数字海洋：使海底数据更易于访问

由汤姆穆利根 • 12 三月 2018

英国海底声学和数字通信专家Sonardyne International多年来一直是海上能源领域的主要参与者。其技术组合已应用于结构和设备的高精度定位，无人驾驶车辆导航，数字声学和光通信系统，资产监测和数据记录以及高分辨率海底成像。随着每天花费数百万美元，石油和天然气行业公司是最苛刻的客户，因为他们期望高水平的可靠性和坚固性，在最恶劣的环境中提供高效的运营和供应商支持。正是这种期望推动了Sonardyne对海底环境中使用的新通信技术的研究和开发。

海事安全也是该公司的一个关键市场，其技术和应用的变化与石油和天然气行业的主题类似，从而表明其技术适用于更广泛的不同应用领域，包括海洋科学，勘探，水产养殖和其他类似的市场。

技术平台 - 声学

Sonardyne已经开发出业界领先的宽带数字通信平台，该公司的大部分声学系统都基于该平台，现在已经进入第六代（6G）。这项技术的“引人注目”产品是计算和遥测应答器（Compatt 6），这是一款适用性广，可配置性强的仪器，广泛用于各种应用。它由具有不同频段和波束宽度选项的声学换能器，先进的处理器，电池，可选的释放机构和一套科学级传感器组成。总共有超过3,000种可能的Compatt 6配置。以下是它们的一些使用方式：

定位 - 与海底其他应答器配合使用，Compatt 6被用作长基线（LBL）定位的参考，这一概念类似于水上全球定位，即GNSS。 LBL使用通过声学'飞行时间'计算测量的范围来高精度地确定车辆或使用三边测量的结构的位置。 Compatt 6还可用于使用从船舶部署的超短基线（USBL）收发器的船舶动态定位（DP）应用中，从海床基准测量的声学范围用于帮助船舶/石油钻塔保持站在油之上井或海底结构。最后，作为移动转发器，Compatt T6可以连接到车辆或结构上，以声学方式询问LBL Compatt 6s的网络以计算其位置，或者可以使用USBL从表面追踪它。

PIES - 压力倒立回声测深仪（PIES）是Compatt 6的一个变体，它通过测量压力和传输的声学信号反射离开海面所需的时间来获得水柱的平均声速。该单元还能够测量其他海洋属性，如局部温度，深度/潮汐变化，单位俯仰/滚动和单位电池寿命。 PIES设备将处理后的原始数据存储在内部存储卡上：这些数据可以在应答器部署时以声学方式恢复（例如从海上通过的车辆或从地面传送），或者在设备远程释放后重新进行串行恢复表面。

自主监测 - 自动监测应答器（AMT）具有Compatt 6的所有功能，增加了自动日志记录和文本消息传递功能，并可配置为按用户定义的时间间隔自主记录传感器和基线数据。数据被记录到SD卡上，当应答器仍然部署时，或在发射机应答器恢复后连续发送，这些数据将被声学检索，这使系统对诸如海底沉降和构造板运动的长期监测等操作有用。

Fetch - Sonardyne的无线自治传感器记录节点系统Fetch提供与AMT应答器相同的功能，但它位于玻璃球内，可为长期部署提供出色的耐腐蚀性。外壳和内置支架的设计使得该仪器能够“自由坠落”地展开直立，从而减少了部署时间和成本。 AMT /采集单元的主要应用是海底变形和环境监测，以及跟踪构造板块位移，海底地震以及与地面通信网关浮标合作时检测海啸。

海底监测分析和记录应答器（SMART） - SMART的开发涵盖了复杂的资产监测应用。作为Sonardyne第六代（6G）产品系列的一部分，该系统将低功耗电子设备，长时间数据记录，海底数据处理和声学遥测组合到一个易于部署的仪器中。 SMART可灵活地与各种内部和外部传感器以及其他数据源进行接口，利用标准或定制的数据分析算法在需要时为操作员提供关键数据。

SMART提供的先进功能使该技术可用作主要或备用海底监测系统，用于各种任务，如监测海底结构，包括井口和立管。该系统还可以配置系泊线和管道观察，既可用于调试工作，也可用于长期监测。事实上，凭​​借其与大多数数据源接口的能力，SMART可以用于任何需要访问海底资产性能或状况的信息。

SMART包含可配置为连接到多个数据源的数字和模拟输入。可用于运动测量的内部传感器包括加速度计，角速率传感器和倾斜仪，以及标准和高精度压力和温度传感器。可以连接的外部传感器包括压力传感器，应变仪和声学多普勒电流分析仪。对于更多的定制应用，可以创建自定义界面以链接到腐蚀监测仪或振动测量工具等仪器。

低功耗数据记录器是SMART的一项重要功能，可使从外部和内部收到的数据安全地归档。 SMART的一个重要优势是它能够处理海底环境中的原始数据以提供增值信息，而先进的数据采集和处理系统是SMART的核心，它包含一个功能强大的处理器，可以运行复杂的用户指定算法并执行简单的数据分析，如最小/最大/平均值统计和阈值报警和关键事件报告。通过将高带宽传感器数据减少为小型重要数据包，并通过有效管理功耗，可以从内置电池组实现较长的部署时间，从而提高用户对海底环境的了解。

此外，在遥测数据的表面分析需要对传感器参数进行更彻底的审查时，SMART能够从指定时间范围对原始数据进行声学恢复。或者，该系统可以通过以太网连接与BlueComm（Sonardyne的高带宽通过水光通信链路）耦合，从而可以从ROV或AUV获取大量数据。设备恢复后，所有记录的数据都可以从安全存储器下载。

SMART的本质是灵活性和可配置性，连接到不同传感器和数据源的能力是SMART产品线的一个组成部分。但是，这些并不是唯一的选择：SMART可提供一系列铝和铝青铜材料，通过超级双相不锈钢材料，以实现最高的耐腐蚀性。其他选项包括用于增加电池容量和不同连接器类型的较长'maxi'外壳，并且如果需要，可以将其他功能（包括声学定位）添加到监控系统。

技术平台 - 光通信

除了开发声学技术之外，Sonardyne近年来也进入了自由空间光通信领域，成功地将高速水下调制解调器推向市场。

Bluecomm - BlueComm是一种通过水下无线光通信系统，该系统已被开发用于传输海底数据，视频流以及以非常高的速度执行无绳车辆控制。 BlueComm调制解调器系列目前由三种变体组成：BlueComm 100针对浅水“高环境光”操作环境进行了优化，并提供了数据速率和范围之间的良好平衡; BlueComm 200以高达12.5 Mbps的速率发送数据，适用于深夜或夜间操作;而BlueComm 5000的双激光器配置支持高达1,000 Mbps的数据传输速率。

BlueComm使用电磁波谱而不是声压波传输大量数据。通常在450nm蓝光区域运行，BlueComm可以实现大于500 Mbps的数据速率。这种光学数据传输技术非常高效，可以在单个锂D尺寸单元内的能量传输1 Gb数据，传输距离大于150米。

Bluecomm的应用非常广泛：与Sonardyne声学配合使用，低带宽数据可以通过声学传输（例如通过远程开启光学系统），高带宽数据（如视频或声纳成像数据文件）可以使用光学方法。来自海底数据存储中心或数据采集车辆的数据可以由AUV收集，然后转发给ASV或有人地面单元，通过卫星传输到地面站。

惯性系统 - 为了补充其最先进的声学系统并为海底车辆提供最佳定位解决方案，Sonardyne开发了自己的惯性系统Lodestar和SPRINT。 Lodestar是一个综合固态姿态和航向参考系统（AHRS），可升级为SPRINT声学辅助惯性导航系统。该单元由三个高等级，高可靠性，商用环形激光陀螺（RLG）和加速度计组成。所使用的传感器是商用航空标准，拥有15年以上的历史记录，平均故障间隔时间（MTBF）超过400,000小时。

Lodestar AHRS支持串行，以太网和工业标准报文，以实现更轻松的接口连接，还可提供加速和旋转速率等高级输出。机载数据存储和备用电池功能可确保即使通信或外部电源丢失，仍可继续运行并不会丢失数据。

SPRINT是一款适用于海底车辆的声学辅助海底惯性导航系统，可优化使用声学USBL和LBL定位以及Sonardyne的Syrinx多普勒速度记录仪（DVL）和压力传感器等其他传感器的声学辅助数据。这可以提高定位精度，精度，可靠性和完整性，同时降低运营时间和船舶成本。该系统扩展了USBL传输的操作限制，并且可以显着提高LBL系统的操作效率。 Sonardyne的新型第三代SPRINT单元提供电源传递来辅助传感器，从而减少布线和接口复杂性。

SPRINT与Lodestar共享相同的硬件平台，并且是AHRS和INS组合系统：同时运行AHRS和INS算法，允许惯性导航在收到位置更新时立即启动或重新启动，因为AHRS无缝地为INS提供定向启动，避免其他INS系统常见的冗长的“对齐”时间。此后，单独的AHRS和INS计算的方向作为系统健康的指示被自主地监视。

由Sonardyne的声学辅助INS系统SPRINT-Nav提供的精度水平现在使操作员能够进行移动式海底激光测绘和测量。已经报告了设置和成像数据收集时间大大缩短，2017年完成的大量试验和实验项目的后处理结果已被报告满足所有用户要求。

未来的挑战

仍然需要解决的挑战是完成自动化海底导航，定位和通信中心的引入，以实现运营效率和小型船舶的使用。例如，自主水面船只（ASV）的引入将代表文化的变化，操作人员的安全案例依靠冗余和后备系统在卫星导航失败或错误事件中控制船只。其他挑战包括避免碰撞系统的引入和成功应用。

Sonardyne能够提供海洋自治所需的全套综合系统。诸如AvTrak 6仪器等专门针对AUV优化的平台使用该公司的声学系统实现长距离双向低带宽数据和通信传输，同时使用声学中继应答器实现最长的距离，大大增加了自主工艺的操作范围。作为日常跟踪通信的一部分，USBL系统的位置数据遥测可以发送到海底车辆的INS导航解决方案处理器，并且AUV状态信息可以通过相同的过程发回。同样的遥测可用于控制AUV上的系统，如更新任务的系统，或更改开/关传感器或光调制解调器的设置。在发生车辆故障时，AvTrak 6还将作为应急定位器信标，进入待机模式以保存其独立电池，并唤醒并响应来自任何Sonardyne 6G系统的询问。

下一步在哪里？

Sonardyne在数十年前一直是数字海洋学技术的先驱，但公司技术的应用清单同比增长，特别是在涉及自动化和远程操作的地方。

现代技术可以将一艘航天器降落在一颗小行星上，或从地球上的一个控制站飞过土星环，因此Sonardyne认为，地球海洋中的水下无人机的操作很容易在人的能力范围内进行。该公司强调，由于海上人员较少（或没有），因此提供可用于控制，基于状态的监测和数据收集的可用数据至关重要，但认识到在海洋上或海底运行会带来重大的技术和环境挑战。

Sonardyne还指出，通信线不是点对点连接，而是依靠多个系统协同工作，在不同的介质和不同的环境中运行，并且通过互联网带宽变化，通过光纤，卫星，短路波或本地wifi网络，声学调制解调器，光调制解调器，以太网连接和局域网，以及多种数据格式，协议和操作系统，工程师必须以某种方式拼接在一起，以提供用户期望的无缝连接。因此，实现复杂系统有效整合的主要挑战是互操作性，与数字通信公司共同合作共享信息并就标准化数据字符串和协议达成一致。航空和汽车行业已经证明了通过这种方式实现的成功，Sonardyne认为海事技术行业的所有部门都可以从协作工作方式中获益：数字海洋已经在这里 - 它取决于全球海洋界将以有利于行业发展的方式塑造它。

（如发布于2018年3月版的Marine Technology Reporter ）