本课题是在国家科技部重点研发计划“极区重点海域冰下浅表层声学特性观测与分析”(项目编号:2018YFC1405902)的资助下针对北极海冰和海洋浅表层环境观测设计一种冰-海界面声学监测系统。20世纪以来,全球气候发生了巨大的变化,地球两极的变化对气候的改变有显著的影响。2012年4月,英国气象局的报告显示全球平均气温自1900年以来升高了0.75°C,其中北极地区的上升幅度是全球平均的2～3倍。海冰的变化是全球气候变化的指示器,不论是冬季或夏季,北冰洋区域的海冰覆盖范围出现明显的递减趋势。北冰洋区域海冰的快速消融体现在一年冰占有率提升、海冰厚度减小、多年冰的比例降低和融池增多等方面。因此,近些年国际社会开始对北极地区布放冰基浮标、海冰漂流浮标和气象观测站等自动监测化设备,获取的原位观测数据已得到很大的应用研究。当前,国内外采用的冰基浮标有以下几种类型:IMB海冰物质平衡浮标,搭载海冰温度链、气温、气压传感器等外部观测设备,用于实时并持续性观测海冰物质平衡变化;M-CAD极地浮标,是一款经济型、实时提供环境气象数据的海冰浮标,搭载气象和上层物理海洋观测传感器,能够获取气温、风速和风向等基本气象要素和海水温度、电导率等上层海洋物理参数;ICE BEACON浮标能够用于监测海冰的漂移轨迹,获取冰面气象、海冰和大气温度等数据,并且能够通过处于海水中的温盐测试仪采集海水温度、盐度和深度数据。综上所述,常用的极地观测设备均存在部分缺陷,尚未开展北极海洋声场环境观测业务,缺乏冰下浅表层声学特性数据的获取。针对上述问题,本文通过了解北极现场环境要素及国内外极地观测装备研发现状,根据设计要求和研究内容,设计并研发了一款冰-海界面声学监测系统,集成温湿度、大气压、C.T(conductivity temperature)、温度链及水听器等多个传感器。在硬件电路系统设计的基础上,完成程序的编写,实现各观测模块全天候的自动化观测;为实现无人值守状态下的持续性观测,选型低功耗电子元器件,设计低功耗硬件电路,并且设置负载电源控制策略,用于延长监测系统的工作时长;设计冰下浅表层声学特征信息提取方案,完成北极海洋声场环境的观测目标;通过采用Java语言和SQL数据库对远程监控平台的设计,实现现场原位数据的接收和系统工作状态的实时监测;因此,基本完成冰-海界面声学监测系统的研发,实现了对北极海冰变化及海洋声场环境的观测。极地声学监测系统采用模块化的设计方案,包括气象要素、海冰温度剖面、浅表层温盐剖面、声信号特性等观测模块及通讯模块、供电模块、GPS模块等功能部分,能够完成冰上气象、海冰物理、浅表层声学特性以及水文剖面参数的持续性观测。根据系统设计的采样策略与铱星通讯策略,完成各个观测模块原位观测数据的采集和发送,并且通过铱星通讯模块实现大数据的传输任务。声信号特征信息提取方案的设计是整个监测系统的核心部分,包括噪声矢量场与猝发声场事件的特征信息提取。在猝发声场事件观测中,对系统采集的声场数据进行猝发声场事件检测算法,辨别噪声声场和猝发声场事件,并通过声压与振速信号提取特征和方位信息;在噪声矢量场观测中,通过特征信息提取算法,利用声压与振速信号运算得到互功率谱、平均功率等声学特征信息,因此确保获取冰下浅表层的声场环境观测数据。在完成声学监测系统样机的研发后,对系统进行野外国内实验,并且通过实验室内的低温性能和功能测试等大量实验,因此能够验证声学监测系统功能的可行性和数采模块的稳定性;在后期对实验数据的处理及分析中,提出对监测系统的优化方案,保证原位观测数据的准确性和传输成功率,为未来在北极中心区域的布放打下良好的基础。