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3 p6 G2 X) I( q' U 文 / 梁 捷(国家海洋技术中心，天津 300112)
+ f2 S0 |2 n( @4 H6 s 摘 要：通过海流测量技术的沿革等示例，浅谈了水声技术与海洋观测之间相互依赖相互促进的关系。表明了海洋观测技术在海洋活动中的基础地位，并概括归纳了它的技术特点。强调了传感器技术、观测平台技术和通讯技术在海洋观测技术中的作用。阐述了目前在海洋科学方面和海洋管理方面，海洋观测技术所面临的挑战，以及海洋观测技术向自动、实时、同步、长期连续观测和多平台集成、多尺度、高分辨率观测方向发展。形成从空间到海床，从沿岸到大洋的立体的网络化的发展趋势。 5 \8 B' R& S: ]9 ]' m9 S
关键字：水声技术；海洋观测技术；观测平台技术  
" q9 F; m8 }1 W9 n# T 海洋观测技术
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a. V, M' A6 U# n 引言 海洋的重要性在 21 世纪比任何一个历史时期显得更重要，而且会越来越重要。保护我们的星球，合理可持续地开发利用海洋在相当的范围内达成了共识。然而“人类对海洋的认识并不比对火星的认识更多”。作为认知海洋、掌握海洋、利用海洋的基础手段——海洋观测技术，面临着巨大的挑战和难得的机遇。
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水声技术与海洋观测 % F# q! Y5 P) o4 k
1.1 水声技术一直推动着海洋观测技术的进步 迄今为止，声波依然是已知的在海水中最好的信息载体，如同空气中的电磁波。水声技术源于海洋中目标物探测的需要，并很快成为海洋观测的主要技术之一，并一直推动着海洋观测技术的进步。海流作为海洋中主要的动力参数之一，对它观测的技术沿革可以充分地说明这一点。最初的机械转子式海流计仅能够测量单点平均流速且对流场有干扰影响，测量准确度仅在厘米量级；之后的声学矢量海流计不仅能够单点测量平均流速而且还能够精确测量瞬时流速，测量准确度可以达到毫米，对流场的扰动也降低了许多；现在的声学多普勒海流剖面测量仪，不仅测量准确度达到毫米量级，对流场无扰动，而且在观测效率上有了极大的提高。它可同时测量垂直剖面上近百层的瞬时流速，精细分层达到米级。它不仅适用于定点测量方式而且也适用于走航测方式。它已被广泛地应用到潜标、浮标、坐底观测系统、AUV、滑翔器等几乎各种观测平台上，极大地丰富了海流观测的手段，实现了各种方式的观测。不仅如此，它还改变了人们认识海流的方法，从孤立的一点，扩展到了垂直剖面，从两维水平空间扩展到了三维立体空间。由此使得海洋学家能够从微观到宏观，从单点到立体更加全面地研究海流，揭示海流的内部结构和变化规律。此外，还有一些水声技术应用于海洋观测的例子。例如，多波束条带声纳极大地提高了对海底地形地貌的观测效率；声学通信技术不仅使水下观测系统实现了实时通信，而且使得水下组网观测成为可能。将来人们能够坐在办公室里观察到水下海洋环境的情况。因此，水声技术在海洋观测技术中有着举足轻重的地位和不可替代的作用。
& @1 f" n# N- c# h# x; q2 t 1.2 海洋观测促进水声技术的发展 海洋环境是复杂的。作为声波传播介质的海水是流动的、波动的、内部不均匀的。它随机的时空变化，往往表现在“异常”的海洋观测数据中，而不能单纯地用海洋学的观点或物理声学的观点解释，由此产生了海洋声学或者称为水声物理，从而奠定了水声技术的理论基础。为了达到观测的目的，水声技术必须解决适应复杂海洋环境的各种技术问题，同时还要解释海洋环境中各种要素、过程和现象在声波中信息，从而促进了水声理论和技术的发展，例如时间反转镜技术、声相干技术、声层析技术等的出现。
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海洋观测技术 海洋观测技术是获取海洋信息的技术，是多学科交叉的高技术。它是所有海洋活动，包括海洋科学研究、海洋经济发展、海洋环境保护、海洋资源开发、海洋国防建设的基础。海洋观测有以下几个主要特点：(1) 观测时空尺度跨度大，例如从厘米级的湍流观测，到上百千米的中小尺度涡旋，甚至几千千米洋流观测；(2) 长期连续性，从变化周期为几个月的动力学系统的观测，到需要几个月甚至几年的海洋温度变化观测，板块运动的观测；(3) 同步性，例如海气相互作用的观测；(4) 越是极端恶劣情况越需要观测，其数据的价值越高，例如风暴潮观测。这就要求海洋观测技术要解决观测设备的长期可靠性、低功耗、小型化、抗恶劣环境等技术问题。海洋观测的要素多种多样，使得海洋观测技术的种类繁多，但概括起来，海洋观测的主要技术可分为传感器技术、观测平台技术和通讯技术。% p% K+ i& a3 t. N
2.1 传感器技术 测量传感器技术是海洋观测技术的核心技术和基础技术，也是发现海洋新现象、创新观测技术的必由之路。传感器的测量精度越来越高，响应时间越来越快，长期稳定性越来越高，适应不同测量平台的能力越来越强。现场测量、原位测量是海洋观测技术的要求，也是海洋观测技术与实验室测量技术的最大区别，也是最重要的特点和难点。因此除了研究传感器技术本身之外，还应当研究如何将实验室传感器测量技术应用于海洋观测中，适应海洋现场、原位测量环境的技术。2.2 观测平台技术海洋观测与其他观测的最大不同是海洋观测的实现必须需要搭载测量传感器的观测平台，没有平台就不能实现观测。而观测平台的特征决定了观测的方式和方法，例如传统的浮标、潜标这种系留式平台，实现的是海表层或海水中的定点观测，现代又发展成沿系留缆垂直上下移动的系留式升降平台，可实现定点垂直剖面观测。海床基这种固定式平台，实现的是海底定点观测。现代大量涌现的移动式平台，包括拖曳式、AUV、滑翔器、漂流浮标、剖面漂流浮标等实现自动或随动的水平扫描，垂直扫描或者任意形状扫描式的观测。被观测要素的主要特征也对观测平台提出特定的要求，例如矢量参数的测量对平台自身稳定性有较高的要求，而对同一观测要素其观测方法不同，对平台的要求也不相同，例如测量波浪，在浮标上测量波浪要求浮标的随波性较好，而用声学方法测量波浪，则要求平台稳定性较高。海洋观测平台不仅要满足观测的要求，而且还要抵抗恶劣的海洋环境，甚至是人为的破坏。) S) E* w. _; m0 [
2.3 通讯技术 通讯技术也是海洋观测技术中不可或缺的技术。由于海洋作用日益凸显，加之海洋环境的随机时空变化的特点，因此及时了解和掌握海洋环境的变化变得越来越迫切和重要。这种要求体现在观测技术上就是实时获取观测数据。而通信技术是实现这种要求的唯一手段。空中的通讯技术已经非常发达和日臻完善，但应用到海洋观测中还存在着环境适应性问题，特别是极端恶劣环境下通信能力有待提高，通信系统的低功耗有待降低，水中通讯技术依然需要进一步研究。
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海洋观测面临的挑战
) o0 Z5 \& C# \) \7 X 3.1 海洋科学研究的需求 世纪之交，美国科学基金会发起组织了“十年委员会”，目的是评估“未来十年里发现和认识海洋科学最重要和最有希望的机会”。“十年委员会”在广泛征求 2000 多位科学家的意见最终形成了《新千年的海洋科学》(Ocean Sciences at the New Millennium)。报告中指出：海洋在全球气候中的作用；长期海洋观测和预报；海洋湍流；非均衡的生态系统动力学；海洋下的海洋——液流和对地质、化学以及地壳生物的影响；海洋岩石圈和边界动力学等，是可能导致重要新发现的跨传统学科的合作领域，也是应该继续深入的研究课题。这些问题的解决迫切需要建立新的、有创新性和有别于传统意义上的海洋观测手段。
* K, I# t) _% X- M 3.2 海洋管理的需求 海洋污染日益严峻，海洋环境保护更为重要。近海生态系统正经历着前所未有的破坏，从生物栖息地(湿地、海草床基、珊瑚礁)的恶化，氧耗损、有害藻类水华、鱼虾资源的减少，到溢油事件的不断发生。商业、娱乐、自然资源的开发利用与环境保护间的矛盾将会越来越尖锐。海洋权益维护形势十分严峻。由于海洋蕴藏着丰富的资源，也是国际贸易的重要通道，因此国家之间的海上利益冲突日益尖锐。; N+ Q4 B2 H; {9 @( T
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u( b$ q* J1 x 海洋观测技术发展的趋势 随着对海洋了解的深入，传统的观测方法已无法满足对许多重要海洋过程在时空尺度上进行有效的采样，不能进行深入的研究。随着海洋资源的开发力度不断加大，沿海经济总量的不断增加，传统的观测技术也无法满足综合海洋管理的需要。随着卫星遥感技术、水声探测技术、雷达探测技术、各种观测平台技术、传感器技术、通讯技术(包括水声通信技术)和水下组网技术的进步，海洋观测技术向自动、实时、同步、长期连续观测和多平台集成、多尺度、高分辨率观测方向发展，形成从空间、水面、沿岸、水下、海床的立体观测。在海洋中建立一个互动式的、分布的、综合性的传感器网，实现实时的多学科观测是一种发展趋势。这种观测网由多个海底节点构成。每个观测节点采用浮标、潜标、海底观测系统、定点剖面系统等构成，观测节点之间的观测采用滑翔器、AUV 等移动式平台弥补。观测节点和移动平台的部分观测采用声学遥测方法拓展观测覆盖面，增加采样密度。节点与节点之间，节点与移动平台之间，移动平台与移动平台之间采用各种通信方式，包括声学通讯进行数据传输、定位和导航。如此，将来人们坐在办公室里就能够实时地、全面地了解海洋环境的情况。0 |& j$ \# C3 F# `3 y. u$ V
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; K; _0 k. e% X1 j0 j 海洋观测技术发展的趋势 随着对海洋了解的深入，传统的观测方法已无法满足对许多重要海洋过程在时空尺度上进行有效的采样，不能进行深入的研究。随着海洋资源的开发力度不断加大，沿海经济总量的不断增加，传统的观测技术也无法满足综合海洋管理的需要。随着卫星遥感技术、水声探测技术、雷达探测技术、各种观测平台技术、传感器技术、通讯技术(包括水声通信技术)和水下组网技术的进步，海洋观测技术向自动、实时、同步、长期连续观测和多平台集成、多尺度、高分辨率观测方向发展，形成从空间、水面、沿岸、水下、海床的立体观测。在海洋中建立一个互动式的、分布的、综合性的传感器网，实现实时的多学科观测是一种发展趋势。这种观测网由多个海底节点构成。每个观测节点采用浮标、潜标、海底观测系统、定点剖面系统等构成，观测节点之间的观测采用滑翔器、AUV 等移动式平台弥补。观测节点和移动平台的部分观测采用声学遥测方法拓展观测覆盖面，增加采样密度。节点与节点之间，节点与移动平台之间，移动平台与移动平台之间采用各种通信方式，包括声学通讯进行数据传输、定位和导航。如此，将来人们坐在办公室里就能够实时地、全面地了解海洋环境的情况。【参考文献】[1] Peter Worcester and Walter Munk. The Role of Acoustics in Ocean Observing Systems[C]// Oceanography in 2025. Washington, D, C: The National Academies Press, 2009.
7 i' H5 o9 A! c7 f, I! \- P [2] Eric D’Asaro. Toward an Interdisciplinary Ocean Observing System in 2025[C]// Oceanography in 2025. Washington, D, C: The National Academies Press, 2009. d& {" ?3 F |# U) |% L. s( Z; e- r+ c0 |
[3] Tom Sanford. Future Developments to Observational Physical Oceanography[C]// Oceanography in 2025. Washington, D, C: The
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* n6 q) T; i4 j! e3 |" \9 z. R [4] Michael Gregg.Prospects for Oceanography in 2025[C]// Oceanography in 2025. Washington, D, C: The National Academies Press, 2009.
6 V% ~/ \, B6 l: _" A1 d) {" _ [5] Raffaele Ferrari. The Role of Observations in the Future of Oceanography[C]// Oceanography in 2025. Washington, D, C: The National Academies Press, 2009.
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