极区冰下浅表层声学监测浮标系统研发与应用.pdf

第 35 卷第 2 期 极地研究 Vol.35,No.2 2023 年 6 月 CHINESE JOURNAL OF POLAR RESEARCH June 2023 收稿日期 2022 年 1 月收到来稿,2022 年 5 月收到修改稿 基金项目 国家重点研发计划(2018YFC1405902)、山西省基础研究计划(20210302124318)、山西省高等学校科技创新项目(2021L025)资助 作者简介 李聪克,男,1996 年生。硕士研究生,主要从事电力电子及电力传动方向研究。E-mail: 通信作者 李丙瑞,E-mail: 极区冰下浅表层声学监测浮标系统研发与应用 李聪克1,2,3 李丙瑞2 陈燕1 窦银科1 左广宇1 杨波1 路通1(1太原理工大学电气与动力工程学院,山西 太原 030024;2中国极地研究中心,上海 200136;3国网石家庄市栾城区供电公司,河北 石家庄 051430)摘要 北冰洋海域的水声学研究在冰下通讯、导航定位、目标探测以及海洋环境参数反演等方面起着重要作用。而研发集成极区冰下浅表层声学监测浮标系统,获取长期连续气-冰-海界面的主要环境参数数据及冰下声学特性信息,是开展冰下水文和声学环境特性研究的重要手段。本文研究了一种极区冰下浅表层声学监测浮标系统的设计,该系统主要由主控制模块、供电模块、数据采集模块、数据远程传输模块、远程监控中心五部分组成,通过各个模块的开发与集成测试、数据的采集与传输测试、野外试验等,实现了对极区气-冰-海界面主要环境参数以及冰下浅表层声学特性参数数据的持续观测。本系统于 2021 年 8 月在中国第12 次北极科学考察任务中完成现场应用,在极地低温恶劣环境下运行可靠稳定,实现了包括水声数据在内的极区各项环境观测参数的远程传输。关键词 北极 声学浮标 监测系统 数据传输 doi:10.13679/j.jdyj.20220004 0 引言 北极指以北极点为中心,北纬 6634(北极圈)以北的广大区域,也叫做北极地区1。北极地区是全球气候变化最为剧烈的地区之一,随着北极海冰的快速退缩,北极航道尤其是东北航道的开通及商业利用已经成为现实1。又由于北极地区蕴藏着丰富的自然资源,引起各海洋大国的高度关注,在此背景下,北极海冰快速变化、北冰洋水动力环境和声场特性等,是目前国际上最为关注的前沿热点领域2-5。为了研究北极环境和气候变化机理,提升对北极环境和气候变化的监测能力,1974 年美国国家科学院提出在整个北冰洋区域建立监测网络的提议,1978 年在华盛顿大学应用物理实验室极地科学中心成立北极海洋浮标计划,随后在 1991 年成立“国际北极浮标计划”(International Arctic Buoy Program,IABP),其基本目标仍然是建立北极监测网络,为极地研究人员提供实时的观测数据6;2012 年美国海军研究办公室制定了“北极科学计划”(Arctic Science Program,ASP),旨在通过观测手段改善北冰洋海洋环境预报能力;2015 年德国亥姆霍兹极地与海洋研究中心发起“北极气候研究多学科漂流计划”(Multidisciplinary drifting Observatory for the Study of Arctic Climate,MOSAIC),主要通过漂流浮标、无人冰站等设备获取极区长期观测数据6-7;我国对北极的研究起步较晚,自1999年首次组织北极科学考察以来,针对北极海冰、海洋与大气变化与全球气候变化的关系,先后开展了12次主 252 极地研究 第 35 卷 要以“雪龙”号、“雪龙 2”号科学考察船为平台的北冰洋区域综合考察,获得了一批有价值的科学研究数据。其中在我国组织的第 2 次北极科学考察中,科考人员布放了两套极区卫星跟踪浮标,该浮标布放在北极高纬度的海冰上,成功将极区采集到的水文及气象等数据远程传输至国内,开创了我国浮标观测系统北极高纬度地区应用的新记录8。在我国第 4 次北极科学考察中,科考人员成功布放一套物质平衡浮标,并在中国第 5 次北极科学考察中布放了我国首个极区海气耦合浮标,该浮标可以实现对海气热通量、海洋对流混合等重要海气耦合参数进行观测9。随后中国第 6次北极考察期间首次在高纬度海域布放锚碇海气浮标,该浮标可进行定点温湿度、长波辐射、风速等数据的连续观测10。中国第 7 次北极科学考察期间共布放40个冰基浮标,获取了大量的海冰观测数据6。中国第 9 次北极科学考察期间布放 2套无人冰站、3 个海洋剖面浮标等,这是我国科考人员首次成功布放无人冰站系统,该系统可实现对大气、海冰、海水的持续观测,为研究北极地区气-冰-海界面相互作用过程及其对海洋环境的影响提供观测数据11。课题组在我国第 6 次、第 7 次、第 8 次北极科学考察期间分别布放 9 套、12 套、3 套海冰物质平衡浮标,在我国第 9 次北极科学考察期间布放 15 套海冰漂移浮标和 10 套海冰物质平衡浮标,在我国第10次北极科学考察期间布放3套海洋漂移浮标,在我国第 11 次北极科学考察期间布放 3套物质平衡浮标和 4 套海冰漂移浮标,在我国第12 次北极科学考察期间布放 4 套物质平衡浮标、4 套海冰漂移浮标和 1 套海冰影像浮标,获取了大量的北极海冰、海洋环境监测数据。极地浮标总是围绕不同的科学问题进行设计与研发,随着科技的发展,冰基浮标越来越多地被应用于极地的观测中,成为组建极地观测网的重要组成部分,但值得注意的是,我国历次北极科学考察中应用的极地浮标,如极区卫星跟踪浮标、物质平衡浮标、极区海气耦合浮标、锚碇海气浮标、无人冰站系统等浮标设备均缺乏对北冰洋声场特性的观测,开展极区海冰生消过程对冰下水环境和声学特性影响的研究需要大量的现场 观测数据,针对目前我国缺乏可以长期观测北冰洋声学特性观测设备的现状,本文研发设计了极区冰下浅表层声学监测浮标系统,该系统以单片机为主控制器,将大气压力传感器、空气温湿度传感器、海冰温度链、GPS 模块、温盐仪、矢量水听器以及远程通讯模块等进行开发与集成控制,实现对气-冰-海界面环境参数及三者相互作用物理过程的监测,并实时传输各传感器参数及冰下浅表层声学特性数据;通过对铱星通讯模块的二次开发,可以实现极区与国内监测平台的双向通讯,根据极地实际环境与系统的工作状态合理更改各个传感器的传输频次以获取系统更长的工作时间;该系统有助于填补我国在北极地区声学特性数据的空白,实现极区环境的无人值守自动监测。1 极区冰下浅表层声学监测浮标系统 1.1 系统组成 极区冰下浅表层声学监测浮标系统主要由主控制模块、供电模块、数据采集模块、数据远程传输模块、远程监控中心五部分组成。系统框图如图 1 所示,主控制模块能够适应北极的低温环境,并且满足系统低功耗的设计要求。供电模块锂电池组的总容量达 1500 AH,为整个浮标系统的正常运行提供所需要的电能。数据采集模块主要分为冰上监测和冰下监测两部分:冰上监测主要完成对空气温度、湿度、大气压力的监测;冰下监测主要完成对不同层位海冰、海水温度,固定层位海水温度、电导(盐度、声速、密度)以及声学特性的监测,其中矢量水听器每隔 2 h 进行一次声学特性数据采集,其他传感器每隔 1 h 系统都会对各项参数进行一次采集。数据远程传输模块由铱星远程通讯模块组成,对数据进行采集后,主控芯片通过铱星模块将采集到的数据发送至国内的监控中心,铱星远程通信模块传输数据时,功耗较大,为了降低系统功耗,铱星模块仅在需要发送或接收数据时供电,无指令执行时进入低功耗状态,等待下次中断唤醒主控制器执行命令。远程监控中心由网络交换机和铱星通信终端组成,通过网络线缆连接互联网。第 2 期 李聪克等:极区冰下浅表层声学监测浮标系统研发与应用 253 图 1 系统框图 Fig.1.System block diagram 1.2 声学监测浮标标体组成 极区冰下浅表层声学监测浮标的标体结构主要由传感器支架、主机舱、控制舱、浮力材和电池舱等五部分组成12。由于浮标系统在气候条件极其恶劣的北极地区应用,且安装于海冰较厚、海冰强度较高的北极高纬度冰区,受极区海冰消融的影响,标体结构很容易受到海冰的挤压和浮冰的碰撞,因此在浮标体机械结构的设计中,不仅需要保证浮标体的稳定性、水密性和抗腐蚀性,还需要增加标体的抗挤压能力,提升浮标体的结构强度。声学浮标的标体结构如图 2a 所示,各个传感器在声学浮标系统上的连接位置如图 2b 所示。由图 2 标体设计模型图可以看出,传感器支架上搭载温湿度传感器、大气压传感器、GPS、铱星天线以及铱星 Sailor 4300 模块;Sailor 4300的主机位于传感器支架下方的主机舱内,主机舱的侧壁通过水密接插件和线缆连接海冰温度链;系统主控制模块置于控制舱内;浮力材设在控制舱外围进而方便该系统布置在冰面上,即使后期冰面融化,浮力材也可继续提供浮力使得主机舱和铱星天线始终位于水面上方,从而使得系统可以不间断地进行测试并实时将观测数据传输到国内;由于北极外界环境温度与冰下海水温度存在巨大差异(冬季温差可达 10),考虑到低温环境对锂电池放电性能的影响,将电池舱设置在浮力材的下方,布放在冰面以下的海水中,从而为锂电池组提供相对较高的温度环境,避免因环境温度过低而影响锂电池组的放电性能。电池舱的底部通过水密接插件和线缆连接温盐计 1(CT1)、温盐计 2(CT2)和矢量水听器。2 系统硬件电路设计 2.1 主控制器模块与供电模块 本系统采用德州仪器公司生产的微处理器MSP430F5438A 作为主控芯片,它最大的特点是具有极低的功耗,只需1.83.6 V的直流供电电压,在 3 V 电压供电、芯片待机模式下的电流低至2.1 A,3 V 电压供电、芯片关断模式下的电流仅为 0.1 A。该单片机具有丰富的 I/O 接口和串口资源,具有 4 路串行通信接口、8 路串行外设(SPI)接口、4 个内部集成电路(I2C)总线13-14。本系统以单片机为核心控制器,在其外围扩展各种传感器数据采集、数据远程通讯等资源,控制板结构图如图 3 所示。由图 3 可以看出,该主控制板以低功耗控制芯片 MSP430F5438A 为核心,集成了模数采集单元、定时器、SP706 看门狗、串口通讯等,主控 254 极地研究 第 35 卷 图 2 标体设计模型。a)标体结构图;b)系统连接图 Fig.2.Buoy design model.a)buoy structure chart;b)system connection diagram 图 3 控制板结构图 Fig.3.Diagram of control board structure 制板通过多路 RS232、RS485、AD 接口及多个 I/O口从而实现对外围电路、各个数据采集模块和数据远程传输模块的通讯和控制。供电模块由 5块 300 Ah的锂电池组和电压转换模块组成,由于系统需要多个不同电压等级的电压,所以需要 DC-DC 降压模块为不同设备供电。如主控制板所需电压为 3.3 V,温度链、CT、温湿度传感器所需电压为 12 V、大气压力传感器、矢量水听器所需电压为 5 V,数据远程传输模块铱星 9523、Sailor 4300 所需电压分别为 5 V、第 2 期 李聪克等:极区冰下浅表层声学监测浮标系统研发与应用 255 12 V。DC-DC 降压模块选用 LM2596,该芯片可以输出 3 A 的驱动电流,同时具有很好的线性和负载调节特性。设计 DC-DC 降压模块的电路图如图 4 所示。图 4 DC-DC 降压模块电路图 Fig.4.Circuit diagram of the DC-DC buck module 2.2 数据采集模块 数据采集模块由空气温湿度传感器、大气压力传感器、海冰温度链、矢量水听器、温盐计等组成。其中空气温湿度传感器、海冰温度链、矢量水听器所采集的数据通过串口通信 RS485 回传至主控制器,RS485 总线采用差分信号负逻辑,抗共模干扰能力强,接口信号电平较低,且该电平与 TTL 电平兼容,方便与 TTL 电路连接。大气压力传感器、GPS、CT1、CT2 所采集的数据通过串口通信 RS232 发送至主控制器,RS232 接口信号线的电压均为负逻辑关系,数据传输速率较低,接口信号电平值较高,且该电平与 TTL 电平不兼容,因此需要增加电平转换电路以实现与TTL 电路的连接。RS485 通信模块的电路图如图 5所示,RS232 通信模块的电路图如图 6 所示。2.3 数据远程传输模块 本系统采用铱星远程通讯的手段收发数据,图 5 RS485 串行通信模块 Fig.5.RS485 serial communication module 图 6 RS232 串行通信模块 Fig.6.RS232 serial communication module 铱星系统是由 66 颗环绕地球的低轨道卫星网络组成的全球卫星移动通信系统,它的终端是手持电话机,可利用铱星网络拨出、接收电话讯号以及数据通讯,其最大的优势便是通信范围可以覆盖常规通信手段无法使用的北极地区15-16。不过需要注意的是,由于矢量水听器单次采集原始数据的数据量达 3 Mb,远大于其他传感器单次采集的数据量的总和(2 Kb),为保证数据远程传输的 256 极地研究 第 35 卷 稳定性,采用Iridium 9523模块(上行速率1960 Bytes)回传水听器原始数据外其他传感器的数据,水听器的原始数据采用拥有更高带宽 IP 链路的 Sailor 4300 模块(上行速率 176 kbps)进行回传。在本系统中,主控制器模块通过 9 线 RS232 串口向铱星模块发送 AT 指令集,实现 SBD 业务。铱星 9523模块如图 7 所示,铱星 Sailor 4300 模块如图 8所示,铱星模块的电路如图 9 所示。图 7 铱星 9523 模块 Fig.7.Iridium 9523 module 3 系统软件设计 3.1 系统主程序设计 系统主程序的设计是整个软件程序设计中的核心部分,主程序负责调用系统所有硬件资源完成对数据的采集、处理、发送等一系列工作16。系统软件基于 IAR Embedded Workbench For MSP430 软件开发环境,采用 C 语言编写,程序主要实现各个传感器数据的采集存储、定时器的中断、I/O 口控制、异步串行通讯以及数据的远程传输等。主程序的控制流程如图 10 所示。图 8 Sailor 4300 模块 Fig.8.Sailor 4300 module 系统主程序的流程主要分为:(1)硬件初始化,在系统上电复位配置中断服务函数后,完成对单片机各个硬件 I/O 口、定时器、I2C、串口及相应模块功能的初始化;(2)中断检查,检查主控制器的中断功能,开启时钟中断与串口中断;(3)数据采集,各数据采集模块上电,完成数据采集,对经过完整性检验后的数据进行打包、存储;(4)数据传输,铱星 9523 模块上电,远程传输数据,大功率铱星远程传输模块上电,远程传输声学原始数据;(5)进入休眠状态,在完成数据的远程传输后,清除中断标志,关闭中断,单片机进入休眠状态等待程序的下一次开始,在执行中断程序的过程中,严格控制不同模块的开断,尽可能减少系统的功耗,保持系统的低功耗运行。3.2 声学特性数据采集程序设计 矢量水听器在实际工作过程中,可分为正常工作状态、异常工作状态以及休眠状态。这三者之间分属不同的功能处理单元,通过专用通信接口相互连接,实现信息交换,保障系统高效可靠 图 9 铱星模块电路图 Fig.9.Iridium module circuit diagram 第 2 期 李聪克等:极区冰下浅表层声学监测浮标系统研发与应用 257 图 10 主程序控制流程图 Fig.10.Flow chart of main program control 运行。矢量水听器处于正常工作状态时,需要通过主控制器定时进行状态检测,并实时记录原始数据,处理目标信息。水听器默认工作方式为:每 2 h 唤醒,采集 10 min。考虑到水听器自身状态信息和观测数据均只能通过主控器传输,同时考虑到节省能源,因此水听器与主控器间采用串口通信,且将水听器与主控器的通信的数据量控制在 10 分钟 3 Mb 内。声学特性数据采集的具体工作流程如图 11 所示。3.3 远程通讯控制程序设计 考虑到本系统安装在极区后不便于再对其进行程序修改和人工维护,为了实现极区与国内监控中心的双向通讯,对铱星通讯模块进行二次开发,设计远程通讯控制程序,这样在系统布放于极区后,我们可以根据极区的实际环境与系统的工作状态发送远程控制指令合理地控制系统各个数据采集模块的采集频次,降低系统功耗以获取更长的系统存活时间。远程通讯控制程序的流程图如图 12 所示。远程通讯控制指令的数据包通过邮箱或 IP地址发送至铱星卫星,铱星卫星通过识别数据包指令的铱星号发送至极区系统的铱星模块,当发送多条数据包时,数据包在铱星网关进行排队,当系统铱星模块从铱星网关读取数据指令时,优先读取排队序号靠前的数据包,分析数据包指令后执行相应的指令。系统所用的部分指令信息如表 1 所示。3.4 远程监控中心设计 本系统的国内监测平台采用 JavaScript 语言、MySQL 数据库和 Navicat Premium 等进行设计。当极区采集的数据远程传输至国内服务器后,根据浮标系统各个数据采集模块的数据协议,通过JavaScript 程序对数据进行解码处理,将 16 进制的原始数据转换为 10 进制数据,JavaScript 入库程序将解码后的数据存储至 MySQL 数据库中。Navicat Premium 是一个可以创建多重连接的数 258 极地研究 第 35 卷 图 11 声学特性数据采集与控制的流程图 Fig.11.Flow chart of acoustic characteristics data acquisition and control 据库管理工具,它可以让用户连接到任何本机或远程服务器,同时支持 MySQL 数据类型、支持 MySQL 服务器的 SSL 安全连接、支持MySQL 服务器的 BTREE 及 HASH 索引方法、支持返回多个结果集的查询、存储过程等。Navicat Premium 远程监控中心界面如图 13所示。4 系统的国内试验和极区现场验证 4.1 国内高寒场地试验 为了验证系统能否在低温恶劣环境下正常工作,课题组成员于 2021 年 1 月 21 日在山西太原市汾河二库湖面中心区域进行野外湖上试验(图14),并对标体结构、系统布放流程、各个传感器低温恶劣环境下参数的采集、数据远程通讯等进行重点验证。湖上试验的测试时间为2021年1月21日11:00至 2021 年 2 月 1 日 10:00(11 天整),布放位置为112.367E、37.978N,试验期间矢量水听器每隔2 h 采集一次,其余数据采集模块均每隔 1 h 采集一次,期间由于铱星网络问题对矢量水听器进行过两次断电调试,具体的数据传输情况如表 2所示。第 2 期 李聪克等:极区冰下浅表层声学监测浮标系统研发与应用 259 图 12 远程通讯控制程序的流程图 Fig.12.Flow chart of remote communication control pro-gram 表 1 指令信息 Table 1.Instruction information 帧头 指令码 2 Byte数据 备注 0 x5A 0 x00 无效 立即回传水听器数据 0 x5A 0 x01 无效 立即采集传感数据 0 x5A 0 x02 时间数据 设置水听器采集频次 0 x5A 0 x03 时间数据 设置传感器采集频次 0 x5A 0 x04 无效 读取数据设置 0 x5A 0 x05 无效 取消采集 湖上试验期间矢量水听器采集的部分原始数据如图 15 所示。由表 2 可以看出,湖上试验期间矢量水听器在数据传输过程中存在数据丢失问题,这主要是由于在野外山中 Sailor 4300 铱星网络信号不够稳定,个别时段邮件接收不完整所导致的,试验期间矢量水听器只采用 Sailor 4300 远程传输数据,针对 Sailor 4300 铱星网络可能出现的信号问题,设计出本文的数据远程传输方案,即改用 Sailor 4300 和铱星 9523 模块同时传输矢量水听器数据,为矢量水听器的数据传输提供双重保障。由图 15可以看出,试验期间矢量水听器原始数据的数据量正常,时域波形符合正常变化规律,数值大小符合正常范围。为期 11 天的湖上试验,充分验证了系统各个模块可以在低温恶劣的环境下正常稳定运行。4.2 极区现场布放与观测数据 4.2.1 极区布放情况 本系统于 2021 年 8 月 9 日在中国第 12 次北极科学考察任务中搭载“雪龙 2”号顺利完成布放,布放位置为 86.3029E、85.7463N。系统搭载的各个数据采集模块的具体布放位置如表 3 所示,现场布放情况如图 16 所示。图 13 远程监控中心界面图 Fig.13.Interface diagram of remote monitoring center 260 极地研究 第 35 卷 图 14 湖上试验 Fig.14.Experiments on the lake 表 2 数据传输情况 Table 2.Data transmission condition 数据采集模块 空气温湿度传感器 大气压力传感器海冰温度链 温盐计1 温盐计2 矢量水听器 应收 264组 264组 264组 264组 264组 121组 实收 264组 264组 264组 264组 264组 106组 数据传输率 100%100%100%100%100%87.6%4.2.2 现场回传数据说明及简要分析 本系统的有效数据范围自 2021 年 8 月 9 日8:00 至 2021 年 11 月 22 日 23:00,时长 105 天 16小时,系统使用寿命满足不低于 3 个月的设计指标,其中气象观测模块共收到 2536 组数据,每组数据包括温度、湿度、大气压等 3 项数据;海冰温度链传感器共收到 2536 组数据,每组数据包括 200 个温度数据;温盐计 1、温盐计 2 均收到 2536 组数据,每组数据包括温度、盐度、电导率等数据;矢量水听器共收到 1268 组数据,每组数据包括声压自功率谱、声压与水平振速互谱、声压与垂直振速互谱等数据。通过系统在北极现场的实际应用情况可以看出,系统搭载的各项传感器均超额 17.4%完成设计指标,系统搭载传感器的设计指标及实际完成情况对照表如表 4 所示。第 2 期 李聪克等:极区冰下浅表层声学监测浮标系统研发与应用 261 图 15 水听器原始数据。a)声压原始数据;b)水平振速原始数据;c)垂直振速原始数据 Fig.15.Original data of hydrophone.a)raw sound pressure data;b)raw data of horizontal vibration velocity;c)raw data of vertical vibration velocity 表 3 数据采集模块具体布放位置 Table 3.Layout positions of data collection modules 数据采集模块 空气温湿度传感器 大气压力传感器海冰 温度链 温盐计1 温盐计2 矢量 水听器 布放位置 冰上1.5 m 冰上1.5 m 气-冰-海垂向廓线6 m冰下5 m 冰下10 m 冰下5 m 图 16 系统在北极的布放 Fig.16.System placement in the Arctic 虽然本系统能够满足基本的观测需求,但部分现场回传数据仍存在一些问题。例如布放后,声学特征数据存在数据重发、多发问题,这极大增加了数据通讯费用,分析原因发现:数据重发率与铱星 9523 单次发送字节数近似成正比关系,即便铱星 9523 允许单次发送 1960 字节,但由于极地环境下铱星信号无法始终处于良好状态,应尽量减小单次发送数据的时间,即减少单次发送字节数以减少此类问题的发生,同时本系统在 MCU 控制策略中加入了自适应信号策略,系统单次发送数据量与近期卫星信号相关,当近期信号强度很弱时,采用相同字节更多包数发送,有效减少数据重复发送率,降低铱星通讯费用。262 极地研究 第 35 卷 表 4 传感器设计指标及实际完成情况对照表 Table 4.Comparison of sensor design index and actual completion 设计指标 完成情况 项目 技术要求 采样模式 每日数据量数据总量技术要求采样模式每日数据量 数据总量温湿度传感器 不低于3个月1次/小时 24组 2160组 105天 1次/小时24组 2536组 大气压力传感器 不低于3个月1次/小时 24组 2160组 105天 1次/小时24组 2536组 海冰温度链 不低于3个月1次/小时 24组 2160组 105天 1次/小时24组 2536组 温盐计1 不低于3个月1次/小时 24组 2160组 105天 1次/小时24组 2536组 温盐计2 不低于3个月1次/小时 24组 2160组 105天 1次/小时24组 2536组 矢量水听器 不低于3个月1次/2小时 12组 1080组 105天 1次/2小时12组 1268组 将极区冰下浅表层声学监测浮标布放在北冰洋 GAKKEL 洋中脊地球物理调查区域的海冰上,系统随着海冰的漂移而不断运动,图 17 为系统的漂移轨迹图。由图 17 可以看出北冰洋GAKKEL 洋中脊区域海冰在 2021 年 8 月 9 日2021 年 11 月 22 日期间主要有两个运动方向,2021 年 8 月和 9 月中旬,海冰主要朝东南方向运动,9 月海冰运动方向发生变化,10 月后海冰运动主导方向转为西南方向,主要受北冰洋中心区穿极流控制。图 17 系统漂移轨迹 Fig.17.System drift trajectory 极区气象观测数据的采集时间间隔为 1 小时/次,由气象参数变化图(图 18)可以看出,气温变化范围为30.00.05,整体上呈现逐渐降低的趋势,相对湿度变化范围为 74.20%98.60%,且同样整体上呈下降趋势,这与海冰由融化季节进入冻结季节的季节变换相吻合;系统布放地的大气压在 9351026 hPa 范围内波动,无明显的变化规律。海冰温度链17由 200 个温度传感器组成,每两个相邻传感器之间间隔 3 cm,总长 6 m,温度检测单元贯穿空气、冰面、水层,海冰温度链观测数据的采集时间间隔为1小时/次,图19为温度链的温度剖面变化图,由图 19 可以看出,温度廓线带有明显的日变化特征,且随着海冰融冻季节的转换,气-冰界面的温度显著降低,最低可达30左右,在海冰内部以及冰下海水中,温度变化幅度很小,基本维持在2.01.7之间。温盐计完成对水温、盐度的测量,温盐仪观测数据的采集时间间隔为 1 小时/次。系统搭载两个布放在不同层位的温盐仪,其中温盐计 1 第 2 期 李聪克等:极区冰下浅表层声学监测浮标系统研发与应用 263 图 18 气象参数变化曲线。a)气温变化;b)湿度变化;c)大气压变化 Fig.18.Variation curve of meteorological parameters.a)temperature variation;b)humidity change;c)atmospheric pressure change 图 19 温度剖面变化图 Fig.19.Temperature profile change diagram 264 极地研究 第 35 卷 布放在冰下 5 m 的近表层处,温盐计 2 布放在冰下 10 m 的远表层处,提取温盐计采集的温度和盐度数据并绘制其变化曲线,如图 20 所示。可以看出,温盐计 1 的温度在1.8251.575之间波动,温盐计 2 的温度在1.8251.625之间波动,两个不同层位温盐计的温度相差不大,且均呈现降低的趋势,这和季节转换相吻合;温盐计 1、温盐计 2 的盐度均在 32.733.5 之间波动,两个不同层位温盐计的盐度相差不大,由于海冰由融化季节转入冻结季节,可以看出海冰融冻过程造成的盐度有先降低而后增加的变化趋势。图 20 温盐计数据变化曲线。a)温度变化;b)盐度变化 Fig.20.Change curve of temperature and salinity.a)temperature variation;b)salinity change 矢量水听器为 3 路输入,分别为声压通道、水平振速通道和垂直振速通道,计算声压的自功率谱密度、声压与水平振速的互谱密度、声压与垂直振速的互谱密度,单位为 Hz。矢量水听器每 1 min 处理 1 次结果,连续处理 10 min 的数据,将处理结果、磁罗经结果回传,每 2 h 完成 1次该过程。由于冰下环境噪声具有很强的时空变异性,对于同一地点、气候,环境噪声会随时间而发生变化,长时间的观测则可以看出它的变化趋势。为了对各个观测时段的功率谱级特性进行对比分析,对矢量水听器 3 个月的数据进行处理,得到所有观测时段的功率谱级图,利用统计处理的手段,在所有时段中挑选出最大的谱级图、最小的谱级图和谱级的平均值进行对比,由图21可以看出,声压自功率谱谱级最大值能达到 71 dB(10 Hz 处),最小值能达到 50 dB(1280 Hz 处);声压与振速互谱谱级最大值能达到77 dB(10 Hz处),最小值能达到 40 dB(2560 Hz 处)。5 结论与展望 本文研发设计和实现了一种可用于远程监测和大数据传输的极区冰下浅表层声学监测浮标系统,通过对标体结构设计、各个模块的开发与集成测试、国内高寒场地野外试验以及该系统在极区现场应用,尤其是本系统在中国第12次北极科学考察任务中顺利通过现场应用,可以得到如下结论。1.极区冰下浅表层声学监测浮标系统,填补了我国在北冰洋高纬度地区缺少长期连续水声学监测设备的空白。通过北极现场验证,系统运行稳定可靠,实现了对大气环境、冰下水文环境和浅表层声学特性数据的长期连续采集。2.采用铱星 9523 和 Sailor 4300 两种数据传输方式相结合的数据传输方案,实现了北极恶劣环境中水声数据的有效传输。矢量水听器原始数据因数据量大、传输耗时长而采用大功率的Sailor4300 传输数据,而水听器的特征值数据和其 第 2 期 李聪克等:极区冰下浅表层声学监测浮标系统研发与应用 265 图 21 功率谱最大值、最小值和平均值对比。a)声压自功率谱;b)声压与水平振速互谱;c)声压与垂直振速互谱 Fig.21.Comparison of maximum,minimum and average power spectrum values.a)sound pressure self-power spectrum;b)cross spectrum of sound pressure and horizontal vibration velocity;c)sound pressure and vertical vibration velocity cross spectrum 他传感器的数据则采用铱星 9523 进行数据传输,保证了数据传输的稳定性。3.系统所获取观测数据系国内首次获得的北冰洋高纬度海域冰下浅表层的声学特性数据。这表明该系统的各项科学载荷观测功能能够正常、稳定且长期地实现。该系统在未来的升级完善过程中,可优先考虑以下几个方面。首先,可在系统功耗和标体材料上继续优化,使整套系统向小型化、轻型化方向发展。其次,电池舱的结构可进一步优化,本系统将电池舱布放在温度较为稳定的冰下海水中,在一定程度上降低了极区低温环境对锂电池放电效率的影响,在后续研发中,在此基础上可在电池舱内设保温层,进一步降低极区低温环境的影响。再次,本浮标标体目前的设计在海冰融化后无法长时间正常工作,未来可在浮标体结构、标体密封防水性能以及海冰融化后海冰温度链如何继续保持垂向剖面观测等方面进行技术升级改进,在控制制作成本的同时,实现系统在海冰融化后仍能长期正常工作。最后,由于目前在北极高纬度地区大多采用铱星通讯系统,通讯费用较高且近年来由于缺乏卫星的更新维护导致信号不稳定,随着北斗系统覆盖范围的扩展,后续研究中可采用北斗系统,以建立具有我国自主知识产权的数据远程通讯系统。本系统同时具有良好的扩展性,可针对需求增配矢量水听器或其他类型科学载荷,实现相应的环境参数数据获取。鉴于其技术的逐步成熟稳定以及成本优势等,该系统有望在将来北极海洋环境监测网建设中大量推广采用。266 极地研究 第 35 卷 参考文献 1 汪彪,所靖东,晋鹏,等.北极地区海洋环境军事利用及其战略思考J.黑龙江科技信息,2016(18):109-110.2 谭靖骞,曹宇,黄海宁,等.北极海域海洋环境噪声建模与特性分析J.应用声学,2020,39(5):690-697.3 李启虎,王宁,赵进平,等.北极水声学:一门引人关注的新型学科J.应用声学,2014,33(6):471-483.4 尹力,王宁,殷敬伟,等.极地水声信号处理研究J.中国科学院院刊,2019,34(3):306-313.5 殷敬伟,杜鹏宇,朱广平,等.松花江冰下声学试验技术研究J.应用声学,2016,35(1):58-68.6 陈超,李丙瑞,席颖,等.极地海冰浮标观测技术J.科学(上海),2021,73(3):23-28,4.7 雷瑞波.我国参与 MOSAiC 气候多学科漂流冰站计划的概况J.极地研究,2020,32(4):596-600.8 熊焰,张文良,崔琳.极区卫星跟踪浮标在北极科学考察中的应用J.海洋技术,2004,23(2):54-57.9 山东科学编辑部.海仪所等单位研制的极区海气耦合观测浮标成功布放挪威海J.山东科学,2012,25(5):57.10 矫玉田,赵进平,史久新,等.极区海洋锚碇测流系统的设计和布放J.海洋技术,2008,27(1):22-25.11 袁卓立,乐晓凌,陈家旺,等.海-冰-气无人冰站极地工作环境下的结构特性研究J.船舶力学,2021,25(8):1057-1065.12 崔凯彪,李丙瑞,窦银科,等.冰-海界面声学监测系统的设计与研发J.电子器件,2020,43(5):1152-1157,1172.13 章恒,窦银科,左广宇,等.基于 Iridium9523 的低功耗极地图像监控系统设计J.电子器件,2019,42(4):1018-1023.14 王德亮,张素伟.极区冰下温盐剖面实时观测系统设计与应用J.极地研究,2020,32(4):523-532.15 张虎啸,窦银科,陈燕,等.北极海-冰-气多参数自动监测系统设计与应用J.电子器件,2019,42(3):749-755.16 胡圣鹰,窦银科,马春燕,等.基于 Iridium 9602 的北极海冰综合监测系统的设计与应用J.现代电子技术,2018,41(20):127-131.17 章恒,窦银科,马春燕,等.极地多点低温低功耗高精度柔性温度链的设计J.传感技术学报,2019,32(5):681-687.Development and application of polar subglacial shallow surface acoustic monitoring buoy system Li Congke1,2,3,Li Bingrui2,Chen Yan1,Dou Yinke1,Zuo Guangyu1,Yang Bo1,Lu Tong1(1College of Electrical and Power Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China;2Pola