Meteorological » Hydrological and Marine Instruments
第4期
2020年12月No. 4
Dec. 2020
陈 钊12，魏传杰12，陈 磊12，孙 毅12，赵张南12，刁新源12，潘 俊12
（1.中国科学院海洋研究所，青岛266071 ；.中国科学院海洋大科学研究中心，青岛266071）
悬臂支架
摘要：文章介绍了深海潜标的基本结构和布放的一般步骤，总结了船载ADCP 在布放过程
中的作用，通过其观测的流速流向可以计算布放的起始点、调整科考船航行状态以及预估重力 锚落地点，为潜标作业提供了技术参考。 关键词：科考船；潜标结构；潜标布放；船载ADCP 中图分类号:P716
文献标识码:A
文章编号:1006-009X （2020）04-0055-03
Application of shipborne ADCP in the deep-sea submersible buoy deployment
Chen Zhao 1'2 , Wei Chuanjie 12 , Chen lei 1'2 ,Sun Yi 12 ,Zhao Zhangnan 1'2 ,Diao Xinyuan 1'2 ,Pan Jun 12
(1. Institute of Oceanography , Chinese Academy of Sciences , Qingdao 266071 ； 2. Center for Ocean Mega-Sciences ,
Chinese Academy of Sciences , Qingdao 266071)
Abstract : This paper introduces the basic structure and deployment, steps of the deep-sea submersible
buoy ? summarizes the role of shipborne ADCP in the deep-sea submersible buoy deployment. The flow
speed and direction observed by ADCP can be used to calculate the initial point, of submersible buoy deployment 9 adj list the navigational status of the research vessel and predict, the landing location of
gravity anchor. The technical reference is provided for the operation of submersible buoy.
Key words :research vessel ; submersible buoy structure ; submersible buoy deployment.; shipborne ADCP
0引言
地源热泵系统潜标是一种新兴的海洋观测技术，大规模布放 潜标已成为远洋科考船的常规作业内容[1].潜标定
义为能够在海面以下进行长期海洋环境观测的锚系 系统，主要包括主浮球、多种海洋观测仪器、声学释 放器、重力锚和串联仪器的缆绳潜标的长度主 要由布放海区和研究内容决定，目前潜标的布放深
度从几十米到几千米不等，其观测的温盐和洋流等
数据具有高时空分辨力、长时间和高质量等特点[3].
船载声学多普勒流速剖面仪（Acoustic Doppler Current
Profiler, ADCP ）是海洋调查领域常见的测流设备，对
潜标布放过程有重要意义。ADCP 发射的声脉冲碰到
水体里的任何随流移动的悬浮体后产生后向散射信 号，被接收器所接收。由于悬浮体是随流移动的，因此 该后向散射信号含有多普勒频移，根据多普勒频移的 大小和方向，能算出海流的速度和方向，再利用时间门 限的原理，即能得出不同层次的海流数据4。
文章总结了深水潜标布放的重要步骤，并讨 论了船载ADCP 在布放过程中的应用，对潜标布
放作业的高效、安全进行有一定指导作用。
1船载声学多普勒流速剖面仪
在潜标布放过程中，浮球在水中受到浮力，从而
保持在水面附近的位置，所以表层海流的情况对潜 标布放作业有重要影响。文章讨论的是WHMariner
收稿日期：2020-02-10.
基金项目：国家自然科学基金项目“黄海中华哲水蚤空间细结构分布特征及其影响机制研究”（1806164）资助.作者简介：陈钊（990 ），男，硕士，工程师.主要从事海洋调查技术与设备研究工作.
・56・气象水文海洋仪器Dec.2020
型300kHz船载ADCP。该ADCP发射的声波频率高、量程小，但是精度高，可以满足对表层海流的观测需求。ADCP突破了传统流速仪机械转动的方式，用声波换能器作传感器，换能器发射声脉冲波，声脉冲波通过水体中不均匀分布的泥沙颗粒、浮游生物等反散射体进行反散射，由换能器接收信号，通过测定多普勒频移测算出流速。ADCP能够直接测出断面的流速剖面、不扰动流场，具有测验历时短、测速范围大等特点。目前被广泛应用于海洋和河口的流场结构调查以及流速和流量的测验等56］。WHMariner型船载ADCP主要技术指标和主要设置参数分别见表1和表2.
表1ADCP主要技术指标
技术内容指标
中心频率300kHz
波束数4
波束角与垂线夹角20°
换能器布局凸型结构，船体安装式
长期精度0.5%士0.5cm/s
最大剖面深度窄带模式175m；宽带模式138m
微弱信号检测深度单元数1〜128
深度单元长度1〜8m
测深精度<±2%X水深
测速精度0.4%X船速
表2ADCP主要设置参数
设置内容参数
盲区深度3m
铝钉机
层厚2m
层数80
采样间隔1s
2深海潜标布放
2.1布放准备
在潜标布放之前，应对该潜标结构进行详细地了解。潜标的常见结构为：最上层包括打捞浮球和主浮球，打捞浮球为单体玻璃浮球，在回收潜标时便于打捞，主浮球提供的浮力是保证潜标处于竖直状态的关键，其上加装2台向上和向下观测的ADCP；潜标中间部分是由缆绳串接的多种海洋观测设备和提供浮力的浮球；最下层包括声学释放器和重力锚。
科考船到达潜标预定布放位置后，沿着设定的航线航行，同时使用多波束测深仪对该海区的海底地形进行扫描.以图1的潜标布放区域为例，虚线箭头代表布设的测线和考察船的前进方向.利用多波束测深仪观测的数据绘制出该海区的地形图后，选择区域中相对平坦的位置作为潜标的预定布放区域，如图1中虚线方框所示.根 据潜标长度与地形选择一个合理的布放结束点，如图1中五角星位置.
15.03°
N
15.01°
14.99°
14.97°
129.96°4430.02。E
图1潜标布放区域
2.2布放过程
选取合理的布放起始点，使科考船从起始点到达布放点的航向（如图2箭头所示）与表层海流流向相反.当科考船到达布放起始点时，将潜标的主浮球系统吊放入水，根据实际情况调整科考船航行状态，同时进行潜标缆绳和设备投放.在到达布放结束点前，需将所有设备和缆绳投放到水中，科考船甲板仅保留重力锚，到达预定布放点后投放重力锚.根据布放区域水深，预估重力锚到达海底所需时间，经过这段时间后，科考船依次前往测距点1、2、3，对潜标系统中的声学释放器进行距离测量.以3个测距点为球心，各自所测距离为半径，生成3个半球体空间，3个半球的交点即为释放器的位置，即潜标的真实位置信息.
沁距点2
/
测距点
吉束点:
J测儒点3
图2布放过程
3船载ADCP的应用
3.1选取布放起始点
由于布放海区的水深超出船载ADCP的跟踪测量范围，所以采用科考船的速度计算真实的流速流向［7］.当潜标缆绳卷入科考船底部时，缆 绳可能与船体或螺旋桨接触，发生破损或断裂等情况，所以潜标缆绳应向科考船后侧运动.当科考船航向与表层海流流向相反时，水中的潜标标体受到表层海流作用，运动方向与科考船相反。设潜标缆绳的布放速度为©，可承受的最大布放速度为S max，船速为表层海流速度为仇，缆绳总长度为L，布放起始点与结束点之间的距离为
气门座镗床
第4期陈钊，等：船载ADCP在深海潜标布放中的应用・57・
S。当时，缆绳受力增大，在布放过程
中有被拉断的可能；当v Lmax W V+V时，缆绳会
被拉断；当v〉v+v时，缆绳入水时不受力，有
搅缆、打结的可能，所以在布放潜标时，应满足：
V L=V s+V⑴
V max〉v+V(2)
以公式⑴为前提，由出缆和布放的时间一致性可得：
S="⑶
V十V
在潜标布放前，查看船载ADCP观测的表层
流速流向信息，由公式(2)将v设定为一个合理
值。可由公式(3)计算布放起始点与结束点之间
的相对距离，将表层海流流向的反方向设定为布
放时的科考船航向。
3.2调节船速与航向
船载ADCP可对海流进行实时观测。在潜标布放过程中，科考船的航向和速度应随表层海流的变化而变化。根据公式(3)，当布放起始点确定，布放作业开始时，船速应根据表层海流的流速进行调节，航向保持与表层海流流向相反。利用船载ADCP实时观测的表层海流流速流向及时调整科考船运行状态，可以更加安全、高效地完成潜标布放作业。
3.3预估落水点位置
到达潜标布放结束点后，重力锚投放入水.经过一段时间，重力锚下降到海底，此时声学释放器的位置稳定，可进行测距作业。在重力锚下降过程中，潜标系统受到外力作用，其真实落地点与重力锚入水点之间存在偏差。重力锚入水后向后偏移，由表3可知，偏移距离与潜标长度不具有正相关性，这是由海流对潜标的作用导致的，所以在潜标定位作业中需要考虑海流的影响。
表3潜标长度与漂移距离单位：m 潜标长度偏移距离
5600478.8
3420474.0
2320444.5
2600338.6
3400528.0
40303446
4280545.0
5900517.8
利用船载ADCP观测的海流可以预估重力锚最终的位置，对测距的准确性起到辅助作用.图3为潜标布放期间船载ADCP观测的海流图，由图可知，重力锚在海底的实际位置应在入水位置的西侧，对声学释放器进行测距时，西侧的测距点所得距离应小于东侧的测距点。4结束语
布放潜标首先要熟悉潜标结构，根据海底地形的情况选择布放结束点，利用船载ADCP观测的流速流向选取布放起始点；其次在布放过程中，根据ADCP观测的流速流向不断调整科考船运行的状态，保证潜标标体的安全性；最后通过船载ADCP观测的流速流向剖面预估重力锚落地点的位置，从而辅助声学释放器的测距作业。
潜标是海洋科学观测技术的重要内容，其获取的海洋环境数据对深层与上中层海洋之间物质能量交换、长期气候变化和深层环流等研究有重要意义。潜标的布放是建设海洋观测网的第一步，文章结合船载ADCP的实际应用，讨论了潜标布放的一般过程，对潜标的布放作业有一定指导作用。
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