什么是海洋测量工具 -海洋测量特点

史有明 · 发表于仪器应用 2023-12-1 13:00:59

《数字海洋与水下攻防》主要刊载海洋环境与资源科学、海洋数据与信息技术、海洋智能装备技术、海上攻防技术、水下预警与指挥控制技术、战场环境与对抗技术等领域，涉及体系研究、基础前沿、应用技术、工程设计、使用保障等方面的研究和综述论文。系《中国学术期刊综合评价数据库》统计源期刊、《中国学术期刊影响因子年报》统计源期刊、《万方数据——数字化期刊群》收录期刊、《中国核心期刊（遴选）数据库》收录期刊，被《中国期刊全文数据库（CJFD）》、超星期刊域出版平台全文收录。

编者按：

研发框架计划是欧盟贯彻落实科技创新政策、服务发展战略目标的重要抓手，1984年以来已实施8期，2021年1月开始实施第9期研发框架计划——“地平线欧洲”（Horizon Europe 2021-2027）。“地平线欧洲”肩负提升科技水平、解决社会问题、促进经济发展的使命，它的出台具有深刻的时代背景、国际因素和现实考量意义。“地平线欧洲”包括民用研究和军事研究2个部分，民用研究是“地平线欧洲”的主体，预算为955.17亿欧元，军用研究预算为79.53亿欧元。（援引自《全球科技经济瞭望》2022年2月第37卷第2期《欧盟第九期研发框架计划“地平线欧洲”概况及分析》一文）

本公众号将陆续推出部分“欧洲地平线”项目译编材料，供业内人员参阅。

项目背景

水覆盖了地球表面2/3以上的面积，对人类生命的可持续性至关重要。海洋一直调节着我们的气候：它从一些地区吸收热量，并将其输送到其他地方，从而有效地将热量分散在整个地球上。如果没有海洋作为全球范围的循环系统，许多地区的天气会变得非常极端。氧气/二氧化碳的平衡也主要由海洋维持。虽然人们普遍认为热带雨林是氧气的主要来源，但科学家估计，超过一半的氧气产生自海洋，最高估计达到80%，而且海洋吸收了化石燃料燃烧产生的30%～50%的二氧化碳。毫无疑问，海洋在碳循环中也发挥着关键作用。水是地球生物多样性的重要组成部分，而海洋也是地球不断增加的人口的重要食物来源之一。

自地球形成以来，海洋环境中的放射性一直通过所谓的天然放射性物质存在。这种放射性通常源自长衰减期的铀、钍同位素，对生态系统构成长期但较低的风险。20世纪，人工放射性核素于1944年引入海洋。近年来，废水处理厂的低辐射液体排放、灾害造成的大规模放射性物质排放（例如2011年福岛核电站遭受海啸袭击）以及较小规模的放射性事件构成了海洋中放射性的直接来源。人工放射性可能对人类健康构成重大威胁，然而，全世界对海洋环境中的放射性缺乏监测，且局限于极少数地点。海底环境勘探也应考虑放射性对海洋和沿海生态系统的短期和长期影响，及其与自然灾害的相关性，如海底断层上的地震活动。海洋中放射性采样严重不足，这对海洋生态系统和人类构成了真正的风险，迫切需要翔实的数据来驱动研究模型。

深海中的天然和人工放射性对海洋环境的可持续性十分重要，但对其进行的采样和研究仍严重不足。海洋生态系统中的放射性监测（RadioActivity Monitoring in OceaN EcosystemS，RAMONES）是“欧洲地平线”资助的一个未来和新兴技术（Future and Emerging Technologies，FET）主动式环境智能项目，其追求的目标是将传感材料、低功耗自主机器人系统和先进建模技术方面的最新进展结合起来，以克服目前在大时空尺度上进行原位和近实时水下放射性测量的局限性。

RAMONES项目由希腊雅典国立和卡波迪斯特里安大学领导，研究人员来自里斯本高等理工学院（IST）、EvoLogics GmbH（柏林）、巴黎高等师范学院、雅典国立技术大学、普洛亚技术咨询有限公司（赫罗纳）、杜伦大学和克莱蒙奥弗涅大学。

项目目标

目标概述：海洋生态系统中的放射性；海洋机器人；人工智能环境建模；政策制定；FAIR/OA数据。

缺乏有效和量身定制的海洋环境放射性监测仪器是一个关键挑战。尽管有过合作和努力，但可用于海洋的仪器与用于陆地和空中的仪器之间仍存在差距。为此，RAMONES项目将为海洋生态系统中的放射性监测提供仪器和机器人传感平台方面的先进解决方案，它将设计、开发和验证新一代用于在极端地点测量水下辐射的监测仪器，这些仪器将为光谱研究提供高效率和高分辨率，以及最先进的传感器和方法。

RAMONES旨在为恶劣的海底环境中的放射性原位、连续、长期监测提供新的高效解决方案。在SoA机器人和人工智能的驱动下，将开发新一代海底辐射传感仪器，以了解沿海近岸地区和远海地区的辐射相关风险，同时为制定环境可持续性、经济增长和人类健康的新政策和指导方针提供数据支撑。

RAMONES主要目标是为缩小现有海洋放射性采样不足的差距探索一条全新的途径，并促进在受威胁的深海自然生态系统中进行新的跨学科研究。RAMONES将在提供长期快速部署工具上投入大量精力，以提出新的人工智能驱动和支持的方法，为研究人员、政策制定者和社区提供可扩展的解决方案。RAMONES将结合来自不同学科的SoA设备和先进的建模，形成良好的协同效应，并为海洋环境设计新的有效方法，以有效应对自然和人为灾害，为全球人口制定未来的政策。

项目概念

RAMONES——海洋生态系统中的放射性监测——将设计、开发和验证一种新的系统解决方案，用于长期、连续地原位监测海洋中的放射性，以助力制定新的环境情报政策。该项目涉及高度跨学科的几个关键子目标，包括：①设计、开发和验证一整套测量水下放射性的新型仪器；②设计、开发和验证新型协作、自适应的海洋自主机器人，用于高效操作新型海洋辐射测量仪器进行放射性测量；③设计、开发和验证用于海洋放射性多模态数据处理与建模的新型环境建模方法；④引入新的监测和响应渠道，定期向关键的社会/政治利益相关方通报情况，有效地促进提高环境情报；⑤通过采用科学论证和FAIR（可发现、可访问、可互操作和可重用）数据原则，提高地方/公民对环境情报问题的认识和参与。

从宏观角度来看，RAMONES概念由一套安装在船上的放射性仪器组成：部署在海床上的海底放射性静态监测实验室；2艘水下滑翔机；1艘波浪滑翔器。这些配备了新型放射性传感器的海洋自主机器人有效地构成了一个颠覆性、创新性的概念，通过感知、通信、控制和自治来自适应地自主监测水下环境中的放射性。

RAMONES概念的节点示意图

研究方法

首次设计、开发和验证了一套用于测量海床和深水放射性的新型仪器。

RAMONES将设计开发的新型辐射测量仪器用于一组新型海底平台和运载工具的有效载荷，重点是采用和集成新一代探测器和传感器，在海床附近提供辐射成像能力。

设计、开发和验证新的自适应、自主部署和自主协作海洋机器人能力，以便使用新型海洋辐射测量仪器进行高效操作和感知。

RAMONES将研究、实施并提供最佳操作场景，使多智能体机器人系统能够协同监测和调查扩展的海域面积和空间。RAMONES将提供自适应规划、多功能和自主操作能力，并展示针对特定操作和场景而开发、优化的自主能力。

设计、开发和验证用于海洋放射性多模态数据处理和建模的新型统计、人工智能和环境建模方法。RAMONES将：

1）开发先进的递归神经网络，结合用于高效时间序列分析和异常放射性水平检测/监测的在线学习框架，以及用于从多维成像数据集中检测放射性热点的深度学习框架。

2）为关键任务开发新的建模解决方案，包括辐射剂量和健康风险评估、地质灾害和辐射建模、工业废物和辐射建模。

引入新的监测和响应渠道，定期以中低频率向主要社会/政治利益攸关方通报情况。

基于短期、中期和长期监测工具，RAMONES将预测放射性水平超过标准阈值的可能性，并提出新的风险指数，以制定政策建议、灾害应对模型和支持政策实施战略的框架。

通过采用科学论证和FAIR数据原则，在多样化的传播、沟通和外联活动的基础上，提高地方/公民的认识和参与度。RAMONES正在采取几项密集的传播和沟通战略，通过多个确定的渠道和目标群体提高公众意识，吸引公民参与进来。

项目进展

2021年1月27日，RAMONES将设计、开发和验证由最先进机器人和人工智能辅助的新一代海底辐射传感器，为海洋环境中原位光谱研究的高效和精细分辨率定义新标准。

2022年10月21日，RAMONES项目团队首次在葡萄牙使用IST的G3水下滑翔机进行了相关试验。试验的主要目标是测试在增加了一些额外的浮力和压舱物后滑翔机在水面上的性能，为之后在滑翔机上安装RAMONES辐射测量仪器和调制解调器的水面工程试验做准备。该团队还利用此次机会在不同的设定值上测试了推进器，最高达到100%。

IST团队与G3水下滑翔机

将水下滑翔机放入试验水池

2022年10月26日，RAMONES的合作伙伴IST-ID在葡萄牙里斯本的“EXPO Dock”进行了G3水下滑翔机的第2次试验。主要目标是获取滑翔机在以下情况的机动性数据：在水下但非常接近水面处进行简单的直线和弧线路径航行，同时使GPS天线露出水面。测试结果显示，在最佳条件下，滑翔机转弯半径约为15 m，最大速度为0.7 m/s（1.4 kn）。

里斯本水域试验中的G3水下滑翔机

2023年3月24日至2023年3月31日，RAMONES团队前往米洛斯岛，进行了大量测试和测量。这次测试的主要目的有2个：1）为当前开发的原型仪器在容易到达的水深（10 m）进行野外测试；2）收集来自现实场景的真实数据，这些数据将用于验证仪器性能并开发测量、监测和建模技术。

为了完成这些目标，该团队开展了跨学科和多学科的工作，包括：1）对感兴趣的地点进行地质测绘；2）划定热液场，测试放射性检测仪器样机；3）使用γ嗅探器和SUGI仪器在潜艇区域进行放射性的现场测试和测量，以及对预定目标的运动和探测进行测试；4）对沉积物和水取样，在实际条件下验证项目中部署的仪器；5）对水下航行器的正确操作、操作仪器的优化和信息收集（光谱、时间序列等）进行验证。

2023年11月21日，RAMONES与SANTORY合作首次对圣托里尼岛北部的海底活火山科伦坡进行了密切监测。本次共进行了3次海洋巡航，主要目的是在水下火山科伦坡的海底附近部署各种新型仪器。

两者合作部署了原型辐射测量仪器γ嗅探器和γ辐射成像仪SUGI进行实时测量，研究了放射性对喷口生态系统的贡献和影响。通过对收集到的数据初步评估显示，这座火山比之前认为的要活跃得多。

编译：宋雨荷

译自：https://ramones-project.eu

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