海洋工程技术专题
编者按
海洋占据了地球 70% 以上的表面，是生命起源的地方，也是人类赖以生存的资源瑰宝。海洋在我国未来发展战略中占有举足轻重的地位。中国科学院深圳先进技术研究院在海洋科研领域深耕多年。本期海洋工程技术专题介绍了他们近期的研究工作，内容涵盖了海工技术、水声技术、水下无线传输技术、海洋生化传感技术和海水淡化技术等，以及南方科技大学海洋系杨挺教授团队关于海底地震仪回收通讯信标的研制工作。
本期客座编辑
吕建成 研究员
中国科学院深圳先进技术研究院副院长
主要研究方向为精密机械结构设计、产品开发。
黄逸凡 教授级高级工程师
中国科学院深圳先进技术研究院生物医用材料与界面研究中心
主要研究方向为高电压与放电等离子体技术研究，包括研发等离子体声源（电火花震源）装备，应用于海洋高分辨地震勘探、水声探测等，同时开展等离子体技术在材料制备、表面处理、环保技术等方面的研究工作。
文章列表
2021, 10(2):3-18.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.20210208001
摘要:
海洋生物化学要素是海洋环境与生态监测的重要对象。传统的监测方法多基于人工操作，需 要使用化学试剂，不仅测量时间长，而且无法及时准确反映海水的当前状态。该文基于光学传感的方 法，研究无需化学试剂的海洋叶绿素 a、化学需氧量(COD)、生化需氧量(BOD)原位传感器和水下浮 游生物成像仪，并基于浮标平台在近海开展了海洋原位测量实验和示范。在海试过程中，通过采用环 境友好的生物涂料和机械刷设计，克服了生物附着对传感器连续工作的影响，实现了传感器连续原位 工作 6 个月以上，实验结果准确反映了海水的真实状态。
海洋生物化学要素是海洋环境与生态监测的重要对象。传统的监测方法多基于人工操作，需 要使用化学试剂，不仅测量时间长，而且无法及时准确反映海水的当前状态。该文基于光学传感的方 法，研究无需化学试剂的海洋叶绿素 a、化学需氧量(COD)、生化需氧量(BOD)原位传感器和水下浮 游生物成像仪，并基于浮标平台在近海开展了海洋原位测量实验和示范。在海试过程中，通过采用环 境友好的生物涂料和机械刷设计，克服了生物附着对传感器连续工作的影响，实现了传感器连续原位 工作 6 个月以上，实验结果准确反映了海水的真实状态。
2021, 10(2):19-28.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.20201106001
摘要:
目前关于超疏水涂层表面黏附性能对其腐蚀性能和表面细菌行为的影响不甚清楚。该文通过 调控聚脲醛纳米颗粒比例，采用喷涂法在 Q235 钢表面制备了具有不同黏附性能的超疏水涂层，并研 究了表面黏附性能对其防腐、抑菌行为的影响。电化学测试结果表明，滚动角＜10°的低黏附超疏水 涂层具有较大的电荷转移电阻和较低的腐蚀电流密度，其防腐能力显著优于滚动角为 175°的高黏附超 疏水涂层。结晶紫实验结果表明，与 Q235 基体相比，高黏附和低黏附超疏水涂层均能显著抑制铜绿 假单胞菌的附着，其中低黏附超疏水涂层抑菌率为 70.3%，表现出更为优异的抑制细菌附着性能。
目前关于超疏水涂层表面黏附性能对其腐蚀性能和表面细菌行为的影响不甚清楚。该文通过 调控聚脲醛纳米颗粒比例，采用喷涂法在 Q235 钢表面制备了具有不同黏附性能的超疏水涂层，并研 究了表面黏附性能对其防腐、抑菌行为的影响。电化学测试结果表明，滚动角＜10°的低黏附超疏水 涂层具有较大的电荷转移电阻和较低的腐蚀电流密度，其防腐能力显著优于滚动角为 175°的高黏附超 疏水涂层。结晶紫实验结果表明，与 Q235 基体相比，高黏附和低黏附超疏水涂层均能显著抑制铜绿 假单胞菌的附着，其中低黏附超疏水涂层抑菌率为 70.3%，表现出更为优异的抑制细菌附着性能。
2021, 10(2):29-38.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.20201121001
摘要:
可靠的回收系统是海洋仪器进行有效观测和获取数据的关键一环，其中仪器在海面上与科考船 之间的通信信标是回收系统中的重要组成部分。该文设计的低功耗海上仪器回收通信信标是一套可用于 海洋仪器回收的轻量化信标机——集成了全球定位系统(GPS)定位模块和 Lora 低功耗远距离通信模块， 浮出海面后可自动切换为待机模式。该系统在低功耗待机模式下理论待机时间长达 5 年，正常工作模式 下可连续工作不少于 48 h。仪器上浮后可以将位置信息发送至客户端，有效通信距离达到 7 km，并满足 9 000 m 水深的深海适用要求。功耗测试与通信测试表明，该设备具有功耗低、定位精度高、可靠性高、 通信距离较远的优点。
可靠的回收系统是海洋仪器进行有效观测和获取数据的关键一环，其中仪器在海面上与科考船 之间的通信信标是回收系统中的重要组成部分。该文设计的低功耗海上仪器回收通信信标是一套可用于 海洋仪器回收的轻量化信标机——集成了全球定位系统(GPS)定位模块和 Lora 低功耗远距离通信模块， 浮出海面后可自动切换为待机模式。该系统在低功耗待机模式下理论待机时间长达 5 年，正常工作模式 下可连续工作不少于 48 h。仪器上浮后可以将位置信息发送至客户端，有效通信距离达到 7 km，并满足 9 000 m 水深的深海适用要求。功耗测试与通信测试表明，该设备具有功耗低、定位精度高、可靠性高、 通信距离较远的优点。
2021, 10(2):39-49.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.20201014001
摘要:
引射器是实现热法海水淡化系统高效节能的重要装置，该文通过三维数值模拟方法研究了双 级引射器内部流动和传输特性，分析了引射和工作流体的混合与扩散过程，探讨了降低能耗的方法。 研究结果表明，喷射器内速度最大值均在轴线处，流体在喷嘴与混合室内流线均匀，而在吸入室内产 生一个或多个涡流。不同引射流体速度下，其混动迹线为不对称分布，随着引射流体速度的增大，引 射流体入口处负压先增加后减小，漩涡量减少且漩涡变小。因此，为改善引射器运行效率，可适当提 高引射流体速度。随着偏离喷嘴中心距离的增大，湍动耗散率明显增大，而湍动能略微增大，漩涡消 散加快。
引射器是实现热法海水淡化系统高效节能的重要装置，该文通过三维数值模拟方法研究了双 级引射器内部流动和传输特性，分析了引射和工作流体的混合与扩散过程，探讨了降低能耗的方法。 研究结果表明，喷射器内速度最大值均在轴线处，流体在喷嘴与混合室内流线均匀，而在吸入室内产 生一个或多个涡流。不同引射流体速度下，其混动迹线为不对称分布，随着引射流体速度的增大，引 射流体入口处负压先增加后减小，漩涡量减少且漩涡变小。因此，为改善引射器运行效率，可适当提 高引射流体速度。随着偏离喷嘴中心距离的增大，湍动耗散率明显增大，而湍动能略微增大，漩涡消 散加快。
2021, 10(2):50-62.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.20201122001
摘要:
针对海工装备上人员与物资安全转运的工程需求，该文对六自由度主动波浪补偿系统中的关键 技术展开研究，设计了一个完整的主动波浪补偿系统，包括运动测量系统、控制系统和执行机构。运动 测量系统采用 MTi 惯性传感器，结合自适应高通滤波器进行船舶运动检测，同时采用双目视觉系统检 测补偿平台末端运动，并基于卷积神经网络实现两类传感器数据的融合。控制系统采用基于神经网络进 行参数整定的自抗扰控制器，可以实现良好的快速响应特性、控制误差补偿和抗干扰特性。执行机构采 用基于液压驱动的 Stewart 平台。通过 MATLAB/Simulink 和 AMESim 平台建立了机、电、液联合仿真模 型，并对所设计平台的先进性和可行性进行了仿真验证。
针对海工装备上人员与物资安全转运的工程需求，该文对六自由度主动波浪补偿系统中的关键 技术展开研究，设计了一个完整的主动波浪补偿系统，包括运动测量系统、控制系统和执行机构。运动 测量系统采用 MTi 惯性传感器，结合自适应高通滤波器进行船舶运动检测，同时采用双目视觉系统检 测补偿平台末端运动，并基于卷积神经网络实现两类传感器数据的融合。控制系统采用基于神经网络进 行参数整定的自抗扰控制器，可以实现良好的快速响应特性、控制误差补偿和抗干扰特性。执行机构采 用基于液压驱动的 Stewart 平台。通过 MATLAB/Simulink 和 AMESim 平台建立了机、电、液联合仿真模 型，并对所设计平台的先进性和可行性进行了仿真验证。
2021, 10(2):63-74.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.20201009001
摘要:
随着我国深海探测活动的不断增多，适用于深海声学传感、声学通讯的各种换能器、传感器 以及相关产品需求不断增加，同时对声学测试平台的要求也越来越高。该文提出了一种 20 MPa 高压 消声水池设计方案，可以满足 2 000 m 水深以内的静压力测试，同时配以声学计量系统可实现不同水 深条件下的声学性能测试。耐压舱采用圆柱形外壳，两端端盖为半球形，内部直径 1.5 m，中心轴向 长度 3.0 m，舱顶部设有两个法兰窗口，窗口内径 200 mm，中心间距 1.0 m，可满足最大尺寸不超过 0.1 m 的声学器件的测量。舱内部安装红松木质的消声尖劈。尖劈采用中空结构，安装后的舱内有效 内径 0.9 m，有效长度 2.14 m(中心轴向)。声学测量(自由场互易法)的设计频率下限为 10 kHz。基于 Comsol 声学模拟，10～58 kHz 频段的回声干涉量大于 1 dB，可采用脉冲波法测量，其中发射脉冲宽 度不超过最短声程差 230 μs(声速 1 500 m/s)。58 kHz 以上频段的回声干涉量不超过 1 dB，可采用连续 波法测量。此外，舱内设有旋转转动机构和轴向伸缩机构，可满足不同角度和不同距离的测量要求， 同时设有照明和摄像系统，满足实时观测的需求。舱内中间段的消声尖劈设计为可拆卸式，且一端舱 盖为电动开合设计，因此也可满足较大尺寸仪器设备的静压力测试需求
随着我国深海探测活动的不断增多，适用于深海声学传感、声学通讯的各种换能器、传感器 以及相关产品需求不断增加，同时对声学测试平台的要求也越来越高。该文提出了一种 20 MPa 高压 消声水池设计方案，可以满足 2 000 m 水深以内的静压力测试，同时配以声学计量系统可实现不同水 深条件下的声学性能测试。耐压舱采用圆柱形外壳，两端端盖为半球形，内部直径 1.5 m，中心轴向 长度 3.0 m，舱顶部设有两个法兰窗口，窗口内径 200 mm，中心间距 1.0 m，可满足最大尺寸不超过 0.1 m 的声学器件的测量。舱内部安装红松木质的消声尖劈。尖劈采用中空结构，安装后的舱内有效 内径 0.9 m，有效长度 2.14 m(中心轴向)。声学测量(自由场互易法)的设计频率下限为 10 kHz。基于 Comsol 声学模拟，10～58 kHz 频段的回声干涉量大于 1 dB，可采用脉冲波法测量，其中发射脉冲宽 度不超过最短声程差 230 μs(声速 1 500 m/s)。58 kHz 以上频段的回声干涉量不超过 1 dB，可采用连续 波法测量。此外，舱内设有旋转转动机构和轴向伸缩机构，可满足不同角度和不同距离的测量要求， 同时设有照明和摄像系统，满足实时观测的需求。舱内中间段的消声尖劈设计为可拆卸式，且一端舱 盖为电动开合设计，因此也可满足较大尺寸仪器设备的静压力测试需求
2021, 10(2):75-84.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.20201103001
摘要:
自振空化射流是在射流过程中利用喷嘴内部结构的振荡特性产生空泡，在射出喷嘴后空泡发 生溃灭来增大射流冲击作用的现象。由于自振空化射流效果与喷嘴结构有密切关系，因此近年来关于 喷嘴结构的优化研究广受关注。鉴于 Helmholtz 喷嘴在增强射流冲击力方面具有明显优势，该文针对 不同结构参数的 Helmholtz 喷嘴的内外流场进行了数值仿真，重点分析了出口直径、出口长度、共振 腔空化长度、共振腔空化直径等关键结构参数及射流靶距对空化水射流效果的影响，相关研究成果可 为空化射流船舶清洗技术提供理论指导。
自振空化射流是在射流过程中利用喷嘴内部结构的振荡特性产生空泡，在射出喷嘴后空泡发 生溃灭来增大射流冲击作用的现象。由于自振空化射流效果与喷嘴结构有密切关系，因此近年来关于 喷嘴结构的优化研究广受关注。鉴于 Helmholtz 喷嘴在增强射流冲击力方面具有明显优势，该文针对 不同结构参数的 Helmholtz 喷嘴的内外流场进行了数值仿真，重点分析了出口直径、出口长度、共振 腔空化长度、共振腔空化直径等关键结构参数及射流靶距对空化水射流效果的影响，相关研究成果可 为空化射流船舶清洗技术提供理论指导。
2021, 10(2):85-97.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.20201119003
摘要:
磁耦合无线充电技术不仅能够为水下设备不间断地提供能量，同时在其传输能量上加载特定 的信号也可以为水下设备构建高速、稳定的数据传输链路，成为摆脱水下设备供电以及通信瓶颈的有 效手段。该文提出一种基于磁耦合的水下无线携能传输技术，采用现场可编程逻辑门阵列(FPGA) 开发了基于频移键控(FSK)调制的无线信息传输和无线能量传输模块，输入功率为 20 W 时，可实 现 1 Mbps 传输速率的无线充电设备水下低功率损耗数能同传。针对水下设备的移动需求导致信道变 化的问题，使用支持向量机(SVM)机器学习的方法进行数据解码，实现了 99.9% 的解码成功率。实验 结果显示，该文所开发的无线携能传输原型系统在高速率、远距离传输条件下，具有良好的能量传输 效率和信号解码准确率。
磁耦合无线充电技术不仅能够为水下设备不间断地提供能量，同时在其传输能量上加载特定 的信号也可以为水下设备构建高速、稳定的数据传输链路，成为摆脱水下设备供电以及通信瓶颈的有 效手段。该文提出一种基于磁耦合的水下无线携能传输技术，采用现场可编程逻辑门阵列(FPGA) 开发了基于频移键控(FSK)调制的无线信息传输和无线能量传输模块，输入功率为 20 W 时，可实 现 1 Mbps 传输速率的无线充电设备水下低功率损耗数能同传。针对水下设备的移动需求导致信道变 化的问题，使用支持向量机(SVM)机器学习的方法进行数据解码，实现了 99.9% 的解码成功率。实验 结果显示，该文所开发的无线携能传输原型系统在高速率、远距离传输条件下，具有良好的能量传输 效率和信号解码准确率。
2021, 10(2):98-108.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.20210122001
摘要:
工作性能稳定且方便平台搭载的高功率脉冲声源对于深海近海底地震勘探至关重要。该文研 究了一种基于高功率电磁脉冲原理的深海脉冲声源，采用 Comsol 多物理场建模仿真、大电流测试和 高速成像等手段，深入研究了高功率脉冲电路、线圈负载放电电流、电流激励的电磁力，以及电磁力 驱动的发射板在空气介质中的振动特性，验证了所建立模型的准确性。通过不同水静压条件下的发射 板振动高速成像发现，发射板的振动幅值随着水静压的增大而略有减小，振动频率不受水静压影响， 从而验证了该类型换能器能够满足深水工作的条件。
工作性能稳定且方便平台搭载的高功率脉冲声源对于深海近海底地震勘探至关重要。该文研 究了一种基于高功率电磁脉冲原理的深海脉冲声源，采用 Comsol 多物理场建模仿真、大电流测试和 高速成像等手段，深入研究了高功率脉冲电路、线圈负载放电电流、电流激励的电磁力，以及电磁力 驱动的发射板在空气介质中的振动特性，验证了所建立模型的准确性。通过不同水静压条件下的发射 板振动高速成像发现，发射板的振动幅值随着水静压的增大而略有减小，振动频率不受水静压影响， 从而验证了该类型换能器能够满足深水工作的条件。
2021, 10(2):109-121.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.20201122002
摘要:
通过对水下作业人员生理信号的实时监测，可以使水面指挥决策人员及时了解水下作业人员 的生理状况，从而提高水下作业的安全性。该文所研制的水下作业安全生理信号实时监测系统的主 要特点包括：(1)使用光电传感器对生理信号进行采集，有效地减弱水对生理信号数据采集的影响； (2)数据通过水声通信技术进行无线传输，提高了水下作业人员的自由度；(3)生理、心理和预警分析 部分集成在甲板单元上，将上传的生理信息数据结合历史数据进行统计分析与对比，能获得更高一级 的预警信息或报警信息。所研制的原理样机系统已完成了水下测试，关键模块的有效性和可靠性已获 得初步验证。
通过对水下作业人员生理信号的实时监测，可以使水面指挥决策人员及时了解水下作业人员 的生理状况，从而提高水下作业的安全性。该文所研制的水下作业安全生理信号实时监测系统的主 要特点包括：(1)使用光电传感器对生理信号进行采集，有效地减弱水对生理信号数据采集的影响； (2)数据通过水声通信技术进行无线传输，提高了水下作业人员的自由度；(3)生理、心理和预警分析 部分集成在甲板单元上，将上传的生理信息数据结合历史数据进行统计分析与对比，能获得更高一级 的预警信息或报警信息。所研制的原理样机系统已完成了水下测试，关键模块的有效性和可靠性已获 得初步验证。
