缆系观测站

当前，海底缆系观测系统面临的主要问题之一便是其巨大的建设成本。无论是海缆本身以及海缆在海底的敷设，均花费昂贵，在很大程度上限制了缆系观测系统的建设和广泛应用。与此同时，随着通信市场的发展，全球各种跨洋光电复合海缆逐渐取代了跨洋同轴电缆或早期的光电复合缆（带宽限制）。尽管这些早期的同轴电缆或者光电复合缆已经退役，然而，对于深海科学实验和观测来说，它们却完全能够满足供电和数据传输的需要。因此，各种现有已经退役海缆的再利用为科学家们提供了一种有效降低海底缆系观测系统建设成本的理想途径。

ALOHA缆系观测站（ALOHA Cabled Observatory，ACO）的总体结构就是采用了现有已退役的、可靠程度高的跨洋海缆系统提供供电和通信带宽。海缆在Oahu岛电缆站附近登陆后与陆地上已有的岸基缆站连接，这个岸基海缆站具备向海底缆系观测站进行供电、控制观测终端和数据通信等所需的一切基础设施。由于海缆早就敷设于海底，并且其设计寿命远远超出其商业使用时间，因此将该退役海缆转换为科学实验系统所需的费用，比重新设计和安装一套全新缆系系统所需的成本要大幅降低。

图6-2 ACO位置与海缆敷设路线示意图（引自http：//aco-ss-ds.soest.hawaii.edu/ALOHA/index.html）

图中显示了Oahu海岛、Makaha岸基海缆站、HAW 4海缆的敷设路线、ACO以及ALOHA海洋观测点的位置

ACO水下观测部分位于ALOHA海洋观测点，岸基部分位于夏威夷Oahu岛的Makaka海缆站，之间用大约20km的HAW4光电复合海缆相连接（图6-2）。建设ACO的设想大约开始于十几年前。当时，科学家们对于北太平洋副热带环流区深处海底发生的很多海洋学现象无法解释，例如，研究认为该海域的海水几乎是处于稳定的静止状态，与外界并没有交流，然而，当时的观测研究却发现了冷水溢入到这个深部盆地中；再者，在该海区开展的地震学的研究也探测到海底经常出现轰隆隆的声音。因此，科学家们迫切地想找到合适的方法来探测该海区的洋流剖面和溶解氧剖面，以了解在深度约5000m的海底到底发生了什么？

尽管当时科学家们可以依靠船基航次调查或者深潜器对研究区进行观测，然而他们更想寻找一种可以长久、持续的方式来监测ALOHA附近一系列的自然现象。能够将各类传感器集成在一起的缆系观测系统正好可以满足科学家们的上述需要。巧合的是，来自于夏威夷大学的科学家们面临着一个千载难逢的机遇：在ALOHA海洋观察站附近海域有一条已经退役的跨洋通信海缆。如果将其转换为缆系海洋观测的话，那么结合在ALOHA海域执行的其他科研计划，科学家们就可以获得从海表至海底的整个水柱剖面的时间序列观测数据，这将使得科学家们能够对北太平洋副热带环流区这一特殊的寡营养栖息环境进行全深度的观测和研究。

6.3.1 ACO建设一波三折

2002年，以夏威夷大学为首的科学家团队向美国自然科学基金委递交了两份申请书，分别是“ANZCAN-ALOHA关键仪器研发”（The ANZCAN-ALOHA Observatory Major Research Instrumentation）和“缆系观测系统传感器：ALOHA锚系传感器网络和自适应性取样”（SENSORS：ALOHA Mooring Sensor Network and Adaptive Sampling），建议在ALOHA观测站设立基于缆系的海洋观测系统。申请书中，明确提出了要申请使用Teleglobe公司已退役的ANZCAN（Australia-New Zealand-Canada）海底同轴通讯电缆的建议（ANZCAN海缆于1983年敷设，1997年退役）。同年，美国自然科学基金委以重大科研仪器研制项目的方式批准了建设ACO的申请，并积极推动ACO申请的实施。与此同时，夏威夷大学与Teleglobe电讯公司关于ANZCAN同轴电缆使用权转让的谈判也进展顺利。然而，计划捐献海缆的Teleglobe电讯公司却在2003年破产，直接导致了谈判失败，最终不得不放弃使用ANZCAN的计划。幸运的是，随着ALOHA观测站附近一条第一代光电复合海缆HAW4的退役，事情的进展出现了转机，HAW4的所有者AT&T公司决定将该海缆捐赠给ACO使用，从而解决了ACO推进过程中遇到的最大难题。同年，多家单位的海缆工程师在罗格斯大学举办了一次研讨会，专门针对第一代光缆系统的硬件进行设计，以满足后续数据传输的需要。2006年针对HAW4硬件的测试表明，经过改装后的海缆系统能够保证数据以100Mb/s的速度传输超过8000km的长距离。

ACO建设大致可分为二个阶段。第一阶段为海缆敷埋与技术验证阶段。2007年2月，美国海军的海缆修复船ZEUS，将原本连接夏威夷和加利福尼亚的HAW4海缆切断，并将其一端从海底沉积物中打捞出来。在此之前，HAW4已经在海底埋藏了至少20年的时间。ZEUS将约20km的HAW4海缆缠绕在海缆卷盘上，再将其敷埋至ALOHA观测站（图6-3）。同时，科学家们还将一个“验证模块”（Proof Module）连接在“海缆终端”一起布放至ALOHA观测站的海底。该验证模块包括一系列的电子仪器设备、1个水听器以及1个压力传感器。2007年2月16日，“验证模块”着底，各类电子仪器和传感器运行正常，数据被持续地传送至岸基站，标志着前期一系列的设计和技术储备达到了预期。该“验证模块”直到2008年10月被打捞出水之前，一直都在持续稳定地工作。

图6-3 ACO海缆敷设示意图（引自http：//aco-ssds.soest.hawaii. edu/ALOHA/index. html）

图中蓝线显示了原有已退役的HAW4海缆的路线，红色显示了重新敷埋路径，红色箭头显示的是切断点的大致位置。红色圆圈代表中继器，绿色圆圈代表分支盒。重新敷埋之后的海缆终端位于ALOHA观测站海域的22°44.3211′N， 158°00.3698′W处，水深4726m

第二个阶段为各种控制模块与观测模块的安装阶段。“验证模块”以及与岸基的成功连接，极大地鼓舞了ACO的建设团队。因此，科学家们计划在2007年10月开展第二个航次，为ACO布放和安装更多的观测设备和节点。在此期间，科学家们设计并制造了一系列新的框架和仪器设备。然而，在10月，因为控制各种电子设备的钛材耐压腔体被发现有明显的裂缝缺陷，导致了计划中的航次被迫取消。虽然航次被取消，但是随着ACO项目的向前推进，科学家们对于ACO深海观测站的前景却非常地乐观。新的安装航次计划在2008年10月进行，主要计划完成ACO的基础构架，并布放一系列的传感器和观测仪器，包括2个水听器、1个绝对压力传感器、2个ADCP、1个垂向热敏电阻串、2个CTD和由WHOI提供的声学调制解调器。尽管所有仪器设备均在陆地上进行了测试和调试，但是在布放过程中仍然出现了问题。布放船R/VKilo Moana和ROVJason首先将之前布放的“验证模块”打捞出水，随后，进行观测节点的布放。科学家们刚把观测节点和模块布放至海底就发现主接驳盒与观测节点之间的干式插拔连接器出现漏水故障，由于没有备件，科学家们只好把各种仪器设备重新打捞出水并立即返港。此次航次中，前文提到的用来记录离底水柱温度数据的垂向热敏电阻串，因为其被设置成为依靠自带电池供电的自容式工作模式，最长可以达到3年，因而其不依赖于海缆终端的供电与通信，因此将其留在了海底。

科学家们用了近3年的时间来寻求新的资金资助以及重返ALOHA观测站安装ACO的契机。2011年5月20日，新的航次再次起动。抵达ACO站点之后，ROVJason首先确定了海缆终端，并将海缆终端的框架向北挪动了几米以避开海缆的缠绕区域。将接驳盒与海缆终端连接之后，科学家们发现它们之间的光纤连接存在问题，导致了接驳盒与岸基的通信中断。随后的几次下潜都尝试着解决该光纤连接的问题，然而并没有奏效。随后，科学家们判断问题出在海缆，只能由岸基的工作人员来解决，因此，船上的人员决定安装观测网的其他水下节点和组件，与此同时，岸基的工作人员则着手解决海缆的配置问题。幸运的是，在返航之前的最后一次尝试中，接驳盒通信问题终于得以解决。2011年6月6日，那些在陆地上位于HAW4海缆另一端的人们，通过海底摄像系统看到了来自于海底的LED灯所发出的灯光；通过安装在海底的水听器，他们也听见了来自于海底的一系列的奇妙声音；同时他们也能够看到海水的温度、盐度和洋流随时间的实时变化。所有的这一切，意味着经过近5年建设的ACO终于获得了成功。

6.3.2 ACO基础架构与观测节点

ACO主要采用了美国HUGO和H2O缆系观测站的技术，同时，根据布放和安装过程中吸取的经验教训进行了适当的改进。总体来说，ACO的构成大致可以分为岸基、海缆和水下观测部分，其中水下观测部分则包括五个主要模块（图6-4）。接驳盒一端与HAW4海缆终端相连接，另一端则与观测控制模块（Observotary，OBS）相接。接驳盒与OBS一起向整个观测站的其他观测模块及传感器提供电力供应和以太网通信。最终，ACO可以持续地向陆地岸基提供海底的实时影像、声音、洋流、压力、温度和盐度等数据。

ACO的核心观测模块如表6-1所示。其他部分，如网络系统和数据管理等相关信息和技术文档请参考ACO主页。

图6-4 ACO主要水下功能模块与配置图（ROVJason拍摄，引自http：//aco-ssds.so-est.hawaii.edu/ALO-HA/index.html））

表6-1 ACO核心观测模块