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聲納立體探測(cè)：識(shí)得海底真面目
2011-04-12
海洋是一個(gè)巨大的寶庫(kù)，我國(guó)海洋油氣資源豐富，是重要的能源后備基地。我國(guó)已發(fā)現(xiàn)的海上大型油氣盆地幾乎都位于與周邊國(guó)家存在爭(zhēng)議的邊界附近;在我國(guó)傳統(tǒng)海域內(nèi)，每年外國(guó)掠走的石油達(dá)一千萬噸，天然氣達(dá)一百七十億立方米。維護(hù)海洋權(quán)益，必須有高技術(shù)支撐。海洋高技術(shù)開發(fā)已迫在眉睫!
為此，開發(fā)出一批技術(shù)含量高、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的海洋資源開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)，建立一批海洋高技術(shù)應(yīng)用示范基地，造就一支高水平的科技隊(duì)伍，初步形成我國(guó)海洋油氣勘探開發(fā)高技術(shù)創(chuàng)新體系，縮短我國(guó)海洋資源勘探開發(fā)技術(shù)與世界先進(jìn)水平的差距成了海洋資源開發(fā)技術(shù)主題的全體成員的努力目標(biāo)。
海洋覆蓋了地球表面的72%，平均深度為幾千米，被稱為地球資源的聚寶盆。可是由于觀測(cè)條件和技術(shù)的限制，海洋深處仍是“猶抱琵琶半遮面”，并未清晰地展現(xiàn)在人類的眼前。
“由國(guó)家863計(jì)劃‘資源與環(huán)境技術(shù)領(lǐng)域海洋資源開發(fā)技術(shù)主題’支持研制的高分辨率測(cè)深側(cè)掃聲納系統(tǒng)，是一種新型的測(cè)量海洋深度的聲學(xué)設(shè)備，能夠同時(shí)獲得高分辨率的海底地形和地貌。”11月4日，中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所朱維慶研究員在接受記者采訪時(shí)，介紹并透露了高分辨率測(cè)深側(cè)掃聲納系統(tǒng)(HRBSSS)的最新研究進(jìn)展。
“今年我們主要是進(jìn)行拖曳系統(tǒng)的研制，并進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)、湖試和海試，目前課題正按計(jì)劃進(jìn)行。”朱維慶說：“同時(shí)，該系統(tǒng)采用了新的合作機(jī)制，由中科院聲學(xué)研究所和美國(guó)亞迪技術(shù)開發(fā)(上海)有限公司兩家單位聯(lián)合研制，中船重工集團(tuán)船舶科學(xué)研究中心是協(xié)作單位。聲納的推廣和產(chǎn)業(yè)化工作也在進(jìn)一步推進(jìn)。”
運(yùn)行穩(wěn)定：湖試初顯成果
為了讓記者更直觀地了解工作機(jī)理，在海洋聲學(xué)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室里，課題負(fù)責(zé)人劉曉東博士演示了去年年底在浙江千島湖的湖試結(jié)果。
記者在電腦上看到，當(dāng)母船行駛到一處時(shí)，屏幕右側(cè)就會(huì)隨時(shí)呈現(xiàn)出顏色深淺不一的陰影和年輪般的等深線圖，這就是深水底相應(yīng)的地形地貌。
“以前利用傳統(tǒng)技術(shù)了解海底世界，需要經(jīng)驗(yàn)豐富的專家通過水底反射的數(shù)據(jù)，綜合分析才能得出結(jié)論。而現(xiàn)在，略有常識(shí)的技術(shù)人員就能依此判斷水底的溝壑、峭壁、巨石……”
劉曉東興奮地說：“我們還可以把多條測(cè)線探測(cè)的結(jié)果進(jìn)行拼圖，這樣就能獲得一定區(qū)域完整的地形圖和地貌圖。”
據(jù)了解，在去年年底的這次聲納系統(tǒng)試驗(yàn)中，整個(gè)系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，聲納系統(tǒng)與系統(tǒng)聯(lián)合工作，實(shí)時(shí)獲取深度數(shù)據(jù)和地貌數(shù)據(jù)，并經(jīng)過處理軟件后得到三維等深線圖和地貌圖，具備在復(fù)雜湖底進(jìn)行工作的能力。
測(cè)深側(cè)掃：平面立體結(jié)合
“地形和地貌就好比兩種照片。”劉曉東打了個(gè)比喻，地形就像一張立體照片，它能夠反映海底深度，表現(xiàn)為等深線圖;地貌則是張平面照片，可以理解為獲得海底反向散射信號(hào)的聲像，又被稱為地貌圖。
“我們研制系統(tǒng)的特點(diǎn)是能把兩方面信息同時(shí)獲得，而傳統(tǒng)聲納多是分開獲取的。即使有一種多波束測(cè)深聲納系統(tǒng)(MBSS)雖然可以同時(shí)產(chǎn)生等深線圖和反向散射的聲像，但它的分辨率較低，并且如果把它裝在水下載體(水下機(jī)器人，水下遙控潛水器和拖體)上，則工作頻率越低，載體橫截面的直徑就越大，整個(gè)載體也就越大。”
劉曉東告訴記者，如果海深為4000米時(shí)，則需用約7000米的拖曳電纜拖在中繼器上，再經(jīng)由50米左右的中性拖纜拖著水下載體前進(jìn)。拖體上裝有聲信標(biāo)，母船上的遠(yuǎn)程超短基線定位聲納測(cè)出拖曳體的位置。拖體上的高精度壓力傳感器、姿態(tài)傳感器分別測(cè)出拖曳體離海面的距離和工作運(yùn)行的姿態(tài)。
高分辨率測(cè)深側(cè)掃聲納就裝在水下載體上，左右兩側(cè)各有一個(gè)由多個(gè)平行線陣構(gòu)成的聲納陣，聲納陣向側(cè)向發(fā)射聲波后，海底的回波依時(shí)間的先后為聲納陣接收，再經(jīng)電子分機(jī)處理，獲得數(shù)千個(gè)測(cè)深點(diǎn)。
高分辨率：不再霧里看花
雖然人類早已用聲納技術(shù)探測(cè)海洋，但是人們并不能清晰地描繪海底的地形地貌，要害是分辨率不高!
常規(guī)測(cè)深側(cè)掃聲納(BSSS)的分辨率優(yōu)于傳統(tǒng)的多波束測(cè)深聲納系統(tǒng)，它有兩個(gè)或兩個(gè)以上平行于載體長(zhǎng)軸的線陣，所以作用距離遠(yuǎn)，可以在低頻環(huán)境中工作，同時(shí)，還有分辨率高、聲納陣小、能耗小，更適宜于裝在水下載體上等優(yōu)點(diǎn)。
但是，常規(guī)測(cè)深側(cè)掃聲納存在兩個(gè)主要問題：一是正下方的測(cè)深精度相當(dāng)差，二是不能測(cè)量從不同方向同時(shí)到達(dá)的回波，使得聲納不能在多途信號(hào)嚴(yán)重或者地形復(fù)雜的情況下使用。
從常規(guī)測(cè)深側(cè)掃聲納(BSSS)發(fā)展而來的高分辨率測(cè)深側(cè)掃聲納(HRBSSS)，則很好地克服了上述兩個(gè)問題。“我們建立了一套針對(duì)于高分辨率測(cè)深側(cè)掃聲納的信號(hào)處理方法，稱之為多子陣海底自動(dòng)檢測(cè)———子空間擬合法。使聲納能夠有效區(qū)分不同方向同時(shí)到達(dá)的回波，區(qū)分海底回波和其他多途信號(hào)，還能自動(dòng)檢測(cè)和跟蹤海底，使聲納能在存在多途信號(hào)和地形復(fù)雜的水域工作，明顯提高了聲納的分辨率，增大了作用距離，增強(qiáng)了適用性，擴(kuò)大了使用范圍。”劉曉東說。
應(yīng)用前景：加速資源開發(fā)
海洋控制著全球的氣候和天氣，操縱了全球的熱傳遞和水循環(huán)，海底的沉積物保存了生物進(jìn)化、大陸位置變化和過去的全球氣候變化的記錄，是認(rèn)識(shí)地球的“百科全書”，最引人注目的是海底豐富的礦藏資源。
人類對(duì)海洋的探索一刻也沒有停止過，世界各國(guó)利用二十世紀(jì)末的海洋高技術(shù)對(duì)海洋進(jìn)行了資源勘探，已陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了深海豐富的資源品種及其陸地上無法相比的儲(chǔ)量，例如多金屬結(jié)核、富鈷結(jié)殼、熱液硫化物、天然氣水合物和深海生物基因等。我國(guó)已向聯(lián)合國(guó)申請(qǐng)并獲得了7.5萬平方公里多金屬結(jié)核區(qū)的開采權(quán)。國(guó)際海底管理局正在制定勘探開發(fā)富鈷結(jié)殼與熱液硫化物的規(guī)章制度，因此世界各國(guó)都在加緊研發(fā)高技術(shù)的裝備，一等有關(guān)公約出臺(tái)，以期捷足先登。
這些高技術(shù)裝備用處的一部分就是對(duì)礦區(qū)特定海底場(chǎng)所(包括在黑煙冒出的熱液處)詳細(xì)測(cè)繪以及對(duì)富鈷結(jié)殼礦區(qū)小范圍的地形觀察。此外，國(guó)內(nèi)外海洋石油界的研究表明，由于對(duì)海底測(cè)量的精度不夠，海底油管敷設(shè)不當(dāng)，造成石油泄漏的影響遠(yuǎn)超過失事油輪產(chǎn)生的污染。所有這些都需要獲得高分辨率的地形地貌。
朱維慶說，該聲納系統(tǒng)的出現(xiàn)，正好滿足了海洋工程、海洋礦產(chǎn)資源開發(fā)和油田區(qū)域地形測(cè)量的需要，同時(shí)還可以應(yīng)用于航道和港灣地形的測(cè)量、海底地形匹配導(dǎo)航系統(tǒng)等領(lǐng)域，而且它最適宜用于拖曳體、水下機(jī)器人、遙控潛水器、載人潛水器和船上。
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