在海洋地震监测系统中，海底地震观测设备可分海底地震观测设备（摆墩式和掩埋式）、海底钻孔内的地震观测装置^[7-8]和海底缆式地震观测设备（Ocean bottom cabled seismometers，简称OBCS）^[6，9]所组成。其中的OBCS是在海底通讯电缆技术的基础上发展起来的，利用海缆的连接头空间，内置地震观测设备；它具有系统集成度高、观测参量多的技术特点。海底地震观测设备包括水听器、强震仪、宽频带地震仪及其它观测要素的传感器或设备；主要适用于海底地震活动性和海啸预警等。图2所示的是海底地震观测设备拓扑图。

图1 在线实时海洋地震观测的场景图Fig.1 Scenarios for online real-time marine seismic observation

图2 地震观测技术子系统子系统的拓扑图Fig.2 Topology diagram of the Seismic Observation Technology Subsystem

海底地震仪（Ocean Bottom Seismometer）是海底观测地震的专用科学仪器。其技术要求具有较高的信噪比，技术指标是频带范围、灵敏度等。海底地震观测仪器除受到“洋流、倾斜和海底耦合”等因素影响之外，还受设备功耗、观测数据的采集、储存与发送功能、授时与守时精度等功能约束；因此，要求具备“大动态范围（144 dB）”和“宽频带（0.001~50 Hz）”等技术特性，相应技术难度很大^[5，9-13]。强震仪（Strong motion seismograph）是指记录附近强地震在地面运动的自动触发式地震仪^[14]。其技术要求是仪器的本底噪声水平尽可能低，以提高其获取微弱信号的能力。因此，要求设备的频带范围（DC-280 Hz），灵敏度（2.5 V/g），采用率（50 sps，100 sps，200 sps，500 sps可调），动态范围（＞150 dB）。水听器（Hydrophone）是指专用来接收水中的声信号的换能器，其技术要求是灵敏度高，一般需要匹配专门的前置放大电路。频带范围（0.1 Hz~5 kH），灵敏度（-190 dB（re：1 V/µPa）），采用率（50 sps，100 sps，200 sps，500 sps可调）。另外，倘若扩展水听器的低频频带和改善水听器的低频特性，可获得更高质量的水下低频声波信号。压力计（Pressure gauge）是指专用于接收由“海啸”或“内波”引起的水体中波动产生的压强变化信息，其主要技术要求是耐压深度（若是深海中，需超过40 MPa耐压），高精度（一般需要达到满量程的0.05%）以及高分辨率（一般需要达到满量程的0.001%）。

在海洋地震监测项目的系统设计中，若集成地磁仪、温度测量仪，定向和姿态监测设备等；再拓展一些海洋化学和物理海洋学等学科的观测项目，可为海洋地球物理观测学科朝多学科交叉研究方向提供技术支撑。

岸基数据处理子系统是海洋地震监测系统的信息集成平台所在，也是整个系统的控制中心。其主要功能是：一为浮标和所有海面和海底科学仪器实现实时监测、远程控制与运行管理；二是本地数据库和大容量数据服务系统，用于监测数据的流转、存储和分析以及可视化；三是实现与用户终端的数据交互。图3为岸基数据处理子系统的系统框图（或拓扑图）。

由图3可见，岸基数据处理子系统的主要组成可分三个部分。其一，系统管理与控制软件：对浮标、数据传输系统、海底地震设备等具备运行状态、远程控制、数据采集、存储和可视化功能；其二，数据传输：该接口符合中国地震局Jopens6系统地震观测数据传输协议的要求，并提供所有监控数据的数据格式及协议；其三，数据展示界面：可实现系统状态数据显示、数据异常预警与报警、视频播放和存储等功能。所有的监测数据可在集控台显示，并可推送至移动用户终端，帮助工作人员全方位了解系统情况，并进行特殊情况处理。

通讯和供电子系统是海洋地震监测系统的信息传输、时钟服务和水下设备供电的综合平台，分“基于海洋浮标平台的海洋地震监测系统”，和“基于海底网络平台的海洋地震监测系统”两大类。这两类的主要特点可从信息传输方式区分，即“无线传输”和“有线传输”。

图3 岸基数据处理子系统的拓扑图Fig.3 Topology diagram of shore-based data processing subsystems

图4 十米直径的三锚式大型浮标示意图Fig.4 Schematic diagram of a three-anchor large buoy with the diameter of 10-meter

1.3.1 基于海洋浮标平台的通讯和供电子系统

海洋资料浮标（简称浮标）是利用无动力漂浮载体获取海洋环境（水文、气象、生态和地球物理观测等）参数信息的无人值守自动观测系统。分锚系浮标（Moored buoy， MB）和漂流浮标（Drifting buoy，DB）两类。通常浮标尺寸越大，生存能力越强^[15]。从海洋地震监测系统的功耗、稳定性等综合指标需求考虑着手，基于海洋浮标平台的海洋地震监测系统建设的研究对象是大型浮标，通常直径大于等于十米的浮标为大型浮标^[16]。建设项目就是要将其锚泊在离岸较远（大于几十海里）的特定海域，进行地球物理等要素的在线实时监测；利用卫星或移动通信网络，将观测数据传输到岸基数据接收站，该系统需具备在特定海域连续观测、环境适应性强、无人值守全自动化、兼顾海面海底观测等特点。目前浮标种类很多，但浮标的稳定性和可靠性，是浮标正常工作极为重要的性能因素。为了克服恶劣环境对浮标监测系统的影响，提高浮标的适用性、可靠性及安全性，是以，海洋地震监测系统的锚系浮标配套选型至关重要^[17]。鉴于三锚式浮标具有较强的抗恶劣环境和限制海面标体的转动等能力；因而，具备既可保证海上系统具有良好的通讯姿态，又可避免水下海缆与锚链的缠绕^[18-19]等优点，本文选三锚式大型浮标作为重点研究对象。图4为三锚式大型浮标示意图，其基本结构是由一个中心主浮标体和三个外围保护浮鼓及配套锚系组成。

当浮标位于海面上，与陆地的通讯方式通常选择无线传输。当处于有4G信号覆盖海域中，基于成本和功耗考虑，优先采用4G传输方式。当远离大陆或海岛时，尤其是4G信号无法覆盖的海域，只能选择卫星通讯方式。供电一般采用太阳能模式。通过充放电控制和内置大容量的蓄电池，组成一个不间断供电系统。浮标系统通过光电复合缆与水下的海底观测平台连接，其中的电芯用于供电，光芯用于通讯。

基于海洋浮标平台无线传输的无线传输系统的设计方案：部署1台4G路由器，4G路由器连接包括海底地震观测在内的所有水下设备；基于卫星通信网络，拨号进入行业内网；岸基数据处理子系统部署1台VPN汇聚路由器，提供通信网络接入。图5为基于海洋浮标平台的通讯和供电子系统的拓扑图。

图5 基于海洋浮标平台的通讯和供电子系统的拓扑图Fig.5 Topology diagram of the communication and electronic supply system based on the marine buoy platform

1.3.2 基于海底网络平台的通讯和供电子系统

利用海底电报电缆或光缆实现海洋地震观测子系统和岸基数据处理子系统时，常采用光电复合缆的方式连接，其中的电芯用于供电，光芯用于通讯。图6为基于海底网络平台的海洋地震监测系统的拓扑图。

在海洋地震监测系统中，在海域部分，通讯和供电子系统项目建设中需部署1台接入交换机和1台接入汇聚点路由器。其中，前者下联地震观测技术子系统中的地震专用设备，上联后者；接入汇聚点路由器为海洋地震观测子系统的通信网络提供接入服务。在陆地部分，由于位于陆地岸基数据处理子系统获取供电和通讯等资源较为丰富和方便。在通讯方面，系统信息接入互联网和供远端的数据中心访问时，既可选择4G无线方式也可选择有线光纤方式。在供电方面，即可以采用太阳能模式也可以采用市电模式，或两者兼顾，或与蓄电池组构成不间断供电系统。

图6 基于海底网络平台的海洋地震监测系统的拓扑图Fig.6 Topology diagram of marine seismic monitoring system based on submarine network platform

选择海洋地震监测系统中的“通讯和供电子系统”的平台模式，关系到项目建设投资大小。从日本的S-NET^[9]和台湾的“妈祖”海底地震网络^[27]和建设中三亚—汕头南海北部海底网络^[28]的建设投资调研来看，结合我国海洋地震监测项目发展现状分析，建设基于海洋浮标平台的地震监测系统更具有操作性，实现该领域的技术突破更为可行。

从海洋浮标的实时传输数据容量、能源补给、建造材质以及观测要素的技术需求来看，在选择“通讯和供电子系统”采用海洋浮标平台时，采用直径为10 m、具有较强的抗恶劣环境和限制海面标体的转动等能力三锚式大型浮标可作为优选。另外，自2015以来，美国SEA-BIRD公司研发了“在线实时电磁感应调制解调海洋锚泊系统（Real-Time Oceanography with Inductive Moorings and Induc‐tive Modem Module）”，这种经济、灵活、可靠的解决方案也可作为今后另一种选择。这种方式的信号在海洋中的传输范围可达7000 m（SEA-BIRD SCI‐ENTIFIC Application Note 92），具备将“基于浮标平台的海洋地震监测技术”拓展到深远海域的潜力；但该方式的信号传输速率不高，有待于进一步完善。

从海洋浮标的专业化功能划分，本文所提出的基于海洋浮标平台的地震监测系统建设方案，将是我国海洋资料浮标观测技术应用领域的一次新尝试/探索，是地球物理学和海洋科学的多学科交叉，地球物理观测、海洋技术和通讯技术的融合成果。

对海洋地震监测项目建设各个阶段的安全保障措施要有针对性，区别对待。例如，在项目建设初期，为确保项目运维工作安全顺利，根据中华人民共和国海域使用管理权规定，需要向当地海事局申请海域使用权，办理报批程序，做到在特定海域布放“海洋地震监测系统”海床基和浮标观测设备合规合法。在设计过程中，充分考虑海上设备抗风、浪、流能力，要重视设计安全、材料安全、工程安全，确保结构从理论上满足功能需求之外，还要保障结构性能稳定、合理与有效。还必须考虑到突发事件、自然灾害、人为破坏等因素对海上设备的安全影响。在海洋浮标的浮体、标架、供电系统、防护设备和防污损措施等环节的设计加工制作以及材料挑选时，重点考虑各个部件材料符合质轻、防腐、防生物附着和耐用等特性，同时要确保外界荷载在材料的强度范围内；注意加工工艺和精度，采用新技术新材料，提高海洋设备的防锈、防腐、耐压和水密能力；在海面设备上做清晰的安全警示标识。在设备布放前，一是布放场地需做场地勘查，确保海底观测可靠性；二是要对仪器设备进行系统全面测试，确保从浮标结构稳定性、电气可靠性、电气绝缘程度和网络安全性等各个环节均处于正常状态；三是制定详细布放实施方案和应急措施。在设备布放中，严格按照施工实施方案执行，由专人指挥、每个施工人员均需得到安全培训后上岗，明确各个岗位的安全职责、保持各个岗位之间的通讯顺畅，要注意安全保护措施。确保施工船只和辅助设备均处于良好的工作状态。在施工过程中，海上设备会面临疲劳、磨损、损耗等问题，要求现场人员及时进行检查评估，从安全的角度制定维护、修补或拆除等方案。在海缆布设的项目中，需要通过铺缆机开挖到一定深度，再利用ROV将OBCS掩埋到海底沉积物之中。以防止拖网船作业时将海缆及OBCS拉断，导致系统的崩溃。在设备布放后，要对设备做全面检测后退场。事后，要在附近海域的城镇做一下进行科普宣传，增强当地民众对于海上设备保护意识和法律意识。

基于海洋地震检测系统的安全因素分析，除这个系统的设计与选材之外，还应着重关注“锚泊系统与水下数据传输链”和“水下数据传输链与海底地震监测设备”之间连接技术细节，要制定具体的技术保障措施。

降低或减弱对海洋地震监测系统的采集信息质量几个影响因素的作用，可提高海底地震观测信息的数据质量。因此，在制定海洋地震监测的质量保障措施时，重点在于地震观测技术子系统。除了选用高性能的专业地震监测设备和勘选好场址两个必要条件之外，还需重点关注地震观测技术子系统的地震设备结构设计、加工制作和安装方式等技术环节。具体的保障措施可从以下两方面着手：

从图6可知，海底洋流影响海底地震观测记录质量主要因素之一。在海底地震设备结构设计与加工制作时，要做好观测传感器与海底洋流的隔离措施。例如，一是海底观测装置外壳与内部机构要分离，其中内部机构包括地震计、强震仪等高灵敏度监测设备，减弱受外界环境变化的影响程度；二是仪器内部结构要到紧凑和坚固，在经受强大外力影响后，仍不改变原有技术性能；三是仪器底座设计和加工要做到容易与海底良好的耦合关系、确保设备水平。倘若采用CORK技术，观测仪器要安装在海底基岩中。

海底地震监测设备的安装方式方法选择和实施是决定海底地震观测记录质量的另一个主要因素。图7是四种不同安装条件下的垂直分量的背景噪声比较^[26]。尤其是，将同一类型的地震设备不同的安装方式（安放在海底—掩埋在海底—掩埋在海底再加不锈钢盖罩住），国外学者在研究海底地震背景噪声特征时认为，频段为0.05~0.5 Hz（20~2 s）信号源为海陆耦合作用所致，也与海流有关；并可分两个频带：单频地脉动（single-frequency micro‐seisms），频率范围为0.05~0.1 Hz（20~10 s）；双频地脉动（double-frequency microseism），频率范围为0.1~0.5 Hz（10~2 s）^[29-30]。其中的双频地脉动信号又可再分为二类：长周期信号的能量集中在0.1~0.2 Hz（10~5 s），声源主要产自海岸边；短周期信号的能量集中在0.2~0.5 Hz（5~2 s），声源主要来自深远海域^[32]。小于1 s频段信号大多数属于近源噪声。显然，图8中的第四种（d）地震计在海底的安装方式，起到一定的抗洋流和减低海底噪声的效果最佳。2023年11月，广州海洋地质调查局和珠海泰德企业有限公司联手，在珠江口采用5台TDOBN-53节点式海底地震计进行海底背景噪声观测实验，其结果也验证采用“将OBN掩埋和再用罩子”的方法，可提高海底地震信号的信噪比（相关成果待发表）。

图8 四种不同安装条件下的背景噪声比较Fig.8 Comparison of background noise under four different installation conditions