论文部分内容阅读
人类的生活和海洋息息相关,因而从非常早的时期就开始从事海洋探索工作｡探索的区域可以从全球性的区域､数个国家的共同开发区域､单一国家区域,到某个地区沿海数海里内的区域｡探索的内容包括物理､化学､生物学､海洋地理､气象､环保､海洋资源的研究与开发等,非常多元化,非常复杂｡以下介绍海洋研究船与水下无人载具,如遥控载具(remotely operated vehicle,ROV)､自主式水下载具(autonomous underwater vehicle,AUV)､自主式水下滑翔机(autonomous underwaterglider,AUG)等｡
海洋研究船
基本上,海底世界可以说是一个高压､黑暗､电讯不通的恶劣环境｡海里每增加10公尺深度就增加一个大气压,而海洋的平均深度是
3 770公尺,换言之,海底是平均377个大气压的高压环境｡此外,阳光穿不透数十公尺深的海水,因此能见度低,几乎是伸手不见五指｡同样的道理,电磁波也很难在海水里远距离传送,使得声波成为主要的信息传递与探索工具｡
要探索海洋必须依赖各式各样的研究设备与仪器,这些工具则由海洋研究船把它们载运到世界各角落,因而海洋研究船基本上可以视为具有各种研究器材及设备,具多重功能的海上移动实验室｡海洋探索仪器与设备的种类非常多,也非常复杂,以下简介其中较常用的几种｡
深/浅海多声束回音探测系统:是一种可以测量海底深度和地表的声纳系统,功能就像是拍摄海底地形的照相机,只不过它是利用声波反射原理,而不是像照相机利用光的传递及感应形成影像｡它可以同时发射多束声波,由声波反射回来的情形,同时探测海底数个不同地点的地形｡探测深度可从数公尺到数千公尺,并可直接绘图显示海底的深度及地形｡
深/浅海单声束回音探测系统:如同多声束回音探测系统,但单声束系统一次只能发射一束声波,一次探测海底一个点的地形,藉以核对多声束回音探测系统所测量数据的准确度｡
海底层轮廓扫描器:是一种可以发射高功率､高能量,能穿透海底地层的声波,以探测海床底下地形构造和岩石侵蚀的声纳系统,可以在水深数千公尺内,探测海床下数百公尺深度的地形构造｡
多频地震探测系统:是一种高穿透力的海底层轮廓探测系统,可从一个声波发射器上产生和接收声波脉冲,藉以描绘海底地质和岩层的结构｡
传导性､温度及深度探测系统(CTD):利用不同的探针测量海水的导电度､温度及压力,由海水的导电度可以计算出海水盐度,由海水的压力可以计算出海水深度,因而CTD可得到海面下不同深度的海水温度､盐度､导电度资料｡CTD所探测的资料与电脑连线,提供学者基本的海洋水文资料｡另外,配合不同研究者的需求,CTD可加挂各类其它探针,例如荧光探针､透光度探针､溶氧探针､PH探针等,可以在很短的时间内得到各种海洋水文数据,提供对海水成分全面性的了解,是海洋研究船上重要且不可缺的测量仪器｡
海水采样系统:是一种以不同的采水瓶及采水器深入海底采集不同海水样品的装备｡采水瓶有不同的样式及容量,可以挂在CTD系统上,同时采集数种不同深度的海水样本,供化学及生物实验中分析培养用｡
拖拽式载具:拖拽式载具像个小型的载运机,拖在海洋研究船的船尾,适于载运各种小型声纳系统及CTD系统｡传统的CTD施放方式是船停靠某个定点后由船上施放,一次只能得到施测点下垂直方向分布的海水性质｡若CTD装在拖拽式载具中,随研究船前进,并经由电脑控制载具的运动,则可得到连续整条线或不同水层的连续性水文资料,尤其在大面积海域研究中,能快速得到更多的资料｡
多层式浮游生物采集网:具有各式各样的浮游生物采集网,采集各类海中浮游生物供研究使用,分层式采集网可一次进行最多4个水层的浮游生物采集｡
水底沉积物采样系统:用来取得海底各种沉积物的设备,采样系统种类繁多,有活塞岩心采样器､抓斗与拖拽型沉积物采样器､箱形岩心采样器､多管型沉积物采样器等｡箱型岩心采样器所取得的沉积物,主要用于有机物的氧化作用､营养盐的再生和沉积速率等研究｡重力和活塞岩心采样器所取得的沉积物,主要用于长时间的地化作用､气候变迁在沉积物内的痕迹､古生物随时间演变的纪录及矿物的形成等研究｡
动态定位系统(DPS):海洋研究船在海上执行研究任务时,随时会受到风､海流及海浪的影响而偏离既定的工作范围｡因此必须准确地估算出风､海流及海浪的力量,以及船偏离工作地点的距离,并且利用船上的螺旋､舵及侧推器等动力系统,把船推持在既定的工作范围或航线上,DPS就是整合上述功能的系统｡由DPS的感应系统快速侦测船舶离开预定位置的偏离量,然后由控制系统精准地计算出反制环境我力及把船推回预定位置所需的推力和力矩,并下达指令给动力系统来完成任务｡
由于海洋研究船配备有以上各式各样的研究器材及设备,它可以探索海洋的每个角落,成为海洋侦测大队的尖兵｡
水下无人载具
为了降低风险,节省营运及维护成本,并扩大海洋的探索,水下无人载具如遥控载具(ROV)､自主式水下载具(AUV)等,便逐渐成为目前广泛使用于海下探索的工具｡而随着卫星定位与通讯技术的发展,自主式海洋感测网络(AOSN)技术中的一环——长程巡拽的自主式水下滑翔机(AUG)也逐步验证了它的价值｡
所谓水下载具,是指不需有人在载具内驾驶或操控,而由人在施放载具的工作母船上,藉由电缆､无线电波或声波直接遥控的水下载具,或由载具本身搭载的电脑软硬件自主操控｡ROV与AUV都是水下无人载具,其差别主要在于ROV须经由人机介面与人进行大量互动,由人进行遥控,而AUV本身具备自主性｡所谓自主,包含感测､判断与行动三要素,因此AUV在执行工作时,可以不需要人的介入｡
至于外观的差异,ROV有电缆线连接,通常机体是开放式机架;AUV则没有电缆线连接,且通常机体是有蒙皮的减阻造型｡ROV是利用电缆线接收来自工作母船的控制讯号及电源,并把水下工作所收集的讯号传递给工作母船｡AUV则没有这样的脐带存在,必须利用本身具有的人工智慧和动力执行任务,必要时也可以由工作母船以声波下达有限的人为指令,指挥AUV在海底应变以达成任务｡
ROV或AUV都是海洋研究船的研究配备之一,凭藉海洋研究船,也就是工作母船,把它载运到工作海域｡其上可以装设如单声束回音探测系统､多声束回音探测系统､CTD､水下摄影机等各式各样的海洋探测仪器,宛如另一艘小型的海洋研究船｡
ROV技术在1960年达到实用化,而在1970年随着石油危机所促进的海底石油开采需求而蓬勃发展,逐渐取代潜水人员成为水下作业的主流｡随着现代资讯处理能力的提升､自动控制理论的发展,以及水下声学与载具技术的进步,ROV可以随探勘目的来设计,可以加装机械手臂用于采集样本､海底打捞､扫除水雷等｡现今一些功能强大的ROV,几乎就等于“水下机器人”｡
小型的ROV使用船上的吊杆就能施放｡中型以上的ROV,当它漂浮在水面时,由于本身重量大,加上海浪的推撞,若不小心碰到工作母船,往往会造成极大的损伤,因此必须有特殊的布放及回收装置,才能在各种不同的海况下执行任务｡当ROV在作业时,工作母船必须尽量保持不动,以免因为船的运动而拉扯到控制电缆,影响水下ROV的工作｡这时就必须凭藉由前面所介绍的动态定位系统,把工作母船维持在固定
位置｡
如何在工作母船上知道ROV在水下的正确位置,是发展ROV的另一个重要课题｡海洋研究船一般都配备有GPS,但是GPS是靠接收卫星的无线电讯号,计算水面船只的位置｡由于无线电波在水中的衰减太快,无法穿透海水,因此在水中不能使用无线电波定位,水下定位系统是以声波反射原理来侦测ROV的位置｡ROV除了接受工作母船下传的指令外,还必须把海底所侦测到的资讯上传到水面,因此有大量资料往返于工作母船与ROV之间｡
AUV和ROV设计理念有异,前者强调自给自足,而后者重视系统的扩充性与操控性｡因此,AUV常用流线型的外罩来降低流体阻力,节省有限的能源｡而ROV为使系统可容易地装载或卸除各种仪器设备,大量采用开放式的机架｡
AUV不需要通过一条电缆线和水面上的工作母船联系,活动更为自由,应用领域更为宽广｡例如冰层底下的调查及制图作业､军事科学的应用､声纳部署及安全监哨､危险废弃场地的调查､火山地震的地质震动调查及记录､海底沉船侦测､作为长程武器的载具､港口监视､环境监测等｡
AUV的实用化是近十年的事,已经有许多商业应用的实例｡例如海底电缆的检测,显示AUV和ROV更具经济效益｡使用AUV的每日单价比ROV高,但是AUV较不受海流､波浪等环境因素的影响,因此作用､效率远高于ROV,完成同一工作所需的时间与经费会远比ROV 低｡此外,随着AUV技术的成熟与精进,军用潜艇也有逐渐发展成为配备多艘AUV的水下母舰的趋势,藉由AUV执行攻击,以避免水下母舰暴露行踪｡
自主式水下滑翔机
传统上的海洋研究调查与观测作业,通常高度依赖海洋研究船的支援,利用船上大型声学仪器探测,或从船上施放仪器进行取样与分析,这类方法较难有效掌握海洋水体参数变化的时空历程｡而利用飞机或卫星的遥测技术,虽然对海洋表面的监测十分有效,却难以穿透水体,有效进行较深海域的监测｡
自1990年开始逐渐成熟的自主式水下载具技术,以及于2000年逐渐发展成熟的自主式水下滑翔机技术,配合卫星定位及通讯技术的商用与普及化,使得海洋监测得以建立崭新的技术与架构,譬如美国海军研究处自1990年开始赞助发展的自主式海洋取样网络(AOSN)｡
AOSN计划已于2003年夏天在美国加州Monterey Bay进行历时1个月的实验,成功验证了它的功能｡实验除了使用卫星遥测海面水测资料,以及动用4艘研究船之外,还使用了21架无人水下载具,其中包括3艘AUV､1艘UUV､以及17架自主式水下滑翔机,以进行海水资料的行动式收集｡因为行动式取样资料涵盖时空历程,而得以成功掌握Monterey Bay海域涌升流的特性｡这项实验也同时验证了自主式水下滑翔机在AOSN架构中所扮演的重要角色｡
在17架水下滑翔机中,12架是潜深200公尺､航速0.5节､续航力20天的Slocum Gliders;5架是潜深1 500公尺､航速0.6节､续航力150天的Slocum Gliders,而感测范围包括盐度､温度､深度､叶绿素､悬浮粒､透光度等海水基本资料｡
相对于水下滑翔机长达数十天甚至数月的续航力,传统上由螺旋桨驱动的大型AUV续航力至多60个小时,而AOSN实验使用的Dorado AUV的续航力是24小时｡另外2艘RemusAUV的续航力仅10个小时,Aries UUV只有4小时｡因此在AOSN架构里,还必须为AUV设置水下充电站,让AUV自主进入,充电｡
虽然AUV通常航速较高,可达3节,但是每次充电只能航行百余公里,仍远远低于水下滑翔机的数千公里｡水下滑翔机利用重力自然下潜,再用浮力引擎产生浮力上浮,在上下的过程中藉由双翼转换出向前的推力,使得载具循锯齿状轨迹扫描海洋水体,收集资料｡当水下滑翔机浮出水面时,就可藉由卫星通讯传递资料与接收指令,同时藉由GPS实行定位｡水下滑翔机只有在水底启动浮力引擎产生浮力时需要耗电,在滑翔的过程中并不需要,这就是AUG可以巡航数千里的主要原因｡
海洋研究船
基本上,海底世界可以说是一个高压､黑暗､电讯不通的恶劣环境｡海里每增加10公尺深度就增加一个大气压,而海洋的平均深度是
3 770公尺,换言之,海底是平均377个大气压的高压环境｡此外,阳光穿不透数十公尺深的海水,因此能见度低,几乎是伸手不见五指｡同样的道理,电磁波也很难在海水里远距离传送,使得声波成为主要的信息传递与探索工具｡
要探索海洋必须依赖各式各样的研究设备与仪器,这些工具则由海洋研究船把它们载运到世界各角落,因而海洋研究船基本上可以视为具有各种研究器材及设备,具多重功能的海上移动实验室｡海洋探索仪器与设备的种类非常多,也非常复杂,以下简介其中较常用的几种｡
深/浅海多声束回音探测系统:是一种可以测量海底深度和地表的声纳系统,功能就像是拍摄海底地形的照相机,只不过它是利用声波反射原理,而不是像照相机利用光的传递及感应形成影像｡它可以同时发射多束声波,由声波反射回来的情形,同时探测海底数个不同地点的地形｡探测深度可从数公尺到数千公尺,并可直接绘图显示海底的深度及地形｡
深/浅海单声束回音探测系统:如同多声束回音探测系统,但单声束系统一次只能发射一束声波,一次探测海底一个点的地形,藉以核对多声束回音探测系统所测量数据的准确度｡
海底层轮廓扫描器:是一种可以发射高功率､高能量,能穿透海底地层的声波,以探测海床底下地形构造和岩石侵蚀的声纳系统,可以在水深数千公尺内,探测海床下数百公尺深度的地形构造｡
多频地震探测系统:是一种高穿透力的海底层轮廓探测系统,可从一个声波发射器上产生和接收声波脉冲,藉以描绘海底地质和岩层的结构｡
传导性､温度及深度探测系统(CTD):利用不同的探针测量海水的导电度､温度及压力,由海水的导电度可以计算出海水盐度,由海水的压力可以计算出海水深度,因而CTD可得到海面下不同深度的海水温度､盐度､导电度资料｡CTD所探测的资料与电脑连线,提供学者基本的海洋水文资料｡另外,配合不同研究者的需求,CTD可加挂各类其它探针,例如荧光探针､透光度探针､溶氧探针､PH探针等,可以在很短的时间内得到各种海洋水文数据,提供对海水成分全面性的了解,是海洋研究船上重要且不可缺的测量仪器｡
海水采样系统:是一种以不同的采水瓶及采水器深入海底采集不同海水样品的装备｡采水瓶有不同的样式及容量,可以挂在CTD系统上,同时采集数种不同深度的海水样本,供化学及生物实验中分析培养用｡
拖拽式载具:拖拽式载具像个小型的载运机,拖在海洋研究船的船尾,适于载运各种小型声纳系统及CTD系统｡传统的CTD施放方式是船停靠某个定点后由船上施放,一次只能得到施测点下垂直方向分布的海水性质｡若CTD装在拖拽式载具中,随研究船前进,并经由电脑控制载具的运动,则可得到连续整条线或不同水层的连续性水文资料,尤其在大面积海域研究中,能快速得到更多的资料｡
多层式浮游生物采集网:具有各式各样的浮游生物采集网,采集各类海中浮游生物供研究使用,分层式采集网可一次进行最多4个水层的浮游生物采集｡
水底沉积物采样系统:用来取得海底各种沉积物的设备,采样系统种类繁多,有活塞岩心采样器､抓斗与拖拽型沉积物采样器､箱形岩心采样器､多管型沉积物采样器等｡箱型岩心采样器所取得的沉积物,主要用于有机物的氧化作用､营养盐的再生和沉积速率等研究｡重力和活塞岩心采样器所取得的沉积物,主要用于长时间的地化作用､气候变迁在沉积物内的痕迹､古生物随时间演变的纪录及矿物的形成等研究｡
动态定位系统(DPS):海洋研究船在海上执行研究任务时,随时会受到风､海流及海浪的影响而偏离既定的工作范围｡因此必须准确地估算出风､海流及海浪的力量,以及船偏离工作地点的距离,并且利用船上的螺旋､舵及侧推器等动力系统,把船推持在既定的工作范围或航线上,DPS就是整合上述功能的系统｡由DPS的感应系统快速侦测船舶离开预定位置的偏离量,然后由控制系统精准地计算出反制环境我力及把船推回预定位置所需的推力和力矩,并下达指令给动力系统来完成任务｡
由于海洋研究船配备有以上各式各样的研究器材及设备,它可以探索海洋的每个角落,成为海洋侦测大队的尖兵｡
水下无人载具
为了降低风险,节省营运及维护成本,并扩大海洋的探索,水下无人载具如遥控载具(ROV)､自主式水下载具(AUV)等,便逐渐成为目前广泛使用于海下探索的工具｡而随着卫星定位与通讯技术的发展,自主式海洋感测网络(AOSN)技术中的一环——长程巡拽的自主式水下滑翔机(AUG)也逐步验证了它的价值｡
所谓水下载具,是指不需有人在载具内驾驶或操控,而由人在施放载具的工作母船上,藉由电缆､无线电波或声波直接遥控的水下载具,或由载具本身搭载的电脑软硬件自主操控｡ROV与AUV都是水下无人载具,其差别主要在于ROV须经由人机介面与人进行大量互动,由人进行遥控,而AUV本身具备自主性｡所谓自主,包含感测､判断与行动三要素,因此AUV在执行工作时,可以不需要人的介入｡
至于外观的差异,ROV有电缆线连接,通常机体是开放式机架;AUV则没有电缆线连接,且通常机体是有蒙皮的减阻造型｡ROV是利用电缆线接收来自工作母船的控制讯号及电源,并把水下工作所收集的讯号传递给工作母船｡AUV则没有这样的脐带存在,必须利用本身具有的人工智慧和动力执行任务,必要时也可以由工作母船以声波下达有限的人为指令,指挥AUV在海底应变以达成任务｡
ROV或AUV都是海洋研究船的研究配备之一,凭藉海洋研究船,也就是工作母船,把它载运到工作海域｡其上可以装设如单声束回音探测系统､多声束回音探测系统､CTD､水下摄影机等各式各样的海洋探测仪器,宛如另一艘小型的海洋研究船｡
ROV技术在1960年达到实用化,而在1970年随着石油危机所促进的海底石油开采需求而蓬勃发展,逐渐取代潜水人员成为水下作业的主流｡随着现代资讯处理能力的提升､自动控制理论的发展,以及水下声学与载具技术的进步,ROV可以随探勘目的来设计,可以加装机械手臂用于采集样本､海底打捞､扫除水雷等｡现今一些功能强大的ROV,几乎就等于“水下机器人”｡
小型的ROV使用船上的吊杆就能施放｡中型以上的ROV,当它漂浮在水面时,由于本身重量大,加上海浪的推撞,若不小心碰到工作母船,往往会造成极大的损伤,因此必须有特殊的布放及回收装置,才能在各种不同的海况下执行任务｡当ROV在作业时,工作母船必须尽量保持不动,以免因为船的运动而拉扯到控制电缆,影响水下ROV的工作｡这时就必须凭藉由前面所介绍的动态定位系统,把工作母船维持在固定
位置｡
如何在工作母船上知道ROV在水下的正确位置,是发展ROV的另一个重要课题｡海洋研究船一般都配备有GPS,但是GPS是靠接收卫星的无线电讯号,计算水面船只的位置｡由于无线电波在水中的衰减太快,无法穿透海水,因此在水中不能使用无线电波定位,水下定位系统是以声波反射原理来侦测ROV的位置｡ROV除了接受工作母船下传的指令外,还必须把海底所侦测到的资讯上传到水面,因此有大量资料往返于工作母船与ROV之间｡
AUV和ROV设计理念有异,前者强调自给自足,而后者重视系统的扩充性与操控性｡因此,AUV常用流线型的外罩来降低流体阻力,节省有限的能源｡而ROV为使系统可容易地装载或卸除各种仪器设备,大量采用开放式的机架｡
AUV不需要通过一条电缆线和水面上的工作母船联系,活动更为自由,应用领域更为宽广｡例如冰层底下的调查及制图作业､军事科学的应用､声纳部署及安全监哨､危险废弃场地的调查､火山地震的地质震动调查及记录､海底沉船侦测､作为长程武器的载具､港口监视､环境监测等｡
AUV的实用化是近十年的事,已经有许多商业应用的实例｡例如海底电缆的检测,显示AUV和ROV更具经济效益｡使用AUV的每日单价比ROV高,但是AUV较不受海流､波浪等环境因素的影响,因此作用､效率远高于ROV,完成同一工作所需的时间与经费会远比ROV 低｡此外,随着AUV技术的成熟与精进,军用潜艇也有逐渐发展成为配备多艘AUV的水下母舰的趋势,藉由AUV执行攻击,以避免水下母舰暴露行踪｡
自主式水下滑翔机
传统上的海洋研究调查与观测作业,通常高度依赖海洋研究船的支援,利用船上大型声学仪器探测,或从船上施放仪器进行取样与分析,这类方法较难有效掌握海洋水体参数变化的时空历程｡而利用飞机或卫星的遥测技术,虽然对海洋表面的监测十分有效,却难以穿透水体,有效进行较深海域的监测｡
自1990年开始逐渐成熟的自主式水下载具技术,以及于2000年逐渐发展成熟的自主式水下滑翔机技术,配合卫星定位及通讯技术的商用与普及化,使得海洋监测得以建立崭新的技术与架构,譬如美国海军研究处自1990年开始赞助发展的自主式海洋取样网络(AOSN)｡
AOSN计划已于2003年夏天在美国加州Monterey Bay进行历时1个月的实验,成功验证了它的功能｡实验除了使用卫星遥测海面水测资料,以及动用4艘研究船之外,还使用了21架无人水下载具,其中包括3艘AUV､1艘UUV､以及17架自主式水下滑翔机,以进行海水资料的行动式收集｡因为行动式取样资料涵盖时空历程,而得以成功掌握Monterey Bay海域涌升流的特性｡这项实验也同时验证了自主式水下滑翔机在AOSN架构中所扮演的重要角色｡
在17架水下滑翔机中,12架是潜深200公尺､航速0.5节､续航力20天的Slocum Gliders;5架是潜深1 500公尺､航速0.6节､续航力150天的Slocum Gliders,而感测范围包括盐度､温度､深度､叶绿素､悬浮粒､透光度等海水基本资料｡
相对于水下滑翔机长达数十天甚至数月的续航力,传统上由螺旋桨驱动的大型AUV续航力至多60个小时,而AOSN实验使用的Dorado AUV的续航力是24小时｡另外2艘RemusAUV的续航力仅10个小时,Aries UUV只有4小时｡因此在AOSN架构里,还必须为AUV设置水下充电站,让AUV自主进入,充电｡
虽然AUV通常航速较高,可达3节,但是每次充电只能航行百余公里,仍远远低于水下滑翔机的数千公里｡水下滑翔机利用重力自然下潜,再用浮力引擎产生浮力上浮,在上下的过程中藉由双翼转换出向前的推力,使得载具循锯齿状轨迹扫描海洋水体,收集资料｡当水下滑翔机浮出水面时,就可藉由卫星通讯传递资料与接收指令,同时藉由GPS实行定位｡水下滑翔机只有在水底启动浮力引擎产生浮力时需要耗电,在滑翔的过程中并不需要,这就是AUG可以巡航数千里的主要原因｡