什么是水下海洋观测？

无人潜航器

无人潜航器与载人潜水器相比，具有造价低和安全等特点，能长时间在压力很大的海底工作，可用于海洋调查、海底矿藏开发、水下工程施工、海上救助打捞、清理航道、水产养殖以及军事和国防施工等领域。无人潜航器通常由潜水器、收放系统和水面控制装置组成，根据控制方式的不同，无人潜航器可分为遥控式、自主监控式和智能式等。当前，无人潜航器已从有缆控制式发展到无缆自主式和智能式，自主式无缆无人潜航器（AUV）是当前发展和应用很快的一种，与有缆无人潜航器不同，AUV能自带电源，可在水下自由航行，在海洋开发和军事上有广泛的应用前景。世界上有十几个国家正在从事无人潜航器研制，包括美国、英国、法国、德国、意大利、日本、加拿大、俄罗斯、韩国和澳大利亚等，美国、挪威、俄罗斯、日本和西欧等国处于领先地位。

1993年，在美国国家学基金会资助下，伍兹·霍尔海洋研究所研制成自主式深海海底AUV“探索者”，系统动力具有低能耗特征，初始试验时采用胶质电介质铅酸电池，执行小范围短时间调查作业使命时采用碱基电池，执行大范围长时间调查作业使命时采用锂基电池，续航时间50h，总航程可达30km，系统配置有满足精密导航摄影需要的光学成像传感器，以及水下摄像机（单色两台，彩色CCD一台）和深度计。该系统可潜至6000m执行深海海底科学调查任务，通过30kHz信标回归母船。

1994年，美国海军制定了新一代先进无人潜航器的研制计划，即“海军UUV主计划”，旨在发展能遂行水下侦察、搜索、通信、导航、猎雷和反潜等任务的自主式无人潜航器。2005年1月21日，在已经取得初步成果的基础上，美国海军公布了经过大规模修订后的升级版的“海军UUV主计划”，重新设定了无人潜航器的使命任务以及海军希望它所具有的能力，同时指明了工业部门的发展方向。

美国最具有代表性的水下无人航行器是WHOI研制的“远程环境监测装置”（REMUS），REMUS是一种低成本的近海环境调查监测和多任务作业平台，研究经费得到美国海洋大气局和海军研究署的支持，在军事上主要用于水雷探查、目标监测、情报搜集和军事海洋学研究。RE－MUS长1．32m，直径19cm，工作深度150m，空气中自重31kg（铅酸蓄电池），在水中时处于中性浮力，航速4节时的潜航周期为14h，三个推进马达产生0．68kg推力，能以4节的航速在10h内完成74km的航程，电源工作电压24V，输出功率32W，动力源是可充电的铅酸密封蓄电池或锂电池。REMUS搭载的设备主要有侧扫声纳前视声纳（DIDSON）、CTD和ADCP、视频浮游生物记录器、浮游生物泵、辐射计、生物荧光计、荧光计、光学后向散射计OBS以及浊度传感器等。

日本在该研究领域不甘落后，已经为无人潜航器的研发投入了数亿美元，技术已达到世界领先水平，但日本研制的无人潜航器主要用于民用的深海开发，极少用于军事领域。日本国际电信电话公司（KDD）研制成功能潜航至水下1000m，进行调查海底和海底电缆的新型水下机器人“水下探索者1000”号（简称AElOO0）。AE1000能独立搜索到海底电缆，后连续追踪电缆踪迹，并记录下电缆情况，内装有传感器、微型计算机和蓄电池，其中，传感器主包括：水压传感器，用于反映潜航深度，判断自己行动；方位传感器，测量船首方向；高度传感器，测量海底表面高低；姿态传感器，测量本身运动；声纳，探察周围障碍物；多普勒声纳，用于识别自身航迹等8台设备，这些设备可使AE1000能沿着预定航线进行z字形高难度航行。

海底观测网海洋科学正经历着从海面作短暂的“考察”到海洋内部作长期“观测”的明显变化。如果把地面与海面看作地球科学的第一个观测平台，把空中遥测遥感看作第二个观测平台，在海底建立的观测系统，将成为第三个观测平台。海底观测系统是指把观测平台布设到海底，既能向下观测海底，又能通过锚系观察大洋水层，还可以投放活动深海观测站。海底观测网已逐渐成为观测海洋和地球过程的第三种平台，将成为今后理解和预测海洋过程的主要观测方式之一。

1998年，美国和加拿大合作建立深海长期观测网，即海王星计划（NEPTUNE），在2007年投入运行。NEP－TUNE设在水下约3000m的海床上，用长达3000km的光缆线连接着20～30个观测站，每个观测站可能还有支路延伸至几千米远的各种仪器，可以长期观测海洋内部和海底各种物理、化学、生物和地质过程，使用年限至少20～30年。关键设备包括：潜标、CTD、ADCP、人工磁场海流计、波浪传感器、光源和相机、营养盐测量仪、地震仪，还有ROV、AUV、ROVER。其中，ROV用于水下仪器和网络的布放、安装和维护；AUV用于数据的转驳和能源的补充；ROVER用于各节点之间的空白区的观测。网络设计中，有“即插即用”接口，使仪器的更换和新仪器的使用更为方便。

NEPTUNE的建设目标是在整个胡安德富卡板块上安装3000km长的光缆网。安插在网络节点处的观测站将成为海洋学家提供多学科的探索空间，还可成为太平洋西北部地区的早期地震预警系统。科学家们认为，NEPTUNE计划将从根本上改变人类研究海洋与地球的方式。2003年10月，加拿大宣布为该项目投资4750万美元。同时，美国和加拿大已经为作为该计划试验平台的两个小型光缆观测站提供了资金支持：一个是维多利亚海底实验网络（VE－NUS），另一个是蒙特利加速研究系统（MARS），计划在加拿大蒙特利湾设立观测站。它们将使科学家更加密切地监测海岸周围的水域，同时也为开发NEFFUNE技术提供广阔的舞台。

欧洲ESONET的目标是探索在大西洋与地中海沿岸兴建海底网络系统的可能性。与NEPTUNE不同，ESO－NET将承担一系列科学项目，诸如评估挪威海海冰的变化对深水循环的影响以及监视北大西洋地区的生物多样性和地中海的地震活动等。计划20年后，ESONET将具备监视整个欧洲的强大能力。

海底长期科学观测系统具有广泛的应用前景，不仅有助于促进我国海洋科学和技术的发展，而且可应用于海洋环境监测和减灾防灾预警、海底资源开发和海上重大工程监测等方面，同时对于发展海洋高技术装备产业和维护我国主权和国土安全也具有重要意义。我国以同济大学为代表的相关单位已经启动国家海底长期科学观测系统的建设项目。在国务院2013年1月讨论通过的《国家重大科技基础设施建设中长期规划》中，“国家海底长期科学观测系统”项目建议被列为我国“十二五”期间优先安排的16个国家重大科技基础设施建设项目的首位。我国自主研制的海底观测网组网核心部件已于2011年顺利完成在美国蒙特利湾海底布放工作，正式与美国海底观测网络并网运行。

水下传感器网络

无线传感器网络是由密集型、低成本、随机分布的，集成有传感器、数据处理单元和无线通信模块的节点通过自组织方式构成的网络。借助节点中内置的多种传感器对人们感兴趣的各种现象进行探测，最终实现对现实世界实现全方位的监测与控制。也是下一代互联网远景规划中较为重要的组成部分。2003年2月，麻省理工大学主办的非营利性技术评论杂志将传感器网络总结为改变未来世界的十种新兴技术之一。而传感器网络出现不久由于其低成本、灵活性等诸多优点受到了各国海洋界的青睐，其应用的范围已经扩展到了海洋。

国外海洋传感器网络研究中最有影响力的当属美国海军的海网水下声学网络（Seaweb）。其目的是在军事上可构建可布放的自主分布系统，用于沿海广大区域的警戒、反潜战和反水雷系统，在民用领域可以实施控制、通信和导航功能，节点之间采用水下声学通信技术。Seaweb的实验开始于2000年，以后几乎每年都进行有针对性的实验，最近一次实验于2008年在美国长滩港进行，目的是测试新一代的声学调制解调器，水下有17个节点。欧盟在MAST（Marine　Science　and　Technology　Programme）计划的支持下也发展了一个系列化的水声通信网络研究计划。