海底观测网是利用海底光电缆和无线通信方式，将安装在海底固定、移动平台上的一系列海洋观测仪器与岸基站信息处理设备互联而成的开放式海洋综合观测系统，具备水下大功率远程供能、大规模数据采集和信息传输能力。海底观测网从内部观测海洋，为人类认识海洋提供了广阔时空尺度以及多类海洋内部特征的同步、实时、连续观测手段，是地球观测体系中不可或缺的重要组成部分，也是人类研究、认识和利用海洋的重大科技基础设施。　　如上文所述，海底观测网为海洋传感器提供了海底光电缆结合无线数据传输的完整数据传输系统。该系统分布于岸基站和浅海、深海等不同环境，以光纤和海水作为信道，除考虑有缆（光纤）数据传输系统外，还要考虑移动平台和海底观测网的数据交互问题。复杂严苛的使用环境以及有缆无线相结合的实际需求，给海底观测网数据传输系统带来了构架设计、运行监控、故障定位等诸多技术问题。另外，海底观测网和移动平台相结合的前提条件是两个无人平台在水下自主建立通信，即移动平台自主进入无线光通信区域，本文研究基于光学导引的无线通信构建方法并通过试验验证了方法的有效性。进入光通信区域后，本文研究水质对于光通信的影响及通信接口设计相关问题。海底观测网数据传输系统的主要部分位于海底且大部分是深海，无论是浅海还是深海，环境均与陆地存在很大差别，一些陆地上常规的检测、监控方法无法使用，数据传输系统的状态监控和运行维护变得十分困难。因此，在海底观测网数据传输系统构架设计的基础上，还要研究数据传输系统的传输性能检测和故障定位方法，以提高系统可靠性、可观性和智能化水平。　　本文以从国家大科学工程之国家海底科学观测系统为背景，以构建满足技术需求和目标要求的观测网海底光电缆和无线数据相结合的数据传输系统为目标，研究网络的构成、参数设置、接口设计、智能化等管理等网络建设的基本问题，主要包括:有缆数据传输系统构架设计及测试、有缆数据传输系统传输性能建模和分析、无线数据传输建立方法、接口设计、调制方法研究、网络故障分析和定位方法。　　(1)首先研究海底观测网有缆数据传输系统构架和拓扑结构。主要包括两方面内容，一是数据传输网络采用什么样的拓扑结构形式，二是主干传送网络基于何种传送技术。拓扑结构是数据传送网络的基本要素之一，拓扑结构影响着网络的传送能力、鲁棒性、数据吞吐量、建设成本、网络管理、网络优化、故障定位等诸多重要指标和技术层面。海洋环境下，网络节点的增减相比于陆地网络困难许多，水下网络运行和维护多数通过远程监控操作实现，因此，合理的网络拓扑结构设计，可以从网络资源储备和硬件结构上提高网络可靠性，降低运行维护成本。传送技术直接影响着网络的传送能力、传送带宽、业务类型、管理能力、灵活性适应性等数据传送层面的指标。随着数据量的不断增大及传送业务类型的不断变化，传送技术也经历了多次演进。　　本文深入分析了已建成海底观测网传送网应用的技术，并结合目前电信行业主流传送技术的发展趋势，提出使用OTN（Optical Transport Network，光传送网）构架作为主干传送网传送技术和SDH（Synchronous Digital Hierarchy，同步数字体系）构架作为汇聚层传送技术的思想，建立新型的海底观测有缆数据传输系统构架。该构架构建了三层结构的海底观测网有缆数据传输系统，可实现从最底层的海洋传感器数据采集到海底数据集中汇聚、监控、路由再到岸基站实现信息集中可视化、分类及储存等服务。网络构架可实现基于因特网的数据服务，即搭建从因特网任一节点到海洋传感器之间的直接连接。该架构可提供面向网络服务的通用基础支撑环境，实现传感、存储和计算服务的聚合与共享，从而支持基于因特网的科研社区和虚拟实验环境，为后续的大数据处理、科学技术创新和工程应用奠定基础。　　通过实际设备进行了吞吐量、丢包率、时延、背靠背等指标的测试。依据相关行业标准，测试结果均高于指标规定值，验证了设计的合理性。　　(2)OTN光纤传输网络传输性能的优劣，与网络关键参数计算和配置直接相关。而网络关键参数的计算的前提条件是传输性能模型的建立。网络传输性能关键参数的建模，与网络具体结构、层次紧密相关。因此，本文针对海底观测网网络拓扑结构设计，提出用于网络设计的数学模型，为网络设计提供了依据。本文建立了传输功率、光信噪比、光放大器等关键指标和器件的模型，通过这些模型，研究传输距离与传输功率的关系，研究光信噪比约束下，网络的有效传输距离以及光放大器如何使用等关键问题。　　(3)针对定点观测和移动观测相结合的需求，本文研究海底观测网和移动平台之间无线数据传输的相关问题且具有鲜明的针对性。由于水下特殊的使用环境，本文不研究水下无线光通信的基本原理，主要研究水下无线光通信的建立方法，无线/有限光通信系统之间的接口问题，主要包括光源选择、调制技术等。本文有针对性的提出可通信区域这一概念，建立了海洋环境下无线光通信信道模型。通过该模型，在已知海水水文相关参数的前提下，能够得到某一发射功率下光的可通信区域。可通信区域对于海底观测网和AUV等移动平台在无人自主条件下建立有效通信十分重要。通过该模型，AUV等移动平台如果可以预先获得可通信区域信息，将大大提高其导航定位的针对性。无线光通信调制方式关系到无线通信系统的功率消耗、传输容量等关键参数。本文对几种主要的调试方式进行理论分析，并根据应用背景选取了适合海底观测网和移动平台应用的无线光通信调制方式。　　(4)研究数据传输系统的故障分析定位方法。　　本章提出基于卷积神经网络(CNN)算法的海底观测网数据传输系统故障分析和定位算法。算法将所有传感器统一看成一个故障对象，同时同步进行搜索，并深度结合海底观测网的拓扑结构，有针对性的进行故障的分析和定位。算法采用了自下而上的故障分析定位思想，以数量最多、数据量最大的传感器作为突破口，与海底观测网网络设备的功能相结合，考虑海底观测网拓扑和网络结构，层层推进算法，最终实现包含所有传感器和网络设备在内的故障分析和定位，探索适合海底观测网的故障定位方法。　　算法可实现不同目标函数的故障定位，比如故障发生时间（即某段时刻内有没有发生故障）、故障产生方位的群特性、故障产生的具体传感器等。多角度、全方位的故障分析定位技术，有助于统筹、全面的洞悉整个观测网设备运行健康情况及网络传输健康情况，真正从海底观测网建设维护者角度考虑故障定位问题，而不仅仅是独立的网络设备提供商或者传感器提供商的个体视角，这也是本文重要思想和观点之一。后续，作者也将沿着这一思想继续开展深入研究，以数据为对象和根本，研究海底观测网自身安全问题以及结合海洋传感器，探索其背后的海量数据挖掘技术。　　借助三亚海底观测网示范网积累的数据，以三亚南海海底观测网现有数据库数据为训练和测试样本，进行算法的训练和测试，以故障定性分析、故障源分析定位、故障传感器分析定位三种方式分别检验了算法的有效性，取得良好效果。　　通过和现有故障定位方法的比较，进一步证实了本文研究的算法具有更高的准确率。