极地近岸海洋环境监测系统的研制及应用_王项南

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1、第30卷第2期海洋技术Vol.30，No.22011年6月OCEANTECHNOLOGYJun，2011极地近岸海洋环境监测系统的研制及应用王项南，刘松堂，石建军，田川，朱锐，麻常雷（国家海洋技术中心，天津300112）摘要：目前极地海洋环境监测只能采用船基调查方式在南极夏季进行，在国家“十一五”863计划的支持下，设计研制了极地近岸海洋环境自动监测系统，该系统能够对包括温度、盐度、深度、pH、有效光合辐照度（PAR）、氧化还原电位（ORP）、叶绿素、海流等在内的生态要素及动力要素进行自动长期监测。该系统布放在南极长城站近岸海域，获得了大量的连续监测数据

2、。文章主要介绍系统组成、结构设计、系统控制和系统通信以及现场试验情况等。关键词：极地；近岸；海洋环境；自动监测中图分类号：P714文献标志码：B文章编号：1003-2029（2011）02-0035-06极地作为地球系统的重要组成部分是全球气候变化的重要敏感区和驱动区。进行极地海洋环境的监测与研究，对于揭示极地海洋环境的快速变化及其对地球变化的响应与反馈作用具有重要意义。但是受极地恶劣气候条件的限制，目前对极地海洋环境的调查活动主要集中在南极无冰的夏季，采用传统的船基调查方式开展。由于海冰的限制，对极地冰下（或水下）观测手段还很缺乏，无法得到全年连续的监

3、测数据。这大大制约了对相关海洋科学过程的深入研究。为了能够深入了解极地海洋的物理和生物学过程，分析生态系统与环境快速变化之间的相关性，以我国南极长城站近海作为图1系统示意图试验区，研制了一套适用于极区的站基海洋动力和生态环境自动监测系统，并分别于2009年11月—2010年1月、2010面测量部分主要由第一层剖面测量单元、第二层剖面测量单年11月—2011年1月随中国第26次、第27次南极考察队元、第三层剖面测量单元组成，其中第一层剖面测量单元、第在南极长城站长城湾海域进行了布放和运行。二层剖面测量单元固定在承重缆上对温度、盐度、深度、叶绿素、PAR、O

4、RP和pH七个参数进行测量，第三层剖面测量单1系统组成元固定在坐底平台上对温度、盐度、深度三个参数进行测量。坐底测量部分即测量海流的ADCP，固定在坐底平台的常平架上。水下测量系统的示意图如图2所示。系统按功能分为水下测量系统、数据传输和供电系统、数据接收系统三部分。水下测量系统对包括温度、盐度、深度、pH、有效光合辐照度（PAR）、氧化还原电位（ORP）、叶绿2结构设计素、海流在内的生态要素及动力要素进行长期连续监测；数据传输和供电系统即数据传输和供电电缆，由岸站实验室引系统的结构设计主要包括系留部分及控制舱的设计。系出经桥架进入潮间带预埋管，之后沿着

5、海底连接到水下数据留部分包括坐底平台、Kevlar承重缆、主浮体、释放机构、常采集系统，主要负责岸站到水下测量系统的供电传输，并将平架以及系统连接装置。水下测量系统采集的数据传至岸站实验室的上位机；数据接2.1系留部分的设计收系统由上位机及数据采集软件组成，负责定时从水下测量2.1.1坐底平台系统读取监测数据（系统示意图见图1）。坐底平台有锚定整个系统、安装常平架、控制舱、释放机水下测量系统由剖面测量部分和坐底测量部分组成。剖构等功能。为保证系统的稳定，坐底平台必须有足够的重量。但是考虑系统布放和回收的难度，坐底平台不宜过重。坐底收稿日期：2011-03

6、-22平台采用“天圆地方”的框架结构，材料选用316L不锈钢棒。基金项目：国家高技术研究发展计划（863计划）资助项目平台上除了安装用于固定ADCP的常平架外，还要固定释放（2007AA09Z121）36海洋技术第30卷控制舱（见图4）用来放置控制电路、数据采集电路等。控制舱外壳选用耐腐蚀的聚甲醛材料，控制舱的设计考虑了耐压、密封等问题。同时，由于控制电路放置于舱内，故控制舱内部结构设计采取了防电磁干扰措施。图4控制舱系统的结构设计完成后，其水下工作平台示意图如图5图2水下测量系统示意图所示。机构、控制舱等。根据力学计算结果，通过增减锚块调节坐底平台的沉

7、重。2.1.2常平架常平架又称万向环，由底盘、外转环、内转环、转轴和连接板四部分组成（见图3）。本系统中常平架内置于坐底平台的顶部，其上固定ADCP，通过沿两个垂直的转轴旋转保持ADCP竖直工作姿态。常平架的材料选用316L不锈钢，其表面进行防腐喷涂处理。图5坐底平台及其搭载设备3系统控制3.1控制电路原理图系统采用单片机实现测量系统的电源控制和数据采集功能。电缆数据传输采用串行通信的方式，由于是长距离（传输距离1km）传输，综合考虑选用RS485总线实现系统数据传输。图3常平架及ADCP系统的测量传感器包括第一层的SBE16-A，第二层的SBE16-B

8、以及底层的SBE37和ADCP。测量数据通过双4通2.1.3连接装置道的模拟开关