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知識窗——海洋探測技術及應用

20世紀末，科學家在海底發(fā)現(xiàn)了另一個大洋世界——“黑色大洋”，富含礦物質的流體在其中流動著，驅動著礦物質的傳遞和界面交換，形成各類大洋礦產，并維持著由極端條件生物所組成的深部生物圈。黑色大洋的發(fā)現(xiàn)，拓展了人類對地球形成與演化和地球生命起源的認識領域。從此，人們不斷的加快了對海洋的探測，各種海洋探測技術相應的產生。海洋物探技術的發(fā)展不僅具有顯著的科學研究意義，在海洋能源的開采利用和海洋軍事和安全中都有很重要的意義和位置。

一、海洋定位技術

高精度的定位技術是海洋探測技術的基礎，海洋定位包括海面船只和探測系統(tǒng)的定位和海下探測系統(tǒng)的定位，海下探測系統(tǒng)的高精度定位尤其重要。

水面定位技術由于衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)的發(fā)展已經(jīng)比較成熟。目前的衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)有美國的GPS系統(tǒng)和中國的北斗系統(tǒng)，其中GPS的技術最成熟，精度最高。

水下定位主要測定水下探測系統(tǒng)相對水面母船的位置，如側掃聲納系統(tǒng)、海底照相系統(tǒng)、海底攝影系統(tǒng)等拖體系統(tǒng)，水下機器人，海底箱式取樣器、多管取樣器、電視抓斗、潛鉆、熱液保真采樣器及海底土工原位測試儀等等。測定水下探測系統(tǒng)相對水面母船的位置，結合水面船只的全球定位數(shù)據(jù)，就可以將水下探測系統(tǒng)的準確位置歸算到大地坐標系上。水下定位系統(tǒng)主要有超短基線定位系統(tǒng)、短基線定位系統(tǒng)、長基線定位系統(tǒng)以及超短基線和長基線組合定位系統(tǒng)。而短基線定位系統(tǒng)目前已經(jīng)很少使用。超短基線定位系統(tǒng)由聲基陣、聲標、主控系統(tǒng)和外部設備等組成，聲基陣置于船底或船舷，聲標裝在水下探測系統(tǒng)上，測定聲標與聲基陣不同水聽器之間的距離和聲脈沖到達的相位差來確定聲標相對與聲基陣的位置。

根據(jù)船載部分與水下應答器之間的交聯(lián)方式，系統(tǒng)有聲學應答式、電信號觸發(fā)式和同步鐘等三種方式。系統(tǒng)最大的優(yōu)點是可以進行長距離海底目標連續(xù)跟蹤定位，操作簡單；缺點是定位精度較低，作用距離較短，作業(yè)水深較淺。長基線定位系統(tǒng)通過測定母船和聲標的距離，水下設備（安置聲標）與聲標、母船的距離，及水下設備與各聲標的距離，最終確定水下設備相對母船的位置。系統(tǒng)的主要優(yōu)點是定位精度高，適于在小范圍內（幾十平方公里）精確定出水下設備。水下GPS系統(tǒng)包括GPS智能浮標（GIB）、控制站及水下應答器。浮標下掛水聽器，由四個浮標組成基陣，通過水面天線與控制系統(tǒng)鏈接。應答器置于水下運載器上，應答器內裝有聲波發(fā)生器。浮標在聲波發(fā)生器約500m范圍內，就能精確探測到聲波信號。測定應答器發(fā)射與水聽器收到聲脈沖信號之間的時間差，測出浮標和水下目標之間的相對位置，利用差分GPS精確測定浮標的精確位置，從而得到水下目標的精確定位。定位數(shù)據(jù)可在控制站與浮標之間無線傳輸交換。

二、海底聲學探測技術

聲波在海水中的傳播優(yōu)于電磁波和可見光，目前的海底探測主要還是依賴于聲學探測技術，海洋地震勘探及其數(shù)據(jù)處理是傳統(tǒng)性的海底聲學技術，也是研究海底構造與海洋巖石圈深部結構和尋找海底礦產的主力技術。多波束測探。側掃聲納測圖和淺層剖面測量則是近數(shù)十年快速發(fā)展起來探測海底淺層結構信息的技術，這些技術已經(jīng)在當代海洋工程、海洋開發(fā)、海洋研究、海底資源勘查等方面發(fā)揮出極其重要的作用。

1.海洋地震探測技術

海洋地震勘探主要利用地震波在海底地層巖石中的傳播規(guī)律，來研究海底以下地質構造，推斷巖體物性，勘查海底資源。地震勘探法是目前海底探查應用最廣、成效最高的地球物理技術。20世紀以來，海底地震迅速發(fā)展，主要表現(xiàn)在采集系統(tǒng)的高集約化、采集技術的多樣化、探測技術的多元化、數(shù)據(jù)吃力解釋技術的飛速發(fā)展。

20世紀年代末至今，隨著三維、四維、高分辨率和多波多分量檢波器、渦流檢波器等。隨著無線電定位和衛(wèi)星定位在地震勘探中廣泛應用，海洋地震數(shù)據(jù)的采集也從最初的三船法、雙船法發(fā)展。目前主要采用的單船法。同時，探測維數(shù)也從最初的二維發(fā)展到三維地震探測，甚至時宜探測，及四維探測。海洋地震探測技術從反射探測技術、折射探測技術發(fā)展到目前的多波束多分量地震探測技術。多波多分量地震探測與通常采用的單一縱波探測技術相比，所能提供的地震屬性（時間、速度、振幅、頻率、相位、偏振、波阻抗、吸收、復分量等）信息成倍增加，并能衍生出各種組合參數(shù)。利用這些參數(shù)估算地層巖性、裂隙燈比只用單波具有更高的可靠性?？碧降卣饠?shù)據(jù)的處理包括數(shù)值計算和對地殼結構的成像；地震數(shù)據(jù)的解釋則趨向于可視化技術的應用。

2.海底淺層聲探測技術

海底淺層聲探測有多波束測探、側掃聲納和淺層剖面探測等，工作原理基本相似，只是由于探測目標的不同而有所區(qū)別。使用的聲波頻率和強度也存有差異。一般高頻用于探測中、淺海水深或側掃海底形態(tài)，低頻用于探測深海水深或淺層剖面結構。高頻能提供分辨率，而低頻則能提高聲波的作用距離和穿透深度。目前有很多系統(tǒng)采用雙頻或者多頻探頭結構，以提高全海域的探測能力。

多波束測深系統(tǒng)是一種由多個傳感器組成的復雜系統(tǒng)。它不同與單波束測深系統(tǒng)，在測量斷面內可形成十幾個至上百個測點的條幅式測深數(shù)據(jù)，幾百個甚至上千個反向散射度數(shù)據(jù)，能獲得較寬的海底掃幅和較高的測點密度，極大地改進了海底數(shù)據(jù)采集的速度；由于測量波束較窄，并采用先進的檢測技術和精密的聲線改正方法，系統(tǒng)可確保探測精度和波束腳印的坐標歸位計算精度。因而，多波束測深系統(tǒng)具有全覆蓋。高精度、高密度和高效率的特點，在海底探測的實踐中發(fā)揮著越來越重要的作用。多波束測深系統(tǒng)日益受到海底測量同行的認可。多波束測深系統(tǒng)可分為聲波反射—散射和聲波相干兩種類型，大部分多波束系統(tǒng)基于聲反射—聲散射原理，少數(shù)基于聲波相干原理。目前在深?？睖y中主要還是使用聲波反射—散射多波束系統(tǒng)，波束數(shù)一般在120-260個左右。

側掃聲納技術應用海底地物對入射聲波反向散射的原理來探測海底形態(tài)，側掃聲納技術能直觀地提供海底形態(tài)的聲成像，在海底測繪，海底地質勘測，海底工程施工，海底障礙物和沉積物的探測以及海底礦產勘測等方面得到廣泛的應用。根據(jù)聲學探頭安裝位置的不同，側掃聲納可以分為船載和拖體2類。船載型聲學換能器安裝在船體的兩側，該類側掃聲納工作頻率一般較低（10KHz以下），掃幅較寬。探頭安裝在拖體內的側掃聲納系統(tǒng)根據(jù)拖體距海底的高度還可分為2種：離海面較近的深拖型。高位拖曳型側掃系統(tǒng)的拖體在水下100m左右拖曳，能夠提供測試圖像和測深數(shù)據(jù)，航速較快（8Kn）。多數(shù)拖體式側掃聲納系統(tǒng)為深拖型，拖體距離海底僅有數(shù)十米，位置較低，航速較低，但獲取的側掃聲納圖像質量較高，側掃圖像甚至可分辨出十幾厘米的管線和體積很小的油桶等。最近有些深拖型側掃聲納系統(tǒng)也開始具備高航速的作業(yè)能力，10kn航速下依然能獲得高清晰度的海底側掃圖像。

淺地層剖面測量系統(tǒng)是探測海底淺層結構、海底沉積特征和海底表層礦產分布的重要手段，它具有與多波束測深和側掃聲納相類似的工作 原理 ，其區(qū)別在于淺層剖面系統(tǒng)的發(fā)射頻率較低，產生聲波的電脈沖能量較大，發(fā)射聲波具有較強的穿透力，能夠有效地穿透海底數(shù)十米的地層。淺層剖面測量與單道地震探測也很類似，但分辨率要高的多，有的 系統(tǒng)在中、淺水探測的分辨率甚至可以達到十余厘米。20世紀40年底推出最原始的海底剖面儀，上世紀60-70年代出現(xiàn)商品設備，由于當時技術基礎的限制，無法實現(xiàn)復雜信號的處理、地層的 高分辨探測和自動成圖，地層探測結果只能繪在熱記錄紙帶上，不能長期保存。海底探測要求淺層剖面測量系統(tǒng)既能擁有較高的地層穿透深度，又能具有較高的地層分辨率。

目前，海洋能源具有很大的開發(fā)潛力。據(jù)估計，海南的石油資源量可達400億噸，全部或者部分在我國斷續(xù)國界線內的海南大陸架和大陸坡的含油氣盆地。因此，海洋能源的探測至關重要。地球物理探測手段是油氣勘探中最為重要的手段，也是目前我們應用最為廣泛的手段。其中，以地震勘探為主要方法。地震勘探是利用人工方法激發(fā)地震波來定位礦藏、確定考古位置、獲得工程地質信息。海上作業(yè)都通過一條船拖著幾千米的拖纜，拖纜可以從船尾放入海中，通過氣槍或者電火花震源激發(fā)，利用水聽器接收來自地下的信息，從而指導油氣勘探。

另外，由于能源的短缺，海洋能源成為各國爭奪的焦點，因而銀器了很多領土爭端問題，例如釣魚島位于東海大陸架的東部邊緣，距臺灣島120Km,東西距日本沖繩和中國大陸200海里。釣魚島歷來就是中國的領土，明代就被列為中國的防衛(wèi)范圍。釣魚島是我國臺灣省的附屬島嶼，從海底地形和地質構造看，它同臺灣諸島一樣屬于大陸型島嶼，與日本琉球群島的海洋型島嶼性質不一樣。中日甲午戰(zhàn)爭以前日本政府也承認釣魚島是中國的領土。甲午戰(zhàn)爭后釣魚島被日本占領。二戰(zhàn)結束后，日本將釣魚島交予美國托管。20世紀60年代，聯(lián)合國、美國等研究機構及日本先后對東海及釣魚島周圍海域進行了調查并確認該處石油蘊藏量140-150億噸。在日本政府的慫恿下，日本右翼勢力更是企圖強行霸占釣魚島，而且多次在釣魚島問題上挑起事端。因此，為了保護我國領海的安全，不僅要建立一支強大的海軍，還要對探測敵對的行動進行監(jiān)視和探測，多種地球物理探測方法能夠為潛艇隱蔽和導航提供精確的數(shù)據(jù)，在保衛(wèi)我國海洋安全方面發(fā)揮著重要的作用。