)連接，潛標(biāo)平臺(tái)上設(shè)置活動(dòng)剖面儀充電通信接口、水下絞車(chē)和傳感器，科學(xué)數(shù)據(jù)通過(guò)光電機(jī)械纜直接傳輸給海底觀(guān)測(cè)網(wǎng)。該系統(tǒng)先后在普吉特海灣和美國(guó)MARS網(wǎng)上試驗(yàn)，并計(jì)劃在夏威夷ALO-HA纜系海底觀(guān)測(cè)網(wǎng)上布放。

11.2.2 先進(jìn)錨系的關(guān)鍵技術(shù)

與其他海底觀(guān)測(cè)系統(tǒng)一樣，錨系觀(guān)測(cè)平臺(tái)涉及機(jī)械結(jié)構(gòu)、通信、控制和供電等多種共性技術(shù)。由于傳統(tǒng)錨系的結(jié)構(gòu)已為大家所熟知，這里主要介紹隨著先進(jìn)錨系發(fā)展起來(lái)的自主活動(dòng)剖面技術(shù)、特種系留技術(shù)和水下感應(yīng)耦合充電通信技術(shù)。

1.自主活動(dòng)剖面技術(shù)

錨系自主活動(dòng)剖面技術(shù)的研究始于19世紀(jì)70年代，近年來(lái)相關(guān)技術(shù)逐漸發(fā)展成熟，各類(lèi)錨系自主活動(dòng)剖面儀（Moored Automatic Mobile Profilers，MAMPs）在海洋觀(guān)測(cè)系統(tǒng)上的應(yīng)用越來(lái)越多，具有多種商業(yè)化產(chǎn)品可供選用。按照運(yùn)動(dòng)方式，MAMPs可分為絞車(chē)方式及爬行方式兩大類(lèi)。Carlson等按照布放方式、供電方式、運(yùn)動(dòng)方式及通信方式，總結(jié)并比較了目前主要的幾種MAMPs（Carlson，2013）。

表11-1 現(xiàn)今主要的剖面儀（Carlson，2013）

(1）絞車(chē)式MAMPs

絞車(chē)式MAMPs的特點(diǎn)是其相對(duì)于系留纜不動(dòng)，通過(guò)水下絞車(chē)的滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)收放系留纜，從而帶動(dòng)剖面儀的運(yùn)動(dòng)。按照設(shè)置絞車(chē)的位置，絞車(chē)式MAMPs又可分為浮體絞車(chē)式、海底絞車(chē)式和剖面儀絞車(chē)式。

①浮體絞車(chē)式

浮體絞車(chē)式的絞車(chē)是安裝在海面的主浮體上，絞車(chē)收放剖面儀器纜，儀器纜通過(guò)定滑輪帶動(dòng)剖面儀在水中上下運(yùn)動(dòng)，如意大利Idronaut S.r.l公司的601/701型，如圖11-26所示。浮體絞車(chē)式原理簡(jiǎn)單、使用靈活，但由于絞車(chē)等動(dòng)力部件要承受海浪的振動(dòng)，難以在外海使用。其一般至少要用3個(gè)錨來(lái)定位浮體，同時(shí)其工作深度一般不超過(guò)100m。

圖11-26 典型的浮體絞車(chē)式MAMP（Carl-son，2013）

②海底絞車(chē)式

海底絞車(chē)式與浮體絞車(chē)式的原理相同，只是將絞車(chē)從海面移到了靠近海底。圖11-27中絞車(chē)是著底式的，曾在NEPTUNECana-da上使用。此外，美國(guó)Inter Ocean Systems公司也有采用著底絞車(chē)式產(chǎn)品。圖11-28中的兩種MAMPs的絞車(chē)均為非著底式（Prien， Schulz-Bull，2016）。圖11-28（a）的MAMP用于瑞典哥得蘭島附近海域的深海環(huán)境觀(guān)測(cè)站（Gotland Deep Environmental Station，GODESS），包括位于180m水深的水下絞車(chē)和觀(guān)測(cè)儀器，觀(guān)測(cè)范圍為30～180m水深，每?jī)商炜刹杉唤M剖面數(shù)據(jù)，能夠持續(xù)運(yùn)行3個(gè)月（Prienand Schulz-Bull，2016）。圖11-28（b）的MAMP目前在美國(guó)OOI海洋觀(guān)測(cè)系統(tǒng)上使用，可布放在300～5000m水深，包括水下絞車(chē)、觀(guān)測(cè)儀器和通信浮體，可采集距離海面150m范圍內(nèi)的海水參數(shù)。

圖11-27 采用著底式絞車(chē)的MAMP（引自http：//www.ocean-networks.ca/）

相比上述浮體絞車(chē)式MAMPs，海底絞車(chē)式MAMPs的優(yōu)點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)全深度剖面（布放點(diǎn)）的探測(cè)，且能承受較為惡劣的風(fēng)浪侵襲。海底絞車(chē)式MAMPs最大的問(wèn)題是在海水流速較大的情況下，其儀器纜易偏斜而導(dǎo)致儀器平臺(tái)無(wú)法到達(dá)海面，可采取的應(yīng)對(duì)方式是增加儀器平臺(tái)的浮力。儀器平臺(tái)浮力的增加會(huì)提高儀器纜的靜荷載，且增大絞車(chē)的能量消耗，所以一般需要通過(guò)纜系海底觀(guān)測(cè)網(wǎng)給其供電，而通信方式可采用海纜通信、微波通信或衛(wèi)星通信。

圖11-28 兩種采用非著底式絞車(chē)的MAMPs （Prien and Schulz-Bull， 2016）

③自帶絞車(chē)式

自帶絞車(chē)式MAMPs是指水下絞車(chē)安裝在儀器平臺(tái)上。如圖11-29所示，Benard （2006）介紹了一種緊湊型自帶絞車(chē)式MAMPs，這種剖面儀的維護(hù)周期為90天，能上下爬行的總路程為36km，設(shè)計(jì)傾斜角限值為10°。和海底絞車(chē)式一樣，優(yōu)點(diǎn)是可探測(cè)整個(gè)深度剖面，但同樣存在海水流速的限制。所以，若采用自容式設(shè)計(jì)，不論是海底絞車(chē)式MAMPs，還是自帶絞車(chē)式MAMPs，均不適用于大流速區(qū)域。

(2）爬行式MAMPs

爬行式MAMPs能沿著錨系纜上下爬行，而錨系纜固定不動(dòng)，就好像常規(guī)的錨系觀(guān)測(cè)平臺(tái)上增加了一個(gè)活動(dòng)觀(guān)測(cè)裝置。爬行式MAMPs可分為電機(jī)驅(qū)動(dòng)式、浮力調(diào)節(jié)式及波浪動(dòng)力式。

①電機(jī)驅(qū)動(dòng)式

這種MAMPs一般由上下滾輪夾持住錨系纜，通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)剖面儀上下運(yùn)動(dòng)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)式的典型產(chǎn)品是Mc Lane Moored Profiler（MMP），如圖11-30所示。MMP的工作水深為30～6000m，上下移動(dòng)速度為25cm/s，采用11.7V供電，支持13種傳感器，包括CTD、溶解氧、硝酸鹽、二氧化碳、甲烷、濁度、流速等傳感器。更為詳細(xì)的介紹可參考其使用手冊(cè)（http：//mclanelabs.com/）。Mclane公司還有一款與上述MMP類(lèi)似的、用于冰下探測(cè)的剖面儀，稱(chēng)為Ice Techered Profiler（ITP）。ITP的工作水深為30～1000m，其他參數(shù)與MMP相同，如圖11-31所示。

圖11-29 一種小型化自帶絞車(chē)式MAMP

圖11-30 Mclane公司的MMP

（a）結(jié)構(gòu)示意圖；（b）海上布 放 （引 自 http：//mclanelabs.com/product-type/profilers）

圖11-31 Mclane公司的ICP

（a）水池試驗(yàn)；（b）從冰面上 布 放 （引自http：//mclanelabs.com/product-type/profilers）

圖11-32 一種浮力調(diào)節(jié)式MAMP的示意圖（Singleton，Bachmayer， 2014）

②浮力調(diào)節(jié)式

這種MAMPs采用調(diào)節(jié)浮力的方式驅(qū)動(dòng)剖面儀上下運(yùn)動(dòng)。其中，瑞典Ocean Origo AB公司生產(chǎn)的Sea Tramp PP2和加拿大METOCEAN公司生產(chǎn)的Polar Ocean Profiling System（POPS）是采用浮力調(diào)節(jié)方式的代表性產(chǎn)品。

Joe Singleton等介紹了一種浮力調(diào)節(jié)方式的剖面儀，示意圖見(jiàn)圖11-32，原理是通過(guò)液壓泵調(diào)節(jié)外部皮囊改變排水體積的方法，原理圖見(jiàn)圖11-33 （Singleton，Bachmayer，2014）。該MAMP的最大工作水深為200m，能一直探測(cè)到海水表面，能在1 m/s以?xún)?nèi)流速和5m以?xún)?nèi)浪高下運(yùn)行，移動(dòng)速度為0.2～0.4m/s，每天做5個(gè)剖面，可持續(xù)運(yùn)行一年。

③波浪動(dòng)力式

波浪動(dòng)力式MAMPs指的不是收集波浪能量發(fā)電作為驅(qū)動(dòng)能源，而是直接隨著波浪的起伏波動(dòng)直接移動(dòng)，比較典型的是勞斯萊斯集團(tuán)下屬的ODIM Brooke Ocean公司的產(chǎn)品Sea Horse。Sea Horse利用表面波浪能沿著錨系纜上下運(yùn)動(dòng)，其工作原理是控制棘爪實(shí)現(xiàn)隨波浪的上下移動(dòng)，從而節(jié)省能量。其工作水深小于200m，能在浪高大于15cm且周期小于2s的波浪下運(yùn)行，Sea-Bird19plus CTD是其標(biāo)準(zhǔn)配置（圖11-34）。

圖11-33 一種浮力調(diào)節(jié)式MAMP的工作原理（Singleton，Bach-mayeretal.，2014）

圖11-34 Sea Horse波浪動(dòng)力剖面儀

（a）Sea Horse在錨系上運(yùn)行的示意圖；（b）Sea-Horse的結(jié)構(gòu)示意圖（http：//www.brooke-o-cean.com/products.html）

Rainville與Pinkel（2001）還介紹了一種名為Wirewalker的波浪動(dòng)力式MAMPs。其工作原理是通過(guò)內(nèi)部設(shè)置錐臺(tái)空間的外部護(hù)套與內(nèi)部套管的相對(duì)位置的不同，使得滾珠與錨系纜分離或結(jié)合，來(lái)達(dá)到控制剖面儀上下移動(dòng)。

11.2.3 特種系留技術(shù)

隨著錨系觀(guān)測(cè)平臺(tái)的發(fā)展，人們希望能實(shí)現(xiàn)海面和海底之間的供電和通信，如實(shí)現(xiàn)海面浮標(biāo)與海底著底器之間或錨系觀(guān)測(cè)平臺(tái)與海底觀(guān)測(cè)網(wǎng)之間的供電和通信。因此，近幾年光電機(jī)械纜（Electro-Optical-Mechanical Cable，EOM纜）或電機(jī)械纜（Electro-Me-chanical Cable，EM纜）逐漸發(fā)展起來(lái)（Grosenbaugh，2006）。EOM纜和EM纜的難點(diǎn)在于銅導(dǎo)體及光纖不能在大應(yīng)變條件下正常工作，而對(duì)于大深度浮標(biāo)而言這個(gè)應(yīng)變難以控制。

如圖11-35所示，Andrew Hamilton等設(shè)計(jì)了一種海洋觀(guān)測(cè)系統(tǒng)，其目的是通過(guò)海面浮標(biāo)收集能源，通過(guò)EOM纜將電能傳送到海底儀器，同時(shí)通過(guò)衛(wèi)星通信將水下收集到的科學(xué)數(shù)據(jù)傳送給岸上。

圖11-35 MBARI海洋觀(guān)測(cè)系統(tǒng)（Hamil-ton，2003）

大多數(shù)的EOM纜都采用內(nèi)部為導(dǎo)體和光纖、外部為承力部件的設(shè)計(jì)，而外部承力部件的材質(zhì)一般為維克特拉纖維（Vectran）或凱夫拉纖維（Kevlar），這種材質(zhì)得益于其高彈性模量限制了整體形變，從而起到保護(hù)內(nèi)部導(dǎo)體及光纖的作用。

Grosenbaugh等介紹了一種低彈性模量的EOM纜，使用的承力部件是尼龍或聚酯材料，其最大的特點(diǎn)是承力部件在纜的中央，而導(dǎo)體和光纖螺旋式纏繞在承力部件的外部，從而保證了導(dǎo)體和光纖應(yīng)變不超限，同時(shí)由于其彈性模量較低，可降低動(dòng)態(tài)負(fù)荷（Grosen-baugh，2006）。

通常EOM纜采用高彈性模量的承力部件制作，在潮汐、波浪、風(fēng)及水流作用下可能承受很大的動(dòng)載荷，并引起超限的應(yīng)變。為防止這種情況的發(fā)生，一般要在浮體下部設(shè)置彈性補(bǔ)償裝置，如伸縮管，以此控制最大動(dòng)載荷。圖11-36中較粗的黑色段即為伸縮管，采用EOM纜以螺旋方式澆筑在彈性橡膠里面形成的，當(dāng)受到動(dòng)態(tài)荷載時(shí)這段管可像彈簧一樣伸縮，并吸收消耗這些能量（Grosenbaugh，2006）。

圖11-36 EOM纜的彈 性 補(bǔ) 償 伸 縮 管（Grosenbaugh，2006）

11.2.4 水下感應(yīng)耦合供電通信技術(shù)

錨系觀(guān)測(cè)平臺(tái)進(jìn)行剖面數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸分為有線(xiàn)通信和無(wú)線(xiàn)通信兩類(lèi)方式，而無(wú)線(xiàn)通信又包括水聲通信和感應(yīng)耦合兩種，如圖11-37所示（劉長(zhǎng)華，王春曉，2014）。其中，有線(xiàn)通信方式難以用于活動(dòng)剖面儀的數(shù)據(jù)傳輸，且可靠性不高；水聲通信方式功耗大、體積大，且?guī)捫?、傳輸可靠性較低；感應(yīng)耦合方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、功耗低、可靠性高。

圖11-37 錨系觀(guān)測(cè)平臺(tái)三種典型的通信方式

（a）有線(xiàn)方式；（b）水聲通信方式；（c）感應(yīng)耦合方式（劉長(zhǎng)華，王春曉，2014）

常規(guī)水下濕插拔連接器的結(jié)構(gòu)決定了實(shí)現(xiàn)水下濕插拔需要很大的力量，而剖面儀或水下滑翔機(jī)等低能耗設(shè)備不具備這樣的能力，因此為了實(shí)現(xiàn)這些水下設(shè)備之間的供電和通信連接，水下感應(yīng)耦合供電通信技術(shù)顯得非常重要。Howe等介紹了S&KEngineering公司的水下感應(yīng)耦合充電方案，其在2mm左右的耦合線(xiàn)圈空隙下，設(shè)備間能達(dá)到70%的供電效率（Howe，2010）。