深海探測技術研發(fā)和展望
2022-7-18 14:09:22??????點擊：
摘要:深海探測是人類實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略途徑和重要手段。為加快我國開發(fā)利用深海資源的進程,文章系統(tǒng)梳理深海探測技術及其研發(fā),分析關鍵性深海探測技術,并提出深海探測技術的發(fā)展趨勢。研究結果表明:全球積極研發(fā)深海探測技術,主要包括載人潛水器等深海運載器探測技術,聲學、光學、電磁學和熱學等深海傳感探測技術以及生物、海水和巖芯等深海取樣探測技術;我國也取得一系列研究成果,但技術水平和產業(yè)化水平總體較落后;精確、可靠和高效深海探測的關鍵性技術主要包括深海光學通信技術、深海導航定位技術、深海動力能源技術和深海裝備材料技術,亟須技術攻關;未來深海探測技術將向體系化、協(xié)同化和智能化方向發(fā)展。
海洋是人類生命的起源,以其豐富的水體資源、礦產資源和生物資源支撐人類的永續(xù)發(fā)展。由于深海具有可視性差、水壓力大和地形復雜等特殊屬性,人類對于深海的認知嚴重不足。隨著我國對自然資源實施戰(zhàn)略規(guī)劃和統(tǒng)一管理,我國致力于全面發(fā)展深海探測技術,提高對深海的科學認知,為 實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標打下堅實基礎。
一、深海探測技術及其研發(fā)
深海探測技術特指在深海領域通過傳感或取樣手段獲取海洋或海底特定地區(qū)單一時刻數(shù)據(jù)的技術。
1.1 深海運載器探測技術
深海運載器是攜帶各種電子設備、機械裝置或專業(yè)人員,快速和準確地到達各種深海環(huán)境,進行精確探測和科學研究的裝備平臺。深海運載器分為載人潛水器(HOV)和無人潛水器(UUV)2個大類,其中無人潛水器又可細分為無纜自治潛水器(AUV)和纜控潛水器(ROV),近年來迅速發(fā)展的水下滑翔機(Glider)通常被劃分到無纜自治潛水器序列中。作為綜合性的水下機動平臺,深海運載器自身配置探測設備開展精確探測,還可具有針對性地配置其他高精尖探測設備開展原位探測,具有全面的技術特點,是深海探測技術的發(fā)展熱點。
1.2 深海傳感探測技術
1.2.1 深海聲學傳感探測技術
深海聲學傳感探測技術利用聲波傳遞過程中入射聲波與反射聲波在頻率、時間或強度上的差異開展深海探測,可分為超短基線定位技術、聲學多普勒測量技術和沉積物聲波采集技術等,被廣泛應用于深海數(shù)據(jù)獲取、導航定位和目標探測等，具有代表性的有側掃聲吶探測技術、多波束探測技術、合成孔徑聲吶成像技術和淺地層剖面測量技術。
(1)側掃聲吶探測技術通過實時圖像探測海底地貌,可實現(xiàn)超視距觀察、目標搜索和障礙物躲避。該項技術誕生于“二戰(zhàn)”期間,主要被應用于軍事領域;20世紀60年代英國研發(fā)全球首臺民用側掃聲吶系統(tǒng),被廣泛應用于科學研究;美國、法國和挪威等國家陸續(xù)研發(fā) EdgeTech系列和 Klein系列等多型產品,處于全球壟斷地位。我國于20世紀70年代開展側掃聲吶的系統(tǒng)研究,中國科學院聲學研究所、哈爾濱工程大學、西北工業(yè)大學和華南理工大學等單位研發(fā) SGP型和 CS-1型等設備,但技術水平總體較落后,且尚未實現(xiàn)產品化。
(2)多波束探測技術利用海底反向散射的聲學機理,實現(xiàn)大深度海底底質形貌的信息獲取和圖像構建,基于多普勒效應的流速測量傳感器可用于測量深海海流剖面。目前全球對深海流場了解甚少,深海流場測量具有重要的科學價值。挪威、美國、德國和丹麥等國家在多波束探測技術研究和應用領域全球領先,并完成產業(yè)布局,以豐富的產品類型和先進的技術指標,處于全球壟斷地位。我國多波束探測技術研究仍較落后,僅有哈爾濱工程大學、中國科學院聲學研究所、中國船舶重工集團公司第七一五研究所和浙江大學等單位開展相關系統(tǒng)研究,目前已完成多型淺水型多波束測深聲吶的研發(fā),但尚未實現(xiàn)產品化。
(3)合成孔徑聲吶成像技術利用聲吶陣列向下方發(fā)射扇形波束,以小孔徑聲基陣的勻速直線運動虛擬大孔徑聲基陣,對深海環(huán)境進行超視距觀察,可搜索目標和躲避障礙物。該項技術起源于陸地雷達成像技術,是聲吶成像技術熱點之一。目前歐美國家在相關研究和應用方面全球領先,如法國、挪威和美國等國家陸續(xù)研發(fā) SHADOWS、HISAS和4400SAS等產品。我國于20世紀90年代開始由中國科學院聲學研究所和中國船舶重工集團公司第七一五研究所開展大量研究,于2005年成功海試首臺具有自主知識產權的合成孔徑聲吶,目前蘇州桑泰海洋公司的相關技術和產品已達到國際先進水平。
(4)淺地層剖面測量技術利用2組指向成交的聲學換能器陣列,在航向線上構建測深剖面帶,通過條帶上每個點的高分辨率深度值測量地形。淺地層剖面儀于20世紀40年代開始研發(fā),并于60—70年代實現(xiàn)產業(yè)化;21 世紀以來,隨著電子控制、傳感檢測、信號處理和云計算等技術的飛速發(fā)展,挪威和美國處于全球領先地位,具備絕對實力。我國于20世紀70年代開展淺地層剖面儀的研究工作,并取得一定的成果,但與國外同類型產品相比,技術可靠性和成熟度仍較低。
1.2.2 深海光學傳感探測技術
深海光學傳感探測技術主要根據(jù)光在水體中傳輸?shù)奶匦院鸵?guī)律以及水體物質相互作用的機理,實現(xiàn)深海目標識別和水下通信[10],具有代表性的有水下光學傳感技術、光纖水聽技術、水下激光通信技術和水下光學成像技術。
(1)水下光學傳感技術基于光源發(fā)出的光與水體物質的吸收散射等相互作用,通過檢測特征光譜波長的大小和強弱,反演物質種類和含量。美 國MBARI海洋研究所是將拉曼光譜技術應用于深海探測的先驅,已在天然氣水合物探測、熱液探測和碳循環(huán)研究等方面取得顯著成果,此后德國和法國都開展相關研究?！笆晃濉逼陂g,在國家“863”專項的支持下,中國海洋大學研發(fā)拉曼光譜探測系統(tǒng),中國船舶重工集團公司第七一七研究所、武漢理工大學和武漢大學等單位也在光電探測領域開展部分研究。
(2)光纖水聽技術將水聲振動轉換為光學信號,并通過光纖傳輸至信號處理系統(tǒng),實現(xiàn)信號提取。該項技術是全球熱點技術,美國、英國和法國等國家已開展大量研究。美國于20世紀70年代最早開展相關技術研發(fā),1983年首次完成海試,1988年完成光纖水聽系統(tǒng)(AnOpticTowedArray)的探測試驗,目前大多數(shù)新型軍用潛艇均采用光纖水聽器陣列技術;1998年英國開展水聽聲吶研究,2000年與美國聯(lián)合研發(fā)成像系統(tǒng),實現(xiàn)8km 和96個探頭的水下傳感探測。我國光纖水聽技術研究起步較晚,主要由哈爾濱工業(yè)大學、南開大學、中國船舶重工集團公司第七一五研究所和武漢理工大學等單位開展實際研究,已研發(fā)4元光纖水聽傳感陣列和PGC光纖水聽聲吶傳感系統(tǒng)等,但技術水平總體較落后。
(3)水下激光通信技術以激光為載體,通過不斷的脈沖信號和數(shù)字編碼進行載波調制和解碼,實現(xiàn)水下數(shù)據(jù)無線傳輸。美國、澳大利亞和日本等國家很早即開展相關研究,近年來發(fā)展迅猛,相繼突破水下激光高速率數(shù)據(jù)傳輸技術,為相關應用奠定基礎。2015年日本山梨大學采用波長為405nm 的LD光源,在4.8 m 的清水中成功實現(xiàn) 1.45GB/s的數(shù)據(jù)傳輸;2016年美國克萊姆森大學采用波長為445nm 的 LD 光 源 和 OOK-OAM 調 制 模 式,在2.96m 的水下成功實現(xiàn)3GB/s的高速率數(shù)據(jù)傳輸。我國水下激光通信技術研究剛剛起步,主要由清華大學、中國科學院自動化研究所、哈爾濱工業(yè)大學、中國科學院上海光學精密機械研究所和浙江大學等單位開展研究。2016年浙江大學采用波長為685nm的紅色激光和32-QAM OFDM 調制模式開展水下激光通信實驗,數(shù)據(jù)傳輸速率達到4.883GB/s。
(4)水下光學成像技術利用水下照明和攝像設備獲取目標的圖像信息,可應用于深海勘探和環(huán)境監(jiān)測等領域。該項技術于1856年起源于英國,目前挪威和美 國 在 相 關 研 究 和 應 用 方 面 全 球 領 先,如OE14-408E系列和 MultiSeaCam1060等產品均具備優(yōu)異的技術性能。我國主要由哈爾濱工程大學、浙江大學和中國科學院西安光學精密機械研究所等單位開展研究,但仍處于技術研發(fā)和試驗階段,尚未有成熟化的產品,相關設備主要依靠采購。
1.2.3 深海電磁學傳感探測技術
深海電磁學傳感探測技術通過電磁學方法獲取深海場源的電磁場值,并通過對斷面的反演實現(xiàn)地下電性分布探測。美國和英國對深海電磁學傳感探測技術的研究全球領先,并已實現(xiàn)產業(yè)化,為相關企業(yè)提供實質性的服務[11]。我國相關研究較落后,開展研究的單位也較少,中國地質大學研發(fā)海洋大地電磁采集站,但尚未實現(xiàn)產品化。
1.2.4 深海熱學傳感探測技術
深海熱學傳感探測技術利用熱敏元件感知和測量深海沉積物參數(shù),可為海區(qū)地球動力、海底熱液活動和大陸邊緣沉積盆地的演化以及油氣水化合物資源的評價等研究提供重要的基礎數(shù)據(jù)。美國 WHIO 海洋研究所、MBARI研究 所、華盛頓大學和明尼蘇達大學等對深海熱學傳感探測技術開展大量研究,利用熱電偶傳感器 (Hobo 和Vemco)在東太平洋熱液區(qū)獲取400℃熱液噴口的原位測量數(shù)據(jù),并利用鐵合金封裝的J型熱電偶傳感器測量深海熱液噴口溫度。我國浙江大學、中國科學院海洋研究所和原國家海洋局第二海洋研究所等單位開展相關研 究。浙江大學探索深海熱液區(qū)原位溫度的長時序探測,并取得一系列研究成果;2014年“蛟龍”號分別搭載由國家深?；毓芾碇行暮驼憬髮W研發(fā)的溫度梯度儀成功完成海試,并獲取海底溫度的原位測量數(shù)據(jù)。
1.3 深海取樣探測技術
1.3.1 深海生物取樣技術
深海生物取樣技術在早期科學調查中被普遍應用,實現(xiàn)對海洋浮游生物和海洋底棲生物樣品的采集,采集工具主要有拖網(wǎng)、采水器和采泥器等。其中,由6 位 通 道 轉 閥 控 制 的 自 動 微 生 物 取 樣 器(AMS)可很好地采集熱液體中的無污染微生物樣品;由球閥控制的多瓶取樣器(WHATSII)可實現(xiàn)4個取樣瓶同步的樣品采集;微生物長時序自動取樣器(OsmoSampler)可實現(xiàn)長達3年的連續(xù)樣品采集,但采集速率易受海底溫度等因素的影響。
1.3.2 深海海水取樣技術
深海海水取樣技術利用采水器設備以及電力和機械等 控 制 方 式,在 一 定 深 度 實 現(xiàn) 海 水 樣 品 采集。美國和日本等國家開展相關研究并取得代表性成果:哥倫比亞大學研發(fā)深海氣密采水器(AquaLAB),可分析示蹤氣體、序列采集海水樣品和高保真短期采集海水樣品,單個海水樣品的最大容量為1L,最多可采集50個,采集深度達6000m;華盛頓大學研發(fā)通過機械手觸發(fā)的采水器(Lupton),并在海底熱液區(qū)完成數(shù)次科學調查;東京大學研發(fā)利用泵和多通道轉閥實現(xiàn)旋轉式海水樣品采集的設備,每次可采集5個海水樣品序列;北海道大學研發(fā)搭載在深海運載器上的氣密采水器(WHATII),用于采 集 海 底 熱 液 口 的 海 水 樣 品,最 大 工 作 水 深為4000m。為提供高質量的氣密海水樣品,美國羅得島大學和 WHIO 海洋研究所共同研發(fā)搭載在無纜自治潛水器上的氣密采水器,單個海水樣品的容量只有20ml,每次下潛可采集 8 個氣密不保壓的海水樣品。美國 MBARI研究所研發(fā)搭載在無纜自治潛水器上的主動式大容量采水器(GulperSampler),可在2s內快速采集海水樣品,單個海水樣品的最大容量為2L,最多可采集10個。此外,美國 WHIO 海洋研究所吸收前期采水器的優(yōu)點,研發(fā)搭載在載人潛水器上的保壓采水器。采用2個獨立腔室的結構,其中1個腔室預先填充氮氣作為儲能室,確保海水樣品始終保持壓力平衡狀態(tài),同時采用電機觸發(fā)的設計方案,使海水樣品采集過程更加自動化。
1.3.3 深海巖芯取樣技術
深海巖芯取樣技術通過沖擊、射入和鉆機等方式采集巖芯樣品,目前已被廣泛應用。
二、關鍵性深海探測技術
由于深海具有可視性差、水壓力大和地形復雜 等特征,人類對深海的認知極其有限,深海探測技 術的研究和應用也極具挑戰(zhàn)性。為實現(xiàn)精確、可靠和高效的深 海探測,亟須開展技術攻關。
2.1 深海光學通信技術
目前深海探測主要以水聲載波的方式進行信息交互,受海水介質的制約,聲學通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉O限速率僅為1500m/s,同時存在數(shù)據(jù)損耗大、環(huán)境噪聲大以及受水體折射和漫反射多徑效應影響等問題,導致通信質量較差和穩(wěn)定性較低。以人工智能和大數(shù)據(jù)處理為代表的新一代深海探測技術亟須突破通信“瓶頸”。光學通信具有傳輸速率高(GB/s級別)、無線、方向性好和隱蔽性強等優(yōu)勢,可彌補聲學通信的諸多不足,是深海探測技術發(fā)展的“命脈”。未來深海探測的水上部分可采用電磁通信技術,水下部分可采用光學通信技術,實現(xiàn)各平臺和傳感器之間以及海-空-天之間高速和穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸。
2.2 深海導航定位技術
導航定位技術在深海探測技術體系中占有重要地位,直接反映水下作業(yè)的精確性和安全性,主要分為慣 性 導 航、聲 學 導 航 和 海 洋 地 球 物 理 導 航3種技術類型。
(1)慣性導航是最基本的導航定位系統(tǒng)。受海水介質的制約,水下電磁波衰減嚴重,慣性導航系統(tǒng)僅能在入水前根據(jù)初始點推算導航定位,而無法實時反饋和修正位置信息,隨著作業(yè)距離和時間的累計不可避免地存在偏差,須回到水上調整,極大地影響深海探測效率,且無法實現(xiàn)精確作業(yè)。
(2)聲學導航利用信標發(fā)射和接收聲學信號,通過一定的算法推算導航定位,通常分為長基線(LBL)、短基線 (SBL)和超短基線 (USBL)3個類型。受海水介質的制約,聲學導航系統(tǒng)存在嚴重延遲、易受干擾和易暴露等問題。
(3)海洋地球物理導航的誤差與作業(yè)距離和時間無關,具有精度高、受限少和隱蔽性強等優(yōu)勢,是目前全球研究熱點。隨著光學傳感技術的進步,深海光學導航定位技術越來越引起全球各國的重視,SLAM 導航系統(tǒng)迅速興起,通過識別和提取采集到的聲吶圖像和數(shù)字圖像的特征點,實現(xiàn)深海探測定位和環(huán)境地圖合成,有望產生革命性成果。
2.3 深海動力能源技術
由于存在燃料補充、廢氣排放和壓力承受等困難,深海探測對動力能源提出更高的要求。深海動力能源技術既要突破耐高壓、耐低溫和耐腐蝕等難點,又要實現(xiàn)高穩(wěn)定性、高安全性、高可控性、高容量和低成本等目標,是未來深海探測的關鍵性技術。目前深海探測的動力能源主要包括鉛酸電池、銀鋅電池、鎳基電池、鋰電池、燃料電池、核能、海洋溫差能和柴油等。其中,銀鋅電池是普遍采用的動力能源,具有比功率、比能量、安全性和穩(wěn)定性均較高的優(yōu)點,但也存在充電次數(shù)有限、壽命短和成本極高等缺點;鋰電池是目前綜合性能最好的動力能源,具有電壓高、能力強、壽命長和充電快等優(yōu)點,我國4500米級載人潛水器已采用鋰電池供電的技術方案。大型軍事潛艇通常采用小型核能裝置或封閉循環(huán)柴油機提供動力能源。核能具有無限續(xù)航、安全性高和連續(xù)工作時間長等優(yōu)點,可有效解決深海探測動力能源持續(xù)供給的問題,發(fā)展前景廣闊。
2.4 深海裝備材料技術
綜合考慮使用成本和加工難度,目前全球普遍選擇不銹鋼或鍍層鋁合金作為深海探測裝備的主材,耐壓殼通常采用不銹鋼。這些材料造價適中,但密度較大,極大地增加裝備的整體重量,使搭載設備受限。鈦合金具有密度低、強度高和耐腐蝕等優(yōu)點,但價格昂貴且加工困難,難以廣泛應用于深海探測裝備。以碳纖維和多孔結構為特征的復合浮力材料是深海探測裝備的理想材料。日本將2種不同大小的中空玻璃微球添加到環(huán)氧樹脂中,融合得到高強度和低 比 重 的 復 合 泡 沫 塑 料,并 應 用 于 “Shinkai6500”號載人潛水器。以陶瓷為基礎的復合材料具有超強的耐壓力和天然的耐腐蝕力,且在同等耐壓條件下密度較低和體積較小,可降低材料成本和防止結構老化。美國“海神”號深海運載器即采用大量陶瓷復合材料,其耐壓殼采用氧化鋁陶瓷作為基材,與采用純鈦合金相比輕331kg;“海神”號于2009年成功下潛至馬里亞納海溝10902m 深度,充分驗證其強大的耐壓性能。
三、深海探測技術的發(fā)展趨勢
3.2 協(xié)同化
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來源：《海洋開發(fā)與管理》2019年第4期
深海探測技術體系
海洋是人類生命的起源,以其豐富的水體資源、礦產資源和生物資源支撐人類的永續(xù)發(fā)展。由于深海具有可視性差、水壓力大和地形復雜等特殊屬性,人類對于深海的認知嚴重不足。隨著我國對自然資源實施戰(zhàn)略規(guī)劃和統(tǒng)一管理,我國致力于全面發(fā)展深海探測技術,提高對深海的科學認知,為 實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標打下堅實基礎。
一、深海探測技術及其研發(fā)
深海探測技術特指在深海領域通過傳感或取樣手段獲取海洋或海底特定地區(qū)單一時刻數(shù)據(jù)的技術。
1.1 深海運載器探測技術
深海運載器是攜帶各種電子設備、機械裝置或專業(yè)人員,快速和準確地到達各種深海環(huán)境,進行精確探測和科學研究的裝備平臺。深海運載器分為載人潛水器(HOV)和無人潛水器(UUV)2個大類,其中無人潛水器又可細分為無纜自治潛水器(AUV)和纜控潛水器(ROV),近年來迅速發(fā)展的水下滑翔機(Glider)通常被劃分到無纜自治潛水器序列中。作為綜合性的水下機動平臺,深海運載器自身配置探測設備開展精確探測,還可具有針對性地配置其他高精尖探測設備開展原位探測,具有全面的技術特點,是深海探測技術的發(fā)展熱點。
1.2 深海傳感探測技術
1.2.1 深海聲學傳感探測技術
深海聲學傳感探測技術利用聲波傳遞過程中入射聲波與反射聲波在頻率、時間或強度上的差異開展深海探測,可分為超短基線定位技術、聲學多普勒測量技術和沉積物聲波采集技術等,被廣泛應用于深海數(shù)據(jù)獲取、導航定位和目標探測等，具有代表性的有側掃聲吶探測技術、多波束探測技術、合成孔徑聲吶成像技術和淺地層剖面測量技術。
(1)側掃聲吶探測技術通過實時圖像探測海底地貌,可實現(xiàn)超視距觀察、目標搜索和障礙物躲避。該項技術誕生于“二戰(zhàn)”期間,主要被應用于軍事領域;20世紀60年代英國研發(fā)全球首臺民用側掃聲吶系統(tǒng),被廣泛應用于科學研究;美國、法國和挪威等國家陸續(xù)研發(fā) EdgeTech系列和 Klein系列等多型產品,處于全球壟斷地位。我國于20世紀70年代開展側掃聲吶的系統(tǒng)研究,中國科學院聲學研究所、哈爾濱工程大學、西北工業(yè)大學和華南理工大學等單位研發(fā) SGP型和 CS-1型等設備,但技術水平總體較落后,且尚未實現(xiàn)產品化。
(2)多波束探測技術利用海底反向散射的聲學機理,實現(xiàn)大深度海底底質形貌的信息獲取和圖像構建,基于多普勒效應的流速測量傳感器可用于測量深海海流剖面。目前全球對深海流場了解甚少,深海流場測量具有重要的科學價值。挪威、美國、德國和丹麥等國家在多波束探測技術研究和應用領域全球領先,并完成產業(yè)布局,以豐富的產品類型和先進的技術指標,處于全球壟斷地位。我國多波束探測技術研究仍較落后,僅有哈爾濱工程大學、中國科學院聲學研究所、中國船舶重工集團公司第七一五研究所和浙江大學等單位開展相關系統(tǒng)研究,目前已完成多型淺水型多波束測深聲吶的研發(fā),但尚未實現(xiàn)產品化。
(3)合成孔徑聲吶成像技術利用聲吶陣列向下方發(fā)射扇形波束,以小孔徑聲基陣的勻速直線運動虛擬大孔徑聲基陣,對深海環(huán)境進行超視距觀察,可搜索目標和躲避障礙物。該項技術起源于陸地雷達成像技術,是聲吶成像技術熱點之一。目前歐美國家在相關研究和應用方面全球領先,如法國、挪威和美國等國家陸續(xù)研發(fā) SHADOWS、HISAS和4400SAS等產品。我國于20世紀90年代開始由中國科學院聲學研究所和中國船舶重工集團公司第七一五研究所開展大量研究,于2005年成功海試首臺具有自主知識產權的合成孔徑聲吶,目前蘇州桑泰海洋公司的相關技術和產品已達到國際先進水平。
(4)淺地層剖面測量技術利用2組指向成交的聲學換能器陣列,在航向線上構建測深剖面帶,通過條帶上每個點的高分辨率深度值測量地形。淺地層剖面儀于20世紀40年代開始研發(fā),并于60—70年代實現(xiàn)產業(yè)化;21 世紀以來,隨著電子控制、傳感檢測、信號處理和云計算等技術的飛速發(fā)展,挪威和美國處于全球領先地位,具備絕對實力。我國于20世紀70年代開展淺地層剖面儀的研究工作,并取得一定的成果,但與國外同類型產品相比,技術可靠性和成熟度仍較低。
1.2.2 深海光學傳感探測技術
深海光學傳感探測技術主要根據(jù)光在水體中傳輸?shù)奶匦院鸵?guī)律以及水體物質相互作用的機理,實現(xiàn)深海目標識別和水下通信[10],具有代表性的有水下光學傳感技術、光纖水聽技術、水下激光通信技術和水下光學成像技術。
(1)水下光學傳感技術基于光源發(fā)出的光與水體物質的吸收散射等相互作用,通過檢測特征光譜波長的大小和強弱,反演物質種類和含量。美 國MBARI海洋研究所是將拉曼光譜技術應用于深海探測的先驅,已在天然氣水合物探測、熱液探測和碳循環(huán)研究等方面取得顯著成果,此后德國和法國都開展相關研究?！笆晃濉逼陂g,在國家“863”專項的支持下,中國海洋大學研發(fā)拉曼光譜探測系統(tǒng),中國船舶重工集團公司第七一七研究所、武漢理工大學和武漢大學等單位也在光電探測領域開展部分研究。
(2)光纖水聽技術將水聲振動轉換為光學信號,并通過光纖傳輸至信號處理系統(tǒng),實現(xiàn)信號提取。該項技術是全球熱點技術,美國、英國和法國等國家已開展大量研究。美國于20世紀70年代最早開展相關技術研發(fā),1983年首次完成海試,1988年完成光纖水聽系統(tǒng)(AnOpticTowedArray)的探測試驗,目前大多數(shù)新型軍用潛艇均采用光纖水聽器陣列技術;1998年英國開展水聽聲吶研究,2000年與美國聯(lián)合研發(fā)成像系統(tǒng),實現(xiàn)8km 和96個探頭的水下傳感探測。我國光纖水聽技術研究起步較晚,主要由哈爾濱工業(yè)大學、南開大學、中國船舶重工集團公司第七一五研究所和武漢理工大學等單位開展實際研究,已研發(fā)4元光纖水聽傳感陣列和PGC光纖水聽聲吶傳感系統(tǒng)等,但技術水平總體較落后。
(3)水下激光通信技術以激光為載體,通過不斷的脈沖信號和數(shù)字編碼進行載波調制和解碼,實現(xiàn)水下數(shù)據(jù)無線傳輸。美國、澳大利亞和日本等國家很早即開展相關研究,近年來發(fā)展迅猛,相繼突破水下激光高速率數(shù)據(jù)傳輸技術,為相關應用奠定基礎。2015年日本山梨大學采用波長為405nm 的LD光源,在4.8 m 的清水中成功實現(xiàn) 1.45GB/s的數(shù)據(jù)傳輸;2016年美國克萊姆森大學采用波長為445nm 的 LD 光 源 和 OOK-OAM 調 制 模 式,在2.96m 的水下成功實現(xiàn)3GB/s的高速率數(shù)據(jù)傳輸。我國水下激光通信技術研究剛剛起步,主要由清華大學、中國科學院自動化研究所、哈爾濱工業(yè)大學、中國科學院上海光學精密機械研究所和浙江大學等單位開展研究。2016年浙江大學采用波長為685nm的紅色激光和32-QAM OFDM 調制模式開展水下激光通信實驗,數(shù)據(jù)傳輸速率達到4.883GB/s。
(4)水下光學成像技術利用水下照明和攝像設備獲取目標的圖像信息,可應用于深海勘探和環(huán)境監(jiān)測等領域。該項技術于1856年起源于英國,目前挪威和美 國 在 相 關 研 究 和 應 用 方 面 全 球 領 先,如OE14-408E系列和 MultiSeaCam1060等產品均具備優(yōu)異的技術性能。我國主要由哈爾濱工程大學、浙江大學和中國科學院西安光學精密機械研究所等單位開展研究,但仍處于技術研發(fā)和試驗階段,尚未有成熟化的產品,相關設備主要依靠采購。
1.2.3 深海電磁學傳感探測技術
深海電磁學傳感探測技術通過電磁學方法獲取深海場源的電磁場值,并通過對斷面的反演實現(xiàn)地下電性分布探測。美國和英國對深海電磁學傳感探測技術的研究全球領先,并已實現(xiàn)產業(yè)化,為相關企業(yè)提供實質性的服務[11]。我國相關研究較落后,開展研究的單位也較少,中國地質大學研發(fā)海洋大地電磁采集站,但尚未實現(xiàn)產品化。
1.2.4 深海熱學傳感探測技術
深海熱學傳感探測技術利用熱敏元件感知和測量深海沉積物參數(shù),可為海區(qū)地球動力、海底熱液活動和大陸邊緣沉積盆地的演化以及油氣水化合物資源的評價等研究提供重要的基礎數(shù)據(jù)。美國 WHIO 海洋研究所、MBARI研究 所、華盛頓大學和明尼蘇達大學等對深海熱學傳感探測技術開展大量研究,利用熱電偶傳感器 (Hobo 和Vemco)在東太平洋熱液區(qū)獲取400℃熱液噴口的原位測量數(shù)據(jù),并利用鐵合金封裝的J型熱電偶傳感器測量深海熱液噴口溫度。我國浙江大學、中國科學院海洋研究所和原國家海洋局第二海洋研究所等單位開展相關研 究。浙江大學探索深海熱液區(qū)原位溫度的長時序探測,并取得一系列研究成果;2014年“蛟龍”號分別搭載由國家深?；毓芾碇行暮驼憬髮W研發(fā)的溫度梯度儀成功完成海試,并獲取海底溫度的原位測量數(shù)據(jù)。
1.3 深海取樣探測技術
1.3.1 深海生物取樣技術
深海生物取樣技術在早期科學調查中被普遍應用,實現(xiàn)對海洋浮游生物和海洋底棲生物樣品的采集,采集工具主要有拖網(wǎng)、采水器和采泥器等。其中,由6 位 通 道 轉 閥 控 制 的 自 動 微 生 物 取 樣 器(AMS)可很好地采集熱液體中的無污染微生物樣品;由球閥控制的多瓶取樣器(WHATSII)可實現(xiàn)4個取樣瓶同步的樣品采集;微生物長時序自動取樣器(OsmoSampler)可實現(xiàn)長達3年的連續(xù)樣品采集,但采集速率易受海底溫度等因素的影響。
1.3.2 深海海水取樣技術
深海海水取樣技術利用采水器設備以及電力和機械等 控 制 方 式,在 一 定 深 度 實 現(xiàn) 海 水 樣 品 采集。美國和日本等國家開展相關研究并取得代表性成果:哥倫比亞大學研發(fā)深海氣密采水器(AquaLAB),可分析示蹤氣體、序列采集海水樣品和高保真短期采集海水樣品,單個海水樣品的最大容量為1L,最多可采集50個,采集深度達6000m;華盛頓大學研發(fā)通過機械手觸發(fā)的采水器(Lupton),并在海底熱液區(qū)完成數(shù)次科學調查;東京大學研發(fā)利用泵和多通道轉閥實現(xiàn)旋轉式海水樣品采集的設備,每次可采集5個海水樣品序列;北海道大學研發(fā)搭載在深海運載器上的氣密采水器(WHATII),用于采 集 海 底 熱 液 口 的 海 水 樣 品,最 大 工 作 水 深為4000m。為提供高質量的氣密海水樣品,美國羅得島大學和 WHIO 海洋研究所共同研發(fā)搭載在無纜自治潛水器上的氣密采水器,單個海水樣品的容量只有20ml,每次下潛可采集 8 個氣密不保壓的海水樣品。美國 MBARI研究所研發(fā)搭載在無纜自治潛水器上的主動式大容量采水器(GulperSampler),可在2s內快速采集海水樣品,單個海水樣品的最大容量為2L,最多可采集10個。此外,美國 WHIO 海洋研究所吸收前期采水器的優(yōu)點,研發(fā)搭載在載人潛水器上的保壓采水器。采用2個獨立腔室的結構,其中1個腔室預先填充氮氣作為儲能室,確保海水樣品始終保持壓力平衡狀態(tài),同時采用電機觸發(fā)的設計方案,使海水樣品采集過程更加自動化。
1.3.3 深海巖芯取樣技術
深海巖芯取樣技術通過沖擊、射入和鉆機等方式采集巖芯樣品,目前已被廣泛應用。
(1)保壓取芯器(PCS)。保壓取芯器以液壓驅動單元為動力,利用其自重和自由落體運動采集巖芯樣品,并利用鋼纜回收,由取樣管、球閥組件、動作筒組件、鎖機構、蓄能器和管路組件6個部分組成。保壓取芯器長為1.5m、直徑為99mm、最大承壓能 力 為 69 MPa,采 集 巖 芯 樣 品 的 最 大 直 徑 為43mm、最大長度為990mm,存在采集巖芯樣品直徑較小以及無法在不降壓的條件下將巖芯樣品取出的問題。
(2)保壓取芯筒(PCB)。與其他巖芯樣品采集設備相比,保壓取芯筒的保壓性能較好,但結構較復雜。美國的DSDP-PCB、ESSO-PCB和Christensen-PCB的設計結構基本相同,均采用雙管單動式。與保壓取芯 器 相 比,保 壓 取 芯 筒 的 長 度 較 長 (4.5~10.0m),通常須配置較大的卸壓采氣設備,且須切割巖芯樣品以封裝保存。(3)HYCINTH 系統(tǒng)。HYCINTH 系統(tǒng)是為天然氣水合物沉積物和深海生物而特殊設計的巖芯樣品采集系統(tǒng),根據(jù)不同的海底地質條件,目前已研發(fā)沖擊式取樣器(FPC)和旋轉式取樣器(HRC)。其中,沖擊式取樣器的最大采集深度為1m,采集巖芯樣品直徑為57mm,保壓能力為25 MPa;旋轉式取樣器的最大采集深度為lm,采集巖芯樣品直徑為51mm,保壓能力為25MPa;二者采集巖芯樣品后的操作相同,即通過翻板閥實現(xiàn)高壓腔室密封。
(4)運載器取芯器。隨著深海運載器的廣泛應用,依托其精確作業(yè)的特點,多類型基于深海運載器的巖芯樣品采集設備快 速 發(fā) 展。1991 年 “阿 爾文”號搭載取芯器(HSTR)采集直徑為480 mm 的巖 芯 樣 品,受 到 廣 泛 關 注;1995 年 美 國 HarborBranch海洋研究所研發(fā)7000米級運載器取芯器,并搭載在纜控潛水器(Magellan)上成功海試;俄羅斯基于深海運載器的取芯器具有大功率和大強度等優(yōu)點,可在花崗巖和玄武巖等硬巖上采集巖芯樣品;英國、法國和日本等國家的載人潛水器均配置巖芯樣品采集設備,并完成多次采集作業(yè)。二、關鍵性深海探測技術
由于深海具有可視性差、水壓力大和地形復雜 等特征,人類對深海的認知極其有限,深海探測技 術的研究和應用也極具挑戰(zhàn)性。為實現(xiàn)精確、可靠和高效的深 海探測,亟須開展技術攻關。
2.1 深海光學通信技術
目前深海探測主要以水聲載波的方式進行信息交互,受海水介質的制約,聲學通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉O限速率僅為1500m/s,同時存在數(shù)據(jù)損耗大、環(huán)境噪聲大以及受水體折射和漫反射多徑效應影響等問題,導致通信質量較差和穩(wěn)定性較低。以人工智能和大數(shù)據(jù)處理為代表的新一代深海探測技術亟須突破通信“瓶頸”。光學通信具有傳輸速率高(GB/s級別)、無線、方向性好和隱蔽性強等優(yōu)勢,可彌補聲學通信的諸多不足,是深海探測技術發(fā)展的“命脈”。未來深海探測的水上部分可采用電磁通信技術,水下部分可采用光學通信技術,實現(xiàn)各平臺和傳感器之間以及海-空-天之間高速和穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸。
2.2 深海導航定位技術
導航定位技術在深海探測技術體系中占有重要地位,直接反映水下作業(yè)的精確性和安全性,主要分為慣 性 導 航、聲 學 導 航 和 海 洋 地 球 物 理 導 航3種技術類型。
(1)慣性導航是最基本的導航定位系統(tǒng)。受海水介質的制約,水下電磁波衰減嚴重,慣性導航系統(tǒng)僅能在入水前根據(jù)初始點推算導航定位,而無法實時反饋和修正位置信息,隨著作業(yè)距離和時間的累計不可避免地存在偏差,須回到水上調整,極大地影響深海探測效率,且無法實現(xiàn)精確作業(yè)。
(2)聲學導航利用信標發(fā)射和接收聲學信號,通過一定的算法推算導航定位,通常分為長基線(LBL)、短基線 (SBL)和超短基線 (USBL)3個類型。受海水介質的制約,聲學導航系統(tǒng)存在嚴重延遲、易受干擾和易暴露等問題。
(3)海洋地球物理導航的誤差與作業(yè)距離和時間無關,具有精度高、受限少和隱蔽性強等優(yōu)勢,是目前全球研究熱點。隨著光學傳感技術的進步,深海光學導航定位技術越來越引起全球各國的重視,SLAM 導航系統(tǒng)迅速興起,通過識別和提取采集到的聲吶圖像和數(shù)字圖像的特征點,實現(xiàn)深海探測定位和環(huán)境地圖合成,有望產生革命性成果。
2.3 深海動力能源技術
由于存在燃料補充、廢氣排放和壓力承受等困難,深海探測對動力能源提出更高的要求。深海動力能源技術既要突破耐高壓、耐低溫和耐腐蝕等難點,又要實現(xiàn)高穩(wěn)定性、高安全性、高可控性、高容量和低成本等目標,是未來深海探測的關鍵性技術。目前深海探測的動力能源主要包括鉛酸電池、銀鋅電池、鎳基電池、鋰電池、燃料電池、核能、海洋溫差能和柴油等。其中,銀鋅電池是普遍采用的動力能源,具有比功率、比能量、安全性和穩(wěn)定性均較高的優(yōu)點,但也存在充電次數(shù)有限、壽命短和成本極高等缺點;鋰電池是目前綜合性能最好的動力能源,具有電壓高、能力強、壽命長和充電快等優(yōu)點,我國4500米級載人潛水器已采用鋰電池供電的技術方案。大型軍事潛艇通常采用小型核能裝置或封閉循環(huán)柴油機提供動力能源。核能具有無限續(xù)航、安全性高和連續(xù)工作時間長等優(yōu)點,可有效解決深海探測動力能源持續(xù)供給的問題,發(fā)展前景廣闊。
2.4 深海裝備材料技術
綜合考慮使用成本和加工難度,目前全球普遍選擇不銹鋼或鍍層鋁合金作為深海探測裝備的主材,耐壓殼通常采用不銹鋼。這些材料造價適中,但密度較大,極大地增加裝備的整體重量,使搭載設備受限。鈦合金具有密度低、強度高和耐腐蝕等優(yōu)點,但價格昂貴且加工困難,難以廣泛應用于深海探測裝備。以碳纖維和多孔結構為特征的復合浮力材料是深海探測裝備的理想材料。日本將2種不同大小的中空玻璃微球添加到環(huán)氧樹脂中,融合得到高強度和低 比 重 的 復 合 泡 沫 塑 料,并 應 用 于 “Shinkai6500”號載人潛水器。以陶瓷為基礎的復合材料具有超強的耐壓力和天然的耐腐蝕力,且在同等耐壓條件下密度較低和體積較小,可降低材料成本和防止結構老化。美國“海神”號深海運載器即采用大量陶瓷復合材料,其耐壓殼采用氧化鋁陶瓷作為基材,與采用純鈦合金相比輕331kg;“海神”號于2009年成功下潛至馬里亞納海溝10902m 深度,充分驗證其強大的耐壓性能。
三、深海探測技術的發(fā)展趨勢
3.1 體系化
深海探測技術的進步使大范圍、高精度和準同步的全球深海探測成為可能。深海探測技術的體系化有助于獲取多學科、多尺度、立體化和長時序的深海探測數(shù)據(jù)?；诤Ａ繑?shù)據(jù),采用新理論、新模型和新方法,促進深海動力環(huán)境、深海地球物理場和深海工程地質等領域的科學研究。3.2 協(xié)同化
深海探測的手段有限且成本極高,協(xié)同化作業(yè)是新一代深海探測技術的發(fā)展方向。結合人工智能、環(huán)境感知和通信控制等新興技術,在特定海區(qū)大量布設以無纜自治潛水器為代表的深海運載器,有望實現(xiàn)大規(guī)模和多平臺的組網(wǎng)作業(yè),提高協(xié)同探測能力。
3.3 智能化
2010年以來,以虛擬代理、決策管理、深度學習和生物特征識別等為代表的人工智能技術備受關注并蓬勃發(fā)展,已融入和改變人類的生活和生產。在深海探測領域,可利用人工智能技術開展探測目標的識別和提取、探測裝備的故障診斷和容錯控制以及深海環(huán)境的高效感知等,推動深海探測技術的全面智能化。聲明：文章內容整理來源于網(wǎng)絡，版權屬于原作者，如有問題，請聯(lián)系我們！
來源：《海洋開發(fā)與管理》2019年第4期
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