深渊科考▏深渊着陆器技术研究及马里亚纳海沟科考应用
海斗深渊（Hadal Trench，简称深渊）专指海洋中深度超过6000m的海沟区域，超高压、黑暗无光、低温及构造活跃是深渊的主要特征。在如此极端恶劣的环境下仍然孕育着丰富的生命，Beliaev于1989年报道深渊区域已发现的生物近700种，其中56%为深渊环境所特有。另外，深渊生物在水平分布尺度上也存在巨大差异，相邻海沟之间仅有5%的群落相同，深渊生物群落在垂直和水平分布尺度上表现出了特有的区域专属性。因此，深渊内部生命现象及演化过程一直是国际学术界热切关注的问题，然而受到技术条件的制约，深渊一直是人类难以企及和迄今为止认知最少的地球生态体系之一。学术界有关这一领域的知识仍主要来源于20世纪50年代由丹麦和苏联科学家组织的研究以及英国和日本于2006年启动的“HADEEP”研究计划。
“海斗”号深渊着陆器
不同于海洋其他领域，深渊领域的研究门槛较高，严重依赖于深渊工程技术，一些国家已利用装备优势开展了深渊科考工作，并取得了重大突破和发现，其中，深渊着陆器（Hadal Lander）发挥了重要作用。“HADEEP”研究计划利用2 台深渊着陆器对太平洋内多个海沟进行了科考工作，首次拍摄到深渊特有鱼类的视频影像资料，并捕捉到深渊底栖生物，取得了重要的研究成果；美国国家科学基金会支持的“HADES”计划聚焦于深渊科学问题的国际合作研究，于2014年组织了克马德克海沟和马里亚纳海沟的深渊科考航次，使用的装备中就包括2台深渊着陆器；2012年，美国导演卡梅隆搭乘“DEEPSEA CHALLENGER”载人潜水器成功潜入马里亚纳海沟的挑战者深渊底部，同时使用了2台深渊着陆器协同作业。与传统的载人或无人潜水器相比，着陆器具有结构简单、使用方便、成本低以及具备长时连续探测等优势，在深渊领域的应用前景受到了高度重视。
面向深渊科学近海底长时探测与采样应用需求，中国科学院沈阳自动化研究所与中国科学院深海科学与工程研究所联合研制了7000m深渊着陆器“天涯”号与“海角”号，与商用着陆器通用平台和依赖单元部件集成的着陆器不同，“天涯”号与“海角”号着陆器具有以下技术特点：①区别于采用玻璃浮球作为电子器件耐压密封舱的常规集成设计，采用内部充油的普通舱体，实现了控制和摄像系统硬件的充油耐压，有效解决了深度扩展带来的材料耐压及密封技术；②自主研制的微生物原位富集与固定取样器（简称微生物富集装置）可在原位进行海水过滤，将微生物在滤膜上富集，并使用固定液来稳定和保护极易降解的核糖核酸（RNA），极大地提高了微生物的取样效率和品质；③为提高高清照相机抓拍生物的效率，设计了基于低功耗“诱饵-摄像”系统运动目标检测算法，在获得海底影像资料的同时，实现了对视场内出现生物的实时检测及对高清照相机拍摄的智能触发；④设计了一种防逃逸的底栖生物诱捕器及一种自开口与封闭的沉积物采样器。
本文首先描述了两套深渊着陆器的系统组成及其工作原理，然后针对着陆器平台特点，进行了采样技术研究及取样装置的设计，最后介绍了两套深渊着陆器在马里亚纳海沟进行海试及科考应用的情况，海试结果表明着陆器系统具有较好的稳定性、可靠性和实用性，自主研制的取样装置成功取得了大量的深渊大生物、微生物、海水及沉积物样品。
图1 “天涯”号（左）、“海角”号（右）深渊着陆器
一、系统设计
“天涯”号与“海角”号着陆器如图1 所示，具备深渊环境参数测量、光学观测以及深渊采样等功能，以深渊生物学应用为主要目标，同时兼顾其他学科的应用需求，最长连续工作时间30 d，主要技术指标如表1 所示。
表1 深渊着陆器技术参数
着陆器系统包括本体和科学负载，系统组成如图2 所示。着陆器本体实现系统的下潜和抛载上浮，并为科学负载提供安装基座、能源和信息交互接口，从实现功能上可将着陆器本体分为运载子系统、控制子系统和能源子系统。“天涯”号与“海角”号深渊着陆器采用相同的控制、能源及抛载等核心技术，在结构设计和浮力材料的选择上采用了不同的技术形式。
图2 深渊着陆器系统组成框图
⒈ 运载子系统
运载子系统是运载与支撑平台，主要包括主框架、浮力组件、常载设备、固定压载和抛载。“天涯”号着陆器采样整体式框架结构，框架上部为万米浮力块组件。“海角”号着陆器采用分体式结构设计，浮力组件由7000m耐压的玻璃浮球及其固定框架组成，在布放作业前与主框架连接。常载设备是着陆器实现下潜、抛载上浮、水面示位等基本功能所需设备，包括深度计、罗盘、声学释放器、铱星信标、频闪灯以及液压补偿器。固定压载和抛载用于调节着陆器的水中重量，以获得期望的下潜和上浮速度。
⒉ 控制子系统
着陆器控制子系统组成如图3所示，主要包括主控制器、视频采集、能源管理、应急抛载、绝缘检测等模块和电子舱舱体。主控制器通过传感器数据对系统状态进行判断并做出控制决策，包括下达控制指令、存储观测数据以及记录系统状态等。视频采集模块用于采集摄像机的视频数据并实时处理和存储，通过串口与主控制器通信。能源管理模块用于系统能源保护、电压转换和能源状态监控，由主控制器控制各设备能源开关。应急抛载模块具有独立的能源、控制和执行机构，具备定时抛载和主控制器控制抛载功能。绝缘检测模块是用于检测各壳体与内部电路的绝缘情况。控制子系统封装在充油的电子舱内，电子舱通过软管连接液压补偿器使得舱体内外压保持平衡。
图3 控制子系统原理框图
⒊ 能源子系统
着陆器的能源模块采用了两组锂离子电池组，其中一组电池组专用于摄像系统及照明灯的能源供给。电池组封装在电池舱内，电池舱通过软管与液压补偿器连接。
⒋ 科学负载
着陆器科学负载是指搭载的各种探测设备及采样装置，着陆器提供非自容式科学负载的能源和数据交互接口。面向深渊生物的研究需求，“天涯”号与“海角”号着陆器搭载的科学设备包括温盐深仪（CTD）、溶解氧传感器（DO）、摄像机、高清照相机、闪光灯、采水瓶、生物诱捕器、沉积物采样器和微生物富集装置，并辅以LED灯为摄像机照明。
二、系统工作原理
着陆器布放入水后在重力的作用下下潜至海底，着陆后开展探测作业任务，完成预定任务后抛载上浮，浮出水面后向母船发送其GPS坐标，支持母船依据GPS坐标搜索并回收。两套着陆器均搭载了铱星定位信标用于浮出水面后的示位，搭载了频闪灯便于夜间回收。
“天涯”号与“海角”号着陆器无水声通讯功能，布放入水后完全自治，因此设计如下自主控制功能：利用深度计数据判断自身工作状态，将其作业分为“准备下潜”、“下潜”、“着陆”、“准备上浮”、“上浮”及“浮出水面”6个阶段，主控制器根据不同阶段的作业任务配置执行相应的探测策略。
两套着陆器均搭载了声学释放器，可灵活地控制其回收时间。但考虑声学信号传播的不稳定性以及作用距离的限制，设计了一套独立的应急抛载模块，由应急抛载控制舱和执行机构组成。应急抛载执行机构和声学释放器只需一个执行即可成功抛载。应急抛载执行机构由两种条件触发：一是到达了预先设定的工作时间，由独立的控制器触发；二是下潜过程中系统出现异常，由主控制器根据传感器数据和状态信息触发，触发条件包括下潜速度、系统绝缘、下潜深度、能源状态等发生异常。
三、着陆器采样技术研究
⒈ 诱饵-摄像系统
“诱饵-摄像（Baited-Camera）”系统是一种有效的底栖生物调查手段，“天涯”号与“海角”号着陆器各搭载了1台低功耗摄像机和1台高清照相机用于深渊生物调查，在摄像机和照相机的视场中心布置诱饵吸引生物至着陆器附近，实现了在没有物理扰动的情况下对生物进行观测。
摄像机、照明灯、视频服务器和视频主板构成摄像系统进行视频拍摄与存储，视频服务器采集视频数据并传输给视频主板，视频主板负责视频数据处理、存储以及与主控制器的通信。摄像系统采用固定时间间隔的拍摄模式并由深度触发开启。为提高对生物高清静态照片的拍摄效率，设计了一种基于运动目标检测的算法来判断视场内是否存在生物，由视频主板对视频图像序列进行实时分析、检测，主控制依据视频主板的检测结果判断是否有生物出现，若检测到生物则开启照相机并触发拍摄，否则关闭其电源以节约能源。
⒉ 微生物富集技术
微生物样品一般是在实验室中从采集到的海水或沉积物样品中提取，但对于微生物密度较低的深渊，微生物样品的提取需要消耗大量的海水样品；另一方面，样品在从深渊转移到实验室的过程中，压力、温度等因素的变化会对研究结果产生许多未知干扰，尤其是细胞中极易降解的RNA，从实验室提取的样品难以复现在深渊环境中原有的状态。
为提高微生物的取样效率和品质，“天涯”号与“海角”号着陆器搭载了自行设计的微生物富集装置，其主要结构组成如图4所示，舱体内部充油补偿，各部件通过软管连接。在富集阶段，换向阀切换管路与外部海水连通，在动力泵的作用下，海水中的微生物不断地在滤膜上富集，达到设定的海水过滤量后，换向阀切换管路与固定液连通，将固定液注入滤膜腔内，实现微生物的原位固定。
图4 微生物富集装置结构组成
微生物富集装置由外部供电，通过串口与主控制器通信，该装置还可搭载在载人潜水器、无人遥控潜水器等潜水器上进行取样作业。
⒊ 大生物诱捕技术
当前捕捉大型底栖生物常用的方法有深海拖网、海底橇网、陷阱捕捉器、泵吸式捕捉器等，较大的海水静压力、从水面到海底的距离为深渊生物的捕捉带来了很大的难度，综合考虑深度、能源动力和着陆器在海底的状态等因素，设计了陷阱式防逃逸诱捕器用于着陆器的大生物诱捕（图5所示）。
图5 诱捕器示意图
诱捕器筒体为圆柱形透明塑料，内部放置诱饵，两端入口采用漏斗形设计，可将生物引导至诱捕器内部，入口处还设有倒须渔网，增加了进入取样器内部生物游出的难度。诱捕器两端的盖板通过触发绳连接到抛载机构上（此时盖板处于开启状态），着陆器抛载的同时释放触发绳，盖板在弹力绳的作用下将诱捕器两端封闭，防止生物在上浮和回收过程中逃逸。
⒋ 沉积物采样技术
针对着陆器着陆瞬间冲击及抛载上浮的特点，着陆器携带的沉积物采样器在着陆瞬间插入沉积物内部，随着陆器抛载上浮拔出而完成沉积物的取样。为避免样品在上浮过程中流失，取样器上下两端均设计了一个单向开启的弹簧挡板（结构简图如图6所示），取样时挡板在沉积物的外力作用下开启，取样完成后又可在扭簧的作用力下闭合。
图6 沉积物取样器示意图
四、马里亚纳海沟深渊海试与应用
⒈ 试验基本情况
“天涯”号与“海角”号着陆器在马里亚纳海沟的试验与应用分两个阶段开展：第一阶段是技术下潜，主要用于测试着陆器的功能、性能指标和综合探测能力；第二阶段是科考应用下潜，针对深渊科考需求开展应用性试验。航次期间，着陆器共计完成11次试验任务，包括4次技术下潜和7次科考应用下潜，其中“天涯”号着陆器下潜8次，海底探测作业时间累计约94h47min，“海角”号着陆器下潜3次，海底探测作业时间累计32h57min，试验概况如表2所示。
表2 深渊着陆器试验概况
“天涯”号着陆器技术下潜的最大下潜深度为6985m，平均下潜速度为35.8m/min，坐底观测13h57min，达到设定工作时间后应急抛载模块成功触发，平均上浮速度为40.8m/min；“海角”号着陆器技术下潜最大深度为6665m，平均下潜速度为36.6m/min，坐底观测10h40min后通过声学释放器释放抛载，平均上浮速度为39.0m/min。
海试期间，结合着陆器的技术状态和科学需求，在现场对“天涯”号着陆器进行了改造，第一次改造拆除耐压深度为7000m的设备，调整了拍摄视角，用于获取7500m以深的深渊生物观测数据，改造后成功完成了3个科考应用下潜；第二次改造用于获取万米深渊的生物、海水和沉积物样品，改造后保留了具备万米承压能力的浮力材、声学释放器、铱星信标和频闪灯来实现最基本的运载功能，搭载了5个生物诱捕器、13个采水瓶、2个沉积物取样器以及1个原位培养实验装置，成功实现1次万米下潜。
⒉ 取得的成果
⑴诱饵-摄像系统观测成果两套着陆器搭载诱饵-摄像系统在10个站位获取了5076～7 850m不同深度的生物观测影像，累计拍摄视频141h46min，其中海底观测视频114h43min，拍摄到多种深渊生物的视频影像，包括狮子鱼、十足类、端足类生物以及部分尚待鉴定的物种。高清照相机在6个站位拍摄到5570～7034m不同深度的高清照片6625张，获得了大量的生物高清照片。
⑵微生物富集样品在9个站位进行了微生物样品的采集，其中8个样品在原位进行固定，1个用于对比试验而未作固定，最大取样深度为7850m，单次最大海水过滤量达到150L。目前实验室初步检测表明微生物样品采集达到预期效果。
⑶大生物诱捕样品两套着陆器搭载生物诱捕器于7034m和6879m深度成功捕获了7只深渊特征生物狮子鱼，体长18.2～22.3cm，并在5000m级、6000m级、7000m级和10000m级不同深度捕获了1964只端足类生物，体长0.5～15cm不等，另外还捕获取到2只十足类对虾和3只待鉴定的生物。
⑷沉积物样品“天涯”号着陆器4次搭载沉积物取样器进行取样作业，在3个站位成功获取沉积物样品950mL，其中640mL样品取自万米深渊，这是我国首次获得深度超过万米的沉积物样品。
⑸其它科考成果着陆器搭载的CTD和溶解氧传感器获取了7个站位的CTD及溶解氧含量的数据；使用采水瓶在10个站位获取了5000m，6000m，7000m和10000m级系列海水样品共计231.1L，其中在万米深渊中单次水样采集超过100L，在国际上尚属首例。
表3 马里亚纳海沟海试成果清单
表注：“√”表示数据正常；“--”表示未搭载该负载；“×”表示未成功取样。
表3所示为马里亚纳海沟的试验与应用期间获得的成果清单，部分典型科考成果见图7。
A.狮子鱼样品B.端足类钩虾C.原位拍摄的狮子鱼照片D.沉积物样品E.微生物滤膜
图7 科考成果展示
五、结论
海斗深渊科学是当前海洋领域新的研究热点，代表着较前沿的研究方向，深渊装备是海洋工程技术领域的一大挑战，近年来着陆器在深渊科考领域取得的成果引起了学术界极大关注，具有较好的深渊应用前景。
我国自主研制的“海角”号和“天涯”号7000m深渊着陆器平台和采样技术具有鲜明的技术特色。平台技术上：①采用了充油补偿的舱体设计，解决了电控和视频系统硬件充油耐压的技术问题；②自主研制的应急抛载模块提高了着陆器系统的安全性；③采用的控制与能源管理技术有效地提高了能源的利用率和观测效率；采样技术上：①自行研制的微生物富集装置提高了微生物的取样效率和品质；②设计了基于低功耗诱饵-摄像系统运动目标检测算法，实现了对视场内出现生物的在线检测及对高清照相机的智能触发；③设计了一种深海底栖生物防逃逸诱捕器及一种沉积物采样器。相关平台技术和采样技术均在海试和科考应用中得到了验证。
海试结果表明，基于运动目标检测的触发拍摄模式对于体形较大的狮子鱼、十足类和巨型端足类生物检测率达到100%，微生物富集装置在取得了大量的微生物样品的同时也成功实现了对微生物的原位固定，设计的底栖生物防逃逸诱捕器和沉积物采样器可以有效获得生物和沉积物样品。
“天涯”号深渊着陆器
【作者简介】文/陈俊 张奇峰 李俊 张艾群，第一作者陈俊，男，1988出生，中国科学院沈阳自动化研究所，中国科学院大学博士研究生，主要从事深海探测系统设计及探测技术研究。本文来自《海洋技术学报》（2017年第1期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者与出版社共同拥有。
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