# M5 X9 v2 Q! U 我国海洋探测技术
$ Z5 \( ?7 \( d/ ~ n4 g 以具有90年代海洋勘测国际先进水平的“海域于形地貌与地质构造探测系统”的开发和研制为代表的多项选进的海洋控查与资源开发技术，为我国海洋资源的开发、利用、保护，维护海洋权益，捍卫国家主权提供了高精度的科学依据。
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在“863”计划的推动下，我国在合成孔径成像声纳、高精度CTD部面仪和定标检测设备的研制和定标检测设备的研制和近海环境自动监测技术方面等重大技术上取得突破性进展，并已进入世界先进水平行列。通过建立海洋环境立体监测系统技术及示范系统促进了上海等城市区域性社会经济的发展，并为建立我国整个管辖海域的海洋环境立体监测和信息服务系统奠定坚实的技术基础。在仅仅4年多的时间里，我国沿海周边地区已经在全球海洋观测系统框架下，初步建立起了从航天、航空、海监船体监测体系，从整体上提高我国海洋环境观测监测和预测预报能力。国家“863”计划及时增加并大力发展海洋领域的高技术，为我国走可持续发展道路起到了积极的示范作用。
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国家“863”计划“海域地形地貌与地质构造探测技术”专题科研人员历时4年，日前完成了海底地形地貌的全覆盖高精度探测技术，海洋深部地壳结要的探测技术，海洋深部地壳结构的探测技术等5大课题。课题在实施过程中共获9项创新技术，6项创新技术产品，为更加深入地了解我国海域地形地貌与地质构造，高精度地再现我国300万平方公里海域的地形地貌与地质构造提供了强有力的技术支撑。
9 a& E+ c9 G2 P! \# c: F “海洋地形地貌与地质构造探测技术”以多波束系统全覆盖高精度探测技术、深拖系统侧扫和视像技术、双船地震地壳探测技术的突破为重点，形成海底地形地貌控测技术、侧扫视像技术、高精度导航定位技术、高分辨率地震探测技术、双船折射/广角反射地震技术、三维地震层析成像技术、海洋动态大地测量基准技术以及图形技术、模式识别技术、自动成图技术、人工智能解释技术等的集成系列，带动海洋地学调查技术和研究水平整体上一个新台阶，达到90年代国际先进水平。
7 k) t! Q/ t% a) }& P 通过典型海域的技术试验，形成一整套最优化的探测技术集成、成图显示技术集成和智能解释技术集成的方法系列，为区域海洋地质调查，为我国大陆架和专属经济区的专项调查提供高新技术支撑;为海区划界、维护海洋权益和资源评价提供重要科学合肥市据。并先后研制开发了海域地形地貌全覆盖高精度探测技术系统，结束了我国无中、大比例尺海底地质调查能力的历史。开发完成了多波束测深系统、深拖侧扫视像系统和差分GPS导航定位系统，并配套完善了多波束测深系统的后处理系统，已具备作用距离800公里，实时动态定位精度优于10米，可完成1：10万～1：100万任意比例尺的高精度海底地形地貌图和三维立体图的技术能力。
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目前，该项技术成果已成功应用到“我国专属经济区和大陆架勘测”和“太平洋多金属结核和富结核壳矿区勘查”等方面，产生了明显的社会和经济效益，仅多波束现场数据质量监探技术的推广，就节约成本约1000万元，提高工作时效30%～50%。
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从大陆架到深海大洋，广阔的海底是石油、天然气、气体水合物、铁锰结核等矿物资源的赋存场所，又是海底扩张、板块构造、古海洋学和全球构造等学说的发源地。因此，调查研究海底具有经济价值和科学意义。我们必须努力去探索海底奥秘，使其造福于人类。探索海底的主要手段是海洋地质调查，即利用地质、地球物理和地球化学等多种综合手段探测和查明海底地形、地质构造、沉积物、岩石和矿产资源分布状况。海洋地质调查与陆地地质调查不同的是，它必须借助海洋地质调查船来进行工作。
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在现代海洋高新技术的介入和支撑下，水下地形声学探测技术获得了迅速的发展，现已成为世界各海洋国家在海洋测绘方面的重要研究领域之一，在探索洋底地貌、海战保障、建设海洋工程、开发海洋资源、发展海洋科学、维护海洋权益等方面都发挥了极为重要的作用。其发展大体经历了经典回声测深、旁视声呐扫测、多换能器扫测、多波束测深、相干声呐测深五个阶段，下面将对各阶段的技术及仪器设备发展情况进行概述。
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经典回声测深
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回声测深仪的原理是利用水声换能器垂直向下发射声波并接收海底回波，根据回波时间和声速来确定被测点的水深，通过水深的变化就可以了解海底地形的情况。用“回声测深”的构思最早是法国的阿喇果提出的，1807年，阿喇果指出利用声反射可以测量海深。在第一次和第二次世界大战期间，海洋声学有了显著的发展，回声测深技术发展迅速，并首先应用于详细调查海底电缆线路方面。根据测深的范围，又出现了浅水回声测深仪、中深度回声测深仪和深水回声测深仪等固定系列的回声测深仪系统。回声测深仪的出现，可以说是海洋测深技术方面的一次飞跃。
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传统的测深仪有两个缺点：由于采用单波束，测线之间可能会形成漏测，降低了海图的可靠性。为了接收回波，一般测深仪的波束都比较宽，但是宽波束又有另外的缺点，即如果海底深度变化比较快的话，测量结果就会有误差。由于其设备简单，广泛地应用于航海保证、海洋开发等水深测量中。但不适用于港口航道等高精度大比例尺、要求全覆盖式水深的测量。
, e6 o& ^ }3 Z# o( v" t+ m) U8 l 旁视声呐扫测
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20世纪60年代，出现了侧扫声呐，可探测船一侧(或两侧)一定面积海域内的海底障碍物和海底地貌，可以取得类似于航摄效果的海底表面声学图像。单波束测深仪探测海底地貌是线状的，不同测深线之间的海底地貌都是探测的盲区。为了普遍地观察海底地貌，人们将军事上用于探测水雷、潜艇的声呐演变成将回声信号记录在记录纸上的侧扫声呐，国际上也称旁扫声呐和记录声呐，中国则定名为海底地貌探测仪。其原理就是向测量船航向的垂直方向一侧或两测周期性地发射一个水平开角很小(约1.5～2.5)，垂直开角很大(约40)的短声波脉冲，短声波脉冲到达海底后，根据海底距换能器的远近，被不断反射，并被按反射信号的强弱程度以记录点灰度大小的不同记录在记录纸上。这样可以观察出海底地貌的变化，有没有碍航物和海底沉积物等。侧扫声呐只能观察海底地貌的变化，对海底物体的大小、深度只能凭经验和记录信号粗略计算得出。目前先进的侧扫声呐配备有计算机图像处理甚至识别系统，可以分析对海底目标的大小、形状、深度等，但要想详细探测还得借助于潜水员潜摸、单波束测深仪探测、多换能器扫海等其他办法。
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多换能器扫测
! m4 u$ }3 }1 ]. s 为了使回声测深仪在海底地形探测方面发挥更大的作用，上个世纪60年代中期，丹麦皇家水道测量局曾使用一种将几个回声测深仪换能器安装在拖曳浮标上进行水深测量的小型拖曳式并联测深装置，以后经过逐步改进，又研制出一种用于沿海地区水深测量和扫测的大型拖曳式并联测深装置。这种新型并联测深装置于1971年开始试验，并于1975年提供了可供使用的装置。
9 f5 r4 T K3 a 多换能器扫测设备的精度与单波束测深仪的精度相仿。从严格意义上讲，多换能器扫测设备必须配备船姿测量仪，否则只能在海况较好的情况下使用。多换能器扫测设备由于其测量效率低于多波束测深系统，并且不适用于深度较大的海区，目前主要用于在港口与航道区，通常要定期实施全覆盖扫测，以确保不遗漏海底浅点。
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多波束测深
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20世纪70年代，出现了多波束测深系统，它能一次给出与航线垂直的平面内几十个甚至百余个海底被测点的水深值，形成一定宽度的全覆盖的水深条带，可以比较可靠地反映出海底地形的细微起伏，比单一测线的水深测量确定海底地形更真实。目前，多波束测深系统正向小型化发展，适用浅水海域和简易船只的新产品已经有售。与单波束回声测深仪相比，多波束测深系统具有测量范围大、测量速度快、精度和效率高、记录数字化和实时自动绘图的优点，把测深技术从原先的点、线扩展到面，并进一步发展到立体测深和自动成图，使海底测量完成得又快又好。
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“多波束探测”的萌芽都可以追索到上世纪50～60年代美国伍兹霍尔海洋研究所(WHOI)构想的项目。1976年，数字化计算机处理及控制硬件技术应用到窄波束回声测深仪中，从而诞生了第一台多波束扫描测深系统，简称SeaBeam 系统。除SeaBeam 系统外，从上世纪80年代中期至90年代初，许多制造公司也开始进入这一领域研制出不同型号的浅水用和深水用多波束测深系统。多波束测深系统可分为浅水多波束测深系统和深水多波束测深系统。浅水系统深度量程为3～400m，深水系统量程可达10～11000m，覆盖范围可达2.5～7.4 倍水深。精度为2～10cm × 0.2～0.5% 深度。波束可由数十个到近两百个子波束组成。从而使海底地形探测技术日臻完善，并向着高精度、智能化、多功能的组合式测深系统方向发展。
' x6 d& }3 Q' m/ p% y6 j 相干声呐测深
0 o$ k2 D8 R$ W1 Q3 X# [ ^0 h 海洋测绘仪器科研工作者在研究了侧扫声呐和多波束侧深系统后，综合了它们的长处，研制出相干声呐测深系统。它的发射原理和侧扫声呐相差无几，即向测量船航向的垂直方向两侧周期性发射一个水平开角很小，垂直开角很大的短声波脉冲。接收原理是利用回波信号的不同相位来划分不同的测量带，计算每个带的水深。
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由于相干声呐的独特结构带来了以下优点：(1)采集的数据密度大，分辨率高;(2)能获得真实的侧扫图像，真正做到条带测深和侧扫声呐二合一;(3)覆盖宽度大，有效水深覆盖带可达10～15倍水深;(4)精度优于多波束，相干声呐的测量精度优于I H O 规定的水深的1%;(5)由于相干声呐回波信号强度，其工作水深在200m 以内时，效果比多波束测量的效果要好，精度比多波束测量的高;(6)可以对原始数据进行检查和再处理;(7)系统硬件结构简单，系统成本低，换能器坚固可靠，便于安装。但工作水深大于200m时，其效果不如多波束好。将采集的海底信息绘成的海底地貌声像图，比侧扫声呐记录的声像图要精细、直观，效果要好。相干声纳适用于港口航道水深扫测，是替代测深仪、旁侧声纳的新型设备。
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水声探测技术的应用进展
- q- t; w/ |# f8 D3 M2 O5 G 水声探测技术在海洋观测和水下目标探测中占有很重要的地位，是实现水下目标遥测的主要手段，但以前偏重于军事应用。随着冷战时代的结束，大量军事应用水声技术转向民用，海洋声探测技术将会得到较快的发展。目前，国际上比较成熟或正在发展的海洋声探测技术是海流剖面测鐾技术、声成像技术、鱼群探测技术、声层析技术、声学多波束测深技术及声通讯技术。国外目前的发展趋势是提高分辨率和作用深度。
: c( x/ I6 X' z7 l8 R% S 海洋环境要比陆地环境更为复杂、更为恶劣、更为多变。在海洋环境下作业将遇到盐雾、海水、高压、台风、大浪等恶劣环境的干扰，长时间工作的水下仪器设备还要受到海洋附着生物的污损，海上试验仪器设备还可能受到渔民的干扰。另外，海洋环境的多变性，也增加了海洋技术发展的难度。因此，对海洋环境的监测往往要求实时连续监测，以期能较为真实地反映海洋环境，这也增加了海洋观测技术发展的难度。
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水下机器人是一项综合机械设计、高性能水下动力装置、智能控制和现代水声技术的高新技术产品。水下机器人要实现自主式航行，必须具备在航行过程中能够主动避开障碍物、随时判断与海底之间距离、与指挥中心保持水下通讯和紧急状态下报警的能力;为了完成自身的使命，水下机器人还应具备在一定范围内搜索目标、准确判断其类型与尺度的能力。从应用的角度看，水下机器人在民用方面，可用于探测海底地貌、大面积海洋环境监测、水下信息获取、海洋资源勘探、海洋救险与打捞。若将其性能提高，则可以用于军事上，如用于探测敌方军事目标，进行侦察活动，也可用于跟踪敌方潜艇，舰艇、航母等各种目标。
- g" P% R. m* b J. W* } 水下机器人依靠自身装备的探测声纳系统进行探测、收集水下目标的信息，根据探测系统搜集到的信息，对其航行状态进行调整。探测声纳还可以用于对水下目标进行探测、分类、定位和跟踪。水下探测声纳系统不但可以用在水下机器人中，还可以用在民用的方面，比如，可以用于水下成像、水底打捞、捕鱼、鱼群探测、海洋石油勘探、船舶导航、水下作业、水文测量和海底地质地貌的勘测等。由于水下机器人探测性能的优劣很大程度上取决于其装备的水下探测声纳系统，因此，声纳系统成为水下机器人研制过程中的一个重要环节。此外，由于其应用领域的广泛和对相关学科的辐射性，研究水下探测声纳系统的技术研究和产品研制已在国民经济和国防建设中扮演着十分重要的角色。
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美国先后研制了TRITON、APOGEE和ALTEX等多个极地考察专用水下机器人，用于对海冰特征、冰下水文、环境和生物等进行观测，从而获得大量有价值的数据，大大提高考察的效率。
- { o/ g1 v* R3 v3 v) T/ n 麻省理工学院的智能水下机器人Odyssey系列主要用于海冰下的检测和标图：
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$ A4 h0 H- N5 }) i0 ] MIT Odyssey IV水下机器人
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日本以东京大学生产技术研究所为主开发出的Twin—Burgerl&2、VIEROAl50&250等多个型号的观测型AUV，主要用于观察海底电缆的铺设和维护情况。
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东京大学的Twin-Burger水下机器人
% d8 d) n' ]" z4 a* q 在过去的二十多年，我国的水下机器人技术取得了重大的进步，先后开发了“海人”、“探索者”、“CR01”和“CR02”等水下机器人，许多关键技术已经达到国际先进水平。
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2003年我国实施的第二次北极科学考察首次使用了“海极”号遥控水下机器人通过携带自可视声纳和视频观测设备能够一次完成冰下测点周围250米范围内的冰厚和海冰底部彤态的连续观测，通过携带的CTD进行冰下海域水平和垂直剖面的温、盐、深测量。“海极”号由中国科学院沈阳自动化研究所设计，可用于勘查深海海底油田、锰结核矿、热水沉积矿和钻矿等海底资源，海底地层以及海底的生物资源。
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: t. e: ]1 t0 G; g 沈阳自动化所的“海极”号
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水下探测的主要手段
1 z& k _' s1 R8 \! }- `: \1 ]" U9 H 各种探测仪器是水下机器人获取外界信息，目前使用最多的探测仪器有两类：
3 l% u& B0 N f4 }6 z4 d8 ?$ f, D9 H 第一类是水下电视，使用十分普遍，由水下摄像机、传输电缆、控制器和监视器等组成。由于海水剥可见光吸收和散射作用很强，能量衰减迅速，可视距离有限，水深大于30米时，一般均须用人工照明，在透明度较高的水中，可视距离为30米左右。目前正在芨展中的水下激光电视，其可视距离比一般可见光大4倍左右。
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水下电视
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第二类是各种声纳设备。海洋对于电磁波，无论是波长很长的无线电波，还是波长短的紫外线，他们的传导性都很差。对于波长达到千米量级的无线电波，也只能穿透海洋的表面。水声被证明是可以在水下可以进行远程传输唯一的信息载体。它不仅可以将信息传至几百乃至上千公旱的远方，也可以在几公里至几十公里的中等距离上，对水中目标进行探测和定位，乃至在近程几米至几百米的范围内，对水下目标和环境进行高分辨率的声成像，从而在水下防卫、海洋开发、水下工程等军事和民用领域具有广泛的应用。
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水下机器人上所用的声纳设备属于小平台声纳技术。对这些声纳的基本要求是尺寸小、重量轻、低功耗。
/ X- h1 _' T4 d: u0 \8 F9 z- o 安装在机器人本体上的探测声纳主要有以下几种类型：
+ n; m$ o# \- g& R5 ^ 1、对机器人前下方物体和环境声成像的前视声纳
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目前，美、法、德、挪威、英国、日本、加拿大等海洋国家都有许多成熟的研究成果投放市场。具有代表性的前视声纳的最高水平产品有：英国Tritech International公司生产的DST系列声纳，美国Reson公司牛产的新一代数字多波束莳视声纳SeaBat8125、8128，挪威Onmi-tech公司研制的三维成像声纳Echoscope等。
5 q$ ^$ a! e9 |6 X. ? 2、对机器人下方和两侧进行运动扫描成像的侧扫声纳
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大多数的国外水下机器人都装各有侧扫声纳(Side Scan Sonar)。这是进行海底目标探测的理想工具。侧扫声纳具有较高的分辨率，不仅可绘制出海底的地形地貌图，也可以对沉于海底的沉船、失事飞机、沉物进行成像。
. w! K3 p- z. X RoyalNavy的侧扫声纳
( R; F& {' }+ e# o* z! k 3、对海底、湖底底质和沉积层进行剖面成像的剖面声纳
3 n( r: ^) Y0 q" w$ T7 R! } 少数参与海底地质考察的水下机器人装各有浅层剖面声纳(Sub-Bottom Profiler)。它利用向海底发射宽频带的调频信号，通过对接收回波信号进行的相关运算和其他信号处理，得到海底底质的分层结构特征。
4 [0 M. G# S& i 基于前视声纳的水下目标跟踪技术对于水下机器人进行水下探测和主动避障有着极为关键的意义，是国内外研究的热点。
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海底寒冷、能见度低、压力巨大，对人类探测海洋构成严峻挑战。美国微软—全国广播公司网站9日介绍几种新型机器人，可望帮助加快海洋探测进程。
( C9 T, F$ q. x' Q0 r b6 g$ w0 b 绘海床
5 Y N9 ?3 }- e3 n “使用卫星观测海洋曾是革命性创举，我们能在卫星图像上看见潮汐和海藻，”美国俄勒冈州立大学海洋学教授杰克·巴斯说，“可惜卫星只能让我们看见水下几米深的地方，水下自动机器人则可以绘制我们从未见过的水下图景。”
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新型水下机器人“哨兵”的特点是速度快，每小时可行进3.68公里，是上一代海洋探测器的两倍。“它不但移动速度快，还能像直升机那样在水中悬停，”美国海洋研究院负责人丹·福尔纳里说。
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“哨兵”上月首次执行任务，6次潜入海底，在峭壁、盆地等海底地貌上方76米处遨游，绘制覆盖50平方公里的海床图，精确度在1米以内。
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美国计划2014年前建成第一座水下观察站，“哨兵”将参与选址工作。华盛顿大学海洋学教授约翰·德莱尼说：“准确绘制海床图对选择观察站地点至关重要，必须确保观察站不受滑坡、海底火山喷发和地震威胁。”
# R5 [+ @. B7 u1 w2 L 无外力
) U/ Y; Z2 e' {7 `- X ^% S 另一种新型水下机器人名为“水中浮翔器”，可日行14.4公里，潜至海面以下1.2公里，依靠海水热量供能是它的最大特色。
% d `: e- {* _& ^ 浮翔器从寒冷深水水域上升至温暖表层水域时，石蜡遇热熔化、膨胀，产生的动能把氮气压缩至一个瓶内。浮翔器下潜至最大深度、准备上升时释放压缩氮气，产生的动能把一种油性物质挤压至一个外置囊状体内，增加浮翔器所受浮力，促使它上升。浮翔器不断重复这一过程，完成下潜和上浮。
) C" t& r$ r$ A3 P, D; E W 浮翔器迄今已顺利完成首次为期4个月的任务，没有出现故障，却在二度执行任务时离奇失踪。“我们不知道发生了什么，”海洋研究院的本杰明·霍奇斯说。他猜测，浮翔器可能受到船舶撞击，或是由鱼网或鱼线缠住。
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尽管发生意外，研究人员相信浮翔器将大大加深人类对海洋的了解，因而正在重新建造这一装置。
7 f" B) s, A( q 探深沟
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处于测试阶段的水下机器人“涅柔斯”抗压能力出色，可潜至水下11.2公里，相当于世界最深的马里亚纳海沟最深处。
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“涅柔斯”的特殊之处在于，可由自动装置变为遥控装置。“这是海洋学家梦寐以求的水下机器人，”福尔纳里说。
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“涅柔斯”的超薄陶瓷表面可抵御深海重压，且重量极轻。它以发光二极管在深海提供照明，20公里长微纤维把数据传送回水面。
' }" \7 m6 \% w% U: e1 A0 _2 n “涅柔斯”已顺利通过实验室抗压测试和4至4.8公里深水下测试，定于2009年初探测西太平洋海沟。如果一切顺利，它还将探测加勒比海最深的开曼海沟。
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