海底观测网

《海底观测网》以作者的海底观测网设计、建设、运行管理知识和经验积累为基础，结合国内外海底观测网技术研究现状和发展趋势，系统介绍海底观测网的科学意义、建设需求、国内外研究建设情况、系统组成、关键技术、应用价值等方面内容。《海底观测网》内容涵盖海底观测网网络设计、网络建设、网络施工、网络维护等多方面理论知识研究成果及实践经验总结。

《海底观测网》以作者的海底观测网设计、建设、运行管理知识和经验积累为基础，结合国内外海底观测网技术研究现状和发展趋势，系统介绍海底观测网的科学意义、建设需求、国内外研究建设情况、系统组成、关键技术、应用价值等方面内容。《海底观测网》内容涵盖海底观测网网络设计、网络建设、网络施工、网络维护等多方面理论知识研究成果及实践经验总结。

目录
丛书前言一
丛书前言二
前言
1 绪论 1
参考文献 3
2 接驳盒 4
2.1 接驳盒功能和设计要求 4
2.2 接驳盒设计 5
2.2.1 防腐设计 5
2.2.2 机械结构 8
2.2.3 防护保护 12
2.3 接驳盒供电系统 13
2.3.1 电能分配设计 13
2.3.2 电能转换设计 14
2.3.3 电能监测 15
2.4 接驳盒展望 16
参考文献 16
3 海底观测网通信系统 18
3.1 通信系统概述 18
3.2 通信系统构架 19
3.2.1 通信系统功能要求 19
3.2.2 通信系统总体结构 21
3.2.3 通信构架技术方案 22
3.3 岸基站通信系统 24
3.3.1 岸基站通信系统功能要求和关键技术 24
3.3.2 岸基站通信系统结构和主要设备 25
3.3.3 数据处理平台软硬件基础设施及分层部署架构的实现 27
3.3.4 岸基站数据处理平台分层次功能实现 28
3.3.5 岸基站数据处理平台业务逻辑功能 29
3.3.6 岸基站数据处理平台业务逻辑功能实现 30
3.4 通信主干网 31
3.4.1 水下信息传输主网 31
3.4.2 小型海底观测示范网 31
3.5 海洋观测仪器电能供应 33
3.5.1 供电电路原理 33
3.5.2 传感器数据采集接口标准 35
3.5.3 海洋观测仪器应用实例 35
3.6 通信系统展望 45
参考文献 45
4 海底观测网能源供给系统 46
4.1 能源供给系统概述 46
4.1.1 海底观测网输电方式 46
4.1.2 海底观测网配电方式 49
4.1.3 海底观测网配电拓扑结构 50
4.1.4 供电系统工作方式 54
4.2 海水供电回路原理分析 56
4.2.1 海水导电概述 56
4.2.2 海水电极材料性能分析 57
4.2.3 回路电阻试验分析 60
4.2.4 海水作为输电回路对环境的影响分析 62
4.3 能源供给系统展望 63
参考文献 63
5 分支单元 65
5.1 分支单元概述 65
5.2 分支单元硬件设计 66
5.2.1 启动电路设计 66
5.2.2 启动过程仿真实验 69
5.2.3 供电电路设计 72
5.2.4 继电器控制电路设计 73
5.3 分支单元故障隔离方法 74
5.3.1 海缆故障模型 74
5.3.2 故障隔离算法 75
5.3.3 故障隔离试验 77
5.4 分支单元展望 78
参考文献 78
6 海底观测网故障诊断 80
6.1 故障诊断概述 80
6.2 接驳盒故障诊断技术 80
6.2.1 接地故障监测诊断及隔离 80
6.2.2 漏水监测及报警 82
6.2.3 电压、电流监测及隔离 83
6.3 海缆故障诊断技术 86
6.3.1 海底观测网供电网络模型 87
6.3.2 海缆开路故障 87
6.3.3 海缆高阻抗故障 97
6.3.4 海缆低阻抗故障 103
6.4 故障诊断展望 111
参考文献 112
7 海底观测网与移动观测平台结合 114
7.1 海底观测网和移动观测平台结合的意义 114
7.1.1 水下机器人对于海底观测网观测能力的提升 114
7.1.2 海底观测网对于水下机器人技术和应用的促进 115
7.1.3 增强海洋科学观测技术手段的需求 116
7.1.4 网络运行维护对于AUV 的需求 117
7.1.5 海底观测网与声阵相结合 118
7.2 海底观测网和移动观测平台结合技术现状 118
7.3 海底观测网和移动观测平台结合关键技术 121
7.3.1 导航技术 121
7.3.2 对接装置 128
7.3.3 水下无线充电技术 130
7.3.4 水下无线数据传输技术 132
参考文献 134
8 海底观测网实例 136
8.1 美国海底观测网 136
8.2 加拿大海底观测网 139
8.3 日本海底观测网 141
8.4 欧洲海底观测网 143
参考文献 144
索引 145
彩图

《海底观测网》以作者的海底观测网设计、建设、运行管理知识和经验积累为基础，结合国内外海底观测网技术研究现状和发展趋势，系统介绍海底观测网的科学意义、建设需求、国内外研究建设情况、系统组成、关键技术、应用价值等方面内容。《海底观测网》内容涵盖海底观测网网络设计、网络建设、网络施工、网络维护等多方面理论知识研究成果及实践经验总结。

海底测量

1 绪论
　　海洋覆盖了地球表面积的71%，蕴藏着丰富的自然资源和矿产资源。海洋的化学、物理变化深刻地影响着地球地质运动及全球的气候和环境变化，对人类的活动产生了深远的影响。自古以来，人类从未停止过对海洋的研究和观测。随着科技的发展，海洋观测手段的丰富，人类对海洋的观测范围也逐渐从海面、近海延伸到大洋深处，直至海底[1]。假如把地面与海面当作观测地球的**个平台，把空中的遥感遥测看作第二个观测平台，那么在海底建立的观测系统则是第三个观测平台[2-3]。
　　海底科学观测系统按观测范围可以分为海底观测站、海底观测链和海底观测网[4]。科考船、卫星遥测、中继浮标、无人潜水器等传统的海洋观测手段受制于能源和通信，只能获得局部的、时空不连续的海洋数据[5-6]；而海底观测网利用光电复合缆传输能量和信息，将各种海洋观测设备联网，把观测平台放置在海底，打破了能量和数据传输的限制，实现了对海洋的长期、实时、连续、原位观测[7]。海底观测网的提出和实施，使得大范围、长时间、连续、立体的海洋观测成为可能，为深入了解地球内部地质演变过程、海洋宏观尺度物理化学变化、地震监测、海啸预报等科学研究提供了一种全新的研究途径。
　　典型海底观测网示意图如图1.1所示。海底观测网主要由岸基站、光电复合缆(海缆)、分支单元、接驳盒、观测设备组成。
　　岸基站主要负责电能输送、电能管理监控、观测数据汇总处理、数据备份发布等工作，是能源集散地和信息汇总池，是整个海底观测网的科研、管理和控制中枢[8]。岸基站供电设备(power feeding equipment，PFE)将陆地电网输送的交流电转换为海底观测网需要的直流电，通过光电复合缆传输至水下各观测节点，为观测设备供电。岸基站电能管理监控系统(power management and control system，PMACS)实时监控海底观测网运行各个设备的运行状态，及时发现定位故障并报警。岸基站软件系统负责处理和备份大量观测数据，通过人机交互界面直观显示各种观测信息，为科研人员提供分析数据。岸基站的网络系统将海底观测网安全可靠地接入广域互联网，与其他海底观测网实现数据联网共享，为世界各地的研究人员提供研究交流的平台。
　　光电复合缆负责水下的电能传输和数据通信，是海底观测网的“血管”和“神经”[9]，其中电能的传输利用光电复合缆的铜管层作为传输介质，数据通信利用其中心的光纤对完成。根据光电复合缆在观测网络拓扑结构中的位置，其可以分为主干光电复合缆(主缆)和分支光电复合缆(支缆)。
　　图1.1 海底观测网示意图
　　分支单元主要负责海缆分支，用于海底观测网的层次、区域划分，在多节点组网的过程中起着枢纽和桥梁作用；在海缆及水下节点发生故障时，可以及时检测隔离故障。
　　接驳盒是海底观测网重要的水下管理节点，主要功能是中继和分配：它将岸基站供电设备传输的直流电经过变换，转换为可以供观测设备使用的电能形式，通过接驳盒上的水下湿插拔接口为观测设备供电。同时接驳盒可与岸基站通信：执行岸基站发出的控制指令，实现对水下观测设备的远程控制；将观测设备采集的数据和状态信息实时上传至岸基站供科研人员分析处理。接驳盒按电能变换层次可分为主接驳盒和次级接驳盒。
　　观测设备是指安装于接驳盒上的各种观测设备，包括压力传感器、声呐、多普勒水流剖面仪、温盐深测量仪(conductivity-temperature-depth probe，CTD)、地震仪等，可以实现对海底物理、化学参数及地质运动的实时连续观测。为观测设备提供长期实时的能源、数据链路是海底观测网的任务使命，因此，观测设备也会随着观测区域、观测要素、布放时间的不同而不同。为了实现观测设备快速、便捷地搭载于海底观测网，一般通过水下可插拔连接器将观测设备连接于接驳盒上(一般是次级接驳盒)，通过遥控潜水器(remote-operated vehicle，ROV)远程遥控实现观测设备的水下插拔。
　　海底观测网铺设在海底，设计使用寿命20年以上，对系统可靠性要求非常高，要求每个部件都具备极高的可靠性。海底环境复杂恶劣，子系统或部件难免发生故障，出现故障后维修困难且费时费力，海底观测网必须具备较强的抗故障能力，能够准确检查定位故障并及时隔离故障，保证无故障部分继续工作。海底观测网建设施工难度大、周期长，需要分阶段建设；系统运行时间长，需要为后续改造建设留有余地，因此海底观测网要具备良好的兼容性和可扩展性。兼容性是指能与其他海洋观测平台如自治式潜水器(autonomous underwater vehicle，AUV)、ROV、锚系浮标系统方便接入；可扩展性是网络建成后可以方便地扩展观测节点或子网络，实现观测区域的扩大和观测手段的丰富。
　　2 接驳盒
　　2.1 接驳盒功能和设计要求
　　接驳盒是海底观测网重要的组成部分，起到电能分配、数据汇聚、观测设备搭载等重要作用[1]。接驳盒分为主接驳盒和次级接驳盒。主接驳盒可分支多个次级接驳盒，次级接驳盒搭载观测设备。
　　主接驳盒功能主要是可分支出多个次级接驳盒，并为次级接驳盒及其上搭载的观测设备提供总的能源供应和数据汇聚、链路分配等服务[2]。次级接驳盒的主要功能是搭载观测设备，并为观测设备提供能源供应和数据交换服务。
　　接驳盒供电监控管理系统的设计要求主要有：可靠性、模块化、紧凑性和密封舱散热[3]。
　　1.可靠性
　　海底观测网长期工作在恶劣的海底环境中，供电系统是否稳定是海底观测网能否正常长期运行的关键。供电监控系统的高可靠性是保障供电系统稳定运行的前提。随着海底观测网结构日趋复杂，海底观测网需连接越来越多的观测设备，给众多观测设备合理分配电能，保障观测设备正常运行是供电监控系统的主要功能。一旦供电监控系统出现故障，后果非常严重，会造成无法估量的损失。任何用于监控的元器件都把可靠性放在**位。影响供电监控系统可靠性的因素中，除了本身的软硬件技术起决定作用外，还有工作环境、电磁干扰、机械应力等因素不容忽视，而供电系统本身就是一个强干扰源。所以，供电监控系统的可靠性非常重要。
　　2.模块化
　　海底观测网接驳盒供电监控系统分为岸基站远程监控部分和水下接驳盒监控部分。为了提高供电系统的智能化和可靠性，采用模块化结构，维护简单、迅速。
　　供电监控系统工作于海底，维修故障的代价非常昂贵。供电监控系统分为监控模块、电能转换模块、电性能监测模块、温度监测模块、漏水监测模块、开关模块。监控模块位于接驳盒的控制舱体内，它除了具有采集运行状态及参数、自动隔离故障功能外，还具备与岸基站远程监控计算机的通信功能，即能实时接收和响应岸基站发送的命令，并能把运行状态、参数传送给岸基站。对关键模块进行冗余设计，当模块出现故障时，可以自动切换，不影响整个系统的运行。
　　3.紧凑性
　　功能模块应进行紧凑性设计，缩小舱体的体积，降低舱体成本。接驳盒放置在海底，如果体积太大，难免增加布设难度。在未来成熟的海洋设备中，体积应该在满足需要的情况下尽可能小，所以我们在设计接驳盒供电监控系统时应该考虑到体积影响，使各个模块尽可能紧凑。
　　4.密封舱散热
　　优良的密封舱散热性能有利于提高电路系统的使用寿命。接驳盒拥有两级电压转换模块：**级为10kVDC/375VDC模块，功率为10kW，转换效率达到90%时，发热功率达到1kW，如果散热性能不佳，接驳盒温度过高，易造成电路系统发生故障；第二级为375VDC/24VDC模块，多个电源模块易造成热能集中。大部分电子元器件失效的原因是工作环境温度过高。可以通过充油、优化机械结构等设计系统散热，提高散热效率，使系统在更低的温度下稳定运行，延长整个系统使用寿命。
　　2.2 接驳盒设计
　　2.2.1 防腐设计
　　1.防腐材料选择
　　海水中含有大量的无机盐，一般质量分数在3%左右，是天然的强电解质。在无机盐成分中，NaCl约占78%，MgCl2约占11%，MgSO4约占5%，CaSO4约占4%，K2SO4约占2%等。在上述阴离子中，Cl.约占55%，质量分数**，高浓度Cl.的存在是各种金属在海洋环境中受到严重腐蚀的主要原因。Cl.较多使得各种金属难以钝化，而且使大部分的钝化膜稳定性变差，极易发生点蚀[4]。
　　在海洋环境中的金属结构件腐蚀类型主要有均匀腐蚀、点蚀、缝隙腐蚀、冲击腐蚀、空泡腐蚀、电偶腐蚀等。受材料本身、使用环境及具体结构设计的影响，水下金属材料的腐蚀问题表现复杂，是多种因素交叉影响的结果。
　　接驳盒内部的各种光电设备需安装在防水的密封舱体中，各种腐蚀现象将直接导致密封的破坏，引起严重事故。密封舱体是一种水下承压结构，密封部位加工精度高，防腐涂层无法满足密封部位的高加工精度、高强度的结构要求，因此对舱体材料提出了很高的防腐要求[5-6]。
　　为满足接驳盒长期工作于海水环境的要求，必须针对作业环境和结构要求挑选具有长期防腐性能的建造材料。
　　通常情况下，金属材料在海水中的腐蚀受腐蚀电位的高低影响较大，腐蚀电位是衡量金属防腐性能的重要指标。常见水下金属材料在海水中腐蚀电位如表2.1所示。
　　表2.1 常用水下金属材料在海水中的腐蚀电位
　　铝合金的初始电位及稳态腐蚀电位都较低，受海水的腐蚀影响*严重；不锈钢类材料稍好一些，但较低的稳态腐蚀电位还是会导致腐蚀的持续发展，其中000Cr18Mo2的稳态腐蚀电位较高，但容易发生局部点蚀，同时表面的钝化膜在氯离子的影响下不稳定，也不能成为理想的长期应用材料。
　　钛合金和哈氏合金类材料的稳态腐蚀电位高于初始电位，说明钝化能力较强。其中，钛合金类材料*为理想，钝化层非常稳定，在常温海水中基本不发生腐蚀；哈氏合金类的不锈钢材料稳态腐蚀电位**，具有应用价值[7]。
　　2.防腐结构
　　钛合金是一种非常理想的材料，但价格昂贵，如果接驳盒完全采用钛合金制