海洋探測技術
2013-08-28 15:16:13 來源: 測繪論壇
人類用科學方法進行海洋科學考察已有100余年的歷史，而大規模、系統地對世界海洋進行考察則僅有30年左右。現代海洋探測著重于海洋資源的應用和開發，探測食油資源的儲量、分布和利用前景，監測海洋環境的變化過程及其規律。在海洋探測技術中，包括在海洋表面進行調查的科學考察船、自動浮標站，在水下進行探測的各種潛水器，以及在空中進行監測的飛機、衛星等。
科學考察船
建造專用科學調查船始于1872年的英國“挑戰者”號。該船長226英尺，排水量2300ｔ，使用風力和蒸汽作為動力。從1872年起，歷經4年時間環繞航行，觀測資料包括洋流、水溫、天氣、海水成分，發現了4700多種海洋生物，并首次從太平洋上撈取了錳結核。
1888~1920年，美國的“信天翁”號探測船測東太平洋。1927年德國的“流星”號探測船首次使用電子探測儀測量海洋深度，校正了“挑戰者”號繪制的不夠準確的海底地形圖。
據統計，70年代初全世界總共有科學考察船800多艘，10年后增加到1600艘，其中美國300多艘原蘇聯200多艘，日本180多艘。
日本海洋科學技術中心最近宣布，它們研制的無人駕駛深海巡航探測器"浦島"號，在３０００米深的海洋中行駛了３５１８米，創造了世界記錄。"浦島"號全長９.７米、寬１.３米、高１.５米、重７.５噸，水中行駛速度為４節，巡航速度為３節，最大潛水深度是３５００米，是這家海洋研究機構的主要設備之一。"浦島"號上安裝著高精度的導航裝置及觀測儀器，使用鋰電池作動力。這艘無人駕駛的深海探測器，使用無線通信手段向海面停泊的母船"橫須賀"號上傳送了用水中攝像機拍攝的深海彩色圖像。日本海洋科學技術中心認為，這一裝置在世界上居領先地位。以這次航行試驗成功為基礎，海洋科學技術中心還計劃開發性能更高的無人駕駛深海探測器，并且使用燃料電池作動力源。
海洋科學調查船擔負著調查海洋、研究海洋的責任，是利用和開發海洋資源的先鋒。它調查的主要內容有海面與高空氣象、海洋水深與地貌、地球磁場、海流與潮汐、海水物理性質與海底礦物資源（石油、天然氣、礦藏等）、海水的化學成分、生物資源（水產品等）、海底地震等。其中極地考察和大洋調查等活動，為世界各國科學家所矚目。大型海洋調查船可對全球海洋進行綜合調查，它的穩性和適航性能好，能夠經受住大風大浪的襲擊。船上的機電設備、導航設備、通訊系統等十分先進，燃料及各種生活用品的裝載量大，能夠長時間堅持在海上進行調查研究。同時，這類船還具有優良的操縱性能和定位性能，以適應各種海洋調查作業的需要。
海洋衛星
衛星技術在海洋開發中的應用十分廣泛。海洋衛星在幾百千米高空能對海洋里許多現象進行觀測。這是因為它有一些特殊的本領。比如測量海水的溫度，用的就是遙感技術。當太陽發出的電磁波到達海面時，能量的分布是不均勻的。利用遙感技術就可以幫助我們測量海面的溫度及其特征。數據經電腦分析后，就可得到海面溫度的情況，最后打印成一張海面溫度分布圖。由于幾乎是同步觀測后得到的數據，所以觀測結果很真實。
如果讓海洋衛星來測量海浪的高度，就要用主動遙感技術。它就好像照相機使用閃光燈一樣。雷達成像系統就是一種主動微波遙感，它可以用來測量海浪的高度。它是利用海面"粗糙度"不同的原理來進行的。光波射到海面，如果海面沒有浪，就會呈現海平如鏡的狀態，即為光滑面。這時，從衛星上發出的雷達波就會產生鏡反射，雷達接收不到回波。如果海面有波浪，就會變得"粗糙"，波浪越大，海面越"粗糙"，這時，雷達波就會向各個方向散射，產生漫反射，于是，雷達就會收到一部分回波。因此，波平如鏡的海面，在雷達正片上就顯得比較亮。根據回波信號的強弱以及雷達波的角度，通過電腦就可以算出海面的粗糙度，從而得知海浪的高度。
目前，海洋地質調查和技術手段主要有：利用人造衛星導航和全球定位系統（GPS），以及無線電導航系統來確定調查船或觀測點在海上的位置；利用回聲測深儀，多波束回聲測深儀及旁測聲納測量水深和探測海底地形地貌；用拖網、抓斗、箱式采樣器、自返式抓斗、柱狀采樣器和鉆探等手段采取海底沉積物、巖石和錳結核等樣品；用淺地層剖面儀測海底未固結淺地層的分布、厚度和結構特征。用地震、重力、磁力及地熱等地球物理辦法，探測海底各種地球物理場特征、地質構造和礦產資源，有的還利用放射性探測技術探查海底砂礦。
潛水器
在人類征服海洋深處的征程中，潛艇立下了汗馬功勞。然而，即使是核潛艇，一般也只能在３００～４００米的海洋深處活動，面對占地表７７％以上面積的深于３０００米的海洋，人類創造了潛水器征服了深海。
1953年，法國人奧古斯特·皮卡德設計建成“的里雅斯特”號自航式沸水器，1960年1月23日由奧古斯特·皮卡德的兒子雅克·皮卡德以及另一名潛水員美國海軍上尉唐納唐·維爾什共同乘坐，闖蕩萬米深淵——馬里亞納海溝。創下了10916米的世界紀錄。深潛器到達萬米深的馬利亞納海溝，說明海洋已經不再是人類的禁地。如果說７０年代以前人們熱衷于深潛器去深海底探險，追求下潛的深度探險，追求下潛的深度，那么，７０年代以后，人們便熱衷于把深潛器作科學研究和為海洋開發服務，因而，深潛器的商業和科學應用掀起了一個高潮。
1953年，法國人奧古斯特·皮卡德設計建成“的里雅斯特”號自航式沸水器，1960年1月23日由奧古斯特·皮卡德的兒子雅克·皮卡德以及另一名潛水員美國海軍上尉唐納唐·維爾什共同乘坐，闖蕩萬米深淵——馬里亞納海溝。創下了10916米的世界紀錄。深潛器到達萬米深的馬利亞納海溝，說明海洋已經不再是人類的禁地。如果說７０年代以前人們熱衷于深潛器去深海底探險，追求下潛的深度探險，追求下潛的深度，那么，７０年代以后，人們便熱衷于把深潛器作科學研究和為海洋開發服務，因而，深潛器的商業和科學應用掀起了一個高潮。
潛水器既是深海探測的工具，又是進行水下工程的重要設備。潛水器可分為載人潛水器和無人潛水器。
深潛器的最大生產廠家是美國的佩里公司，到１９８３年，它總共建造了２４艘載人深潛器。法國的科邁克斯公司規模也不小，共造了２１艘。這共深潛器主要用于海洋考察、探索、打撈、水下作業和救生，作業深度為２００～３００米。１９８８年，法國研制成可下潛６０００米的深潛器，可載３人，能直接考察世界９７％的洋底，可進行攝影、錄像，還有兩只分別為７個和５個自由度的機械手，用來采集海底樣品。
１９８９年，日本建造了可達水深６５００米的深潛器“深海６５００號”，創造了載人深潛器水下６５２７米作業的世界紀錄。美國加利福尼亞的一家公司，已研制出“深海飛翔”載人深潛器。它突破傳統，采用流體動力，下潛航行時像在水下飛行，并且用新型陶瓷材料建造。人們將用此種方法建造能潛至海洋最深處的新型深潛器。
近幾年來，除了鋼材外，人們又采用可塑聚甲基丙烯酸酯制造深潛器的耐壓殼和玻璃窗。如科邁克公司和深海工程公司制造的載人深潛器，都有圓形的丙烯酸耐壓殼，耐壓水深為６００0～１０００0米。另外，計算機技術的應用對深潛器起到控制和監測的功能，有效地減輕了駕駛員的工作負荷，簡化了人工操給的標準。
１９８９年，日本建造了可達水深６５００米的深潛器“深海６５００號”，創造了載人深潛器水下６５２７米作業的世界紀錄。美國加利福尼亞的一家公司，已研制出“深海飛翔”載人深潛器。它突破傳統，采用流體動力，下潛航行時像在水下飛行，并且用新型陶瓷材料建造。人們將用此種方法建造能潛至海洋最深處的新型深潛器。
近幾年來，除了鋼材外，人們又采用可塑聚甲基丙烯酸酯制造深潛器的耐壓殼和玻璃窗。如科邁克公司和深海工程公司制造的載人深潛器，都有圓形的丙烯酸耐壓殼，耐壓水深為６００0～１０００0米。另外，計算機技術的應用對深潛器起到控制和監測的功能，有效地減輕了駕駛員的工作負荷，簡化了人工操給的標準。
人在地面上呼吸過程是在一個大氣壓力（１０１.３２５千帕）的條件下進行的。人在水下潛水時，情況就不一樣了，他呼吸的是大于１個大氣壓的高壓空氣，且水深度越大，所呼吸的空氣壓力也越高。此時，除了氧以外，氮氣等其他氣體也會進入血液。當潛水員上浮時，水壓減小，他所呼吸的空氣壓力也相應減小，血液里的氧氣、氮氣等就開始離開血液。如果他上升得過快，氣體突然釋放，就會形成小氣泡，像打開汽水瓶蓋的情況一樣。此時，較大的氣泡會威脅心臟瓣膜的活動，較小的氣泡則會阻塞心腦血管，使潛水員出現意外。為了防止意外，潛水員只能緩緩上升，每上升一段就停一停，以便讓氮氣從他們的身體組織流往血液，再從血液流入肺里，最后從肺細胞壁逸出體外。這樣，上升雖然是緩緩的，但卻是保險的，氮氣完全被清除了，血秘里不會再有致命的氣泡出現。
或許你會問：既然潛水員很快地從海洋深和回升到水面將會帶來生命危險，那么，要是潛水裝置出了故障，或者遇到某種緊急情況，必須立即返回水面時，他不是只有死路一條了嗎？是的，這的確是不可回避的問題。為此，人們設計了可以調節壓力大小的減壓艙。當潛水員在水下遇到危急情況時，可以讓他立即返回，但必須馬上進入減壓艙。只有這樣，才能把他從死神手里挽救出來。減壓艙是一個密封的容器。當潛水員從海洋深處迅速返回并進入減壓艙后，必須把壓力調節到與他剛才所呆的深處的壓力相同，就好像他沒有上升，仍舊呆在海洋深處一樣。然后，再逐步地減壓，使他像在海洋里緩緩上升，一步一步地停留，壓力一點點地減小的情況一樣。
或許你會問：既然潛水員很快地從海洋深和回升到水面將會帶來生命危險，那么，要是潛水裝置出了故障，或者遇到某種緊急情況，必須立即返回水面時，他不是只有死路一條了嗎？是的，這的確是不可回避的問題。為此，人們設計了可以調節壓力大小的減壓艙。當潛水員在水下遇到危急情況時，可以讓他立即返回，但必須馬上進入減壓艙。只有這樣，才能把他從死神手里挽救出來。減壓艙是一個密封的容器。當潛水員從海洋深處迅速返回并進入減壓艙后，必須把壓力調節到與他剛才所呆的深處的壓力相同，就好像他沒有上升，仍舊呆在海洋深處一樣。然后，再逐步地減壓，使他像在海洋里緩緩上升，一步一步地停留，壓力一點點地減小的情況一樣。
ＲＯＶ是一種無人駕駛的深潛器，它最初是由美國海軍在２０世紀６０～７０年代開發的，它不需要人操縱，通過“臍帶”——繩纜由海面進行操縱、供應電力和通信。它比載人深潛器要安全得多，便宜得多。
首先使用ＲＯＶ的是海洋氣產業。８０年代以后，ＲＯＶ發展十分迅速，１９９４年就建造了２０多套。１９９５年以來，人們又熱衷于用電力遙控的小型ＲＯＶ推進裝置，有電動的也有液壓的，或兩者結合。現在，ＲＯＶ已成為海洋石油開采的可靠工具。
為了提高聯系母船與深潛器之間的那根“臍帶”的強度，近來人們又使用了高強度的光纖系統，可用于６０００米的ＲＯＶ的動力和通信設備，這類深潛器叫做高級系統深潛器ＡＴＶ。如日本人研制的“海溝”號。
還有一種不需要“臍帶”的自治式無人遙控深潛器。雖然它甩掉了那根令人煩惱的“臍帶”，根據指令或預先編好的程序進行作業，活動自如。但由于成本較高，技術要求也較高，所以發展速度不快。
自８０年代以來，我國也開始了深潛器的研制，第一艘載人深潛器最大下潛深度達６００米。第一臺無人遙控深潛器于１９８５年底研制成功，潛深２００米。１９８９年，我國與加拿大合作研制的ＲＯＶ投入水下作業，它由電腦控制，能在水下完成自動定位和定航向，裝有５個功能機械手和水下攝影機，最大前進時度達２.５千米以上，最大水深２００米。我國還與加拿大合作研制成作業深度為３００米的ＲＯＶ。
上海交通大學和水下工程研究所研制的“６０００米海底施曳觀察系統”，１９９８年赴太平洋進行深海多金屬結核勘察工作，立下了赫赫戰功。它們也是ＲＯＶ的一員！
首先使用ＲＯＶ的是海洋氣產業。８０年代以后，ＲＯＶ發展十分迅速，１９９４年就建造了２０多套。１９９５年以來，人們又熱衷于用電力遙控的小型ＲＯＶ推進裝置，有電動的也有液壓的，或兩者結合。現在，ＲＯＶ已成為海洋石油開采的可靠工具。
為了提高聯系母船與深潛器之間的那根“臍帶”的強度，近來人們又使用了高強度的光纖系統，可用于６０００米的ＲＯＶ的動力和通信設備，這類深潛器叫做高級系統深潛器ＡＴＶ。如日本人研制的“海溝”號。
還有一種不需要“臍帶”的自治式無人遙控深潛器。雖然它甩掉了那根令人煩惱的“臍帶”，根據指令或預先編好的程序進行作業，活動自如。但由于成本較高，技術要求也較高，所以發展速度不快。
自８０年代以來，我國也開始了深潛器的研制，第一艘載人深潛器最大下潛深度達６００米。第一臺無人遙控深潛器于１９８５年底研制成功，潛深２００米。１９８９年，我國與加拿大合作研制的ＲＯＶ投入水下作業，它由電腦控制，能在水下完成自動定位和定航向，裝有５個功能機械手和水下攝影機，最大前進時度達２.５千米以上，最大水深２００米。我國還與加拿大合作研制成作業深度為３００米的ＲＯＶ。
上海交通大學和水下工程研究所研制的“６０００米海底施曳觀察系統”，１９９８年赴太平洋進行深海多金屬結核勘察工作，立下了赫赫戰功。它們也是ＲＯＶ的一員！
我國海洋探測技術
我國海域遼闊，是發展中的海洋大國。我國海域面積約300萬平方公里，有著豐富的海洋資源，為實現從海洋大國跨入海洋強國的目標，“863”計劃在海洋技術領域分別設置了海洋監測技術、海洋生物技術和海洋探查與資源開發技術3個主題，以期為我國的海洋開發、海洋利用和海洋保護提供先進的技術和手段。以具有90年代海洋勘測國際先進水平的“海域于形地貌與地質構造探測系統”的開發和研制為代表的多項選進的海洋控查與資源開發技術，為我國海洋資源的開發、利用、保護，維護海洋權益，捍衛國家主權提供了高精度的科學依據。
在“863”計劃的推動下，我國在合成孔徑成像聲納、高精度CTD部面儀和定標檢測設備的研制和定標檢測設備的研制和近海環境自動監測技術方面等重大技術上取得突破性進展，并已進入世界先進水平行列。通過建立海洋環境立體監測系統技術及示范系統促進了上海等城市區域性社會經濟的發展，并為建立我國整個管轄海域的海洋環境立體監測和信息服務系統奠定堅實的技術基礎。在僅僅4年多的時間里，我國沿海周邊地區已經在全球海洋觀測系統框架下，初步建立起了從航天、航空、海監船體監測體系，從整體上提高我國海洋環境觀測監測和預測預報能力。國家“863”計劃及時增加并大力發展海洋領域的高技術，為我國走可持續發展道路起到了積極的示范作用。
國家“863”計劃“海域地形地貌與地質構造探測技術”專題科研人員歷時4年，日前完成了海底地形地貌的全覆蓋高精度探測技術，海洋深部地殼結要的探測技術，海洋深部地殼結構的探測技術等5大課題。課題在實施過程中共獲9項創新技術，6項創新技術產品，為更加深入地了解我國海域地形地貌與地質構造，高精度地再現我國300萬平方公里海域的地形地貌與地質構造提供了強有力的技術支撐。
“海洋地形地貌與地質構造探測技術”以多波束系統全覆蓋高精度探測技術、深拖系統側掃和視像技術、雙船地震地殼探測技術的突破為重點，形成海底地形地貌控測技術、側掃視像技術、高精度導航定位技術、高分辨率地震探測技術、雙船折射/廣角反射地震技術、三維地震層析成像技術、海洋動態大地測量基準技術以及圖形技術、模式識別技術、自動成圖技術、人工智能解釋技術等的集成系列，帶動海洋地學調查技術和研究水平整體上一個新臺階，達到90年代國際先進水平。
通過典型海域的技術試驗，形成一整套最優化的探測技術集成、成圖顯示技術集成和智能解釋技術集成的方法系列，為區域海洋地質調查，為我國大陸架和專屬經濟區的專項調查提供高新技術支撐；為海區劃界、維護海洋權益和資源評價提供重要科學合肥市據。并先后研制開發了海域地形地貌全覆蓋高精度探測技術系統，結束了我國無中、大比例尺海底地質調查能力的歷史。開發完成了多波束測深系統、深拖側掃視像系統和差分GPS導航定位系統，并配套完善了多波束測深系統的后處理系統，已具備作用距離800公里，實時動態定位精度優于10米，可完成1：10萬～1：100萬任意比例尺的高精度海底地形地貌圖和三維立體圖的技術能力。
目前，該項技術成果已成功應用到“我國專屬經濟區和大陸架勘測”和“太平洋多金屬結核和富結核殼礦區勘查”等方面，產生了明顯的社會和經濟效益，僅多波束現場數據質量監探技術的推廣，就節約成本約1000萬元，提高工作時效30%～50%。
從大陸架到深海大洋，廣闊的海底是石油、天然氣、氣體水合物、鐵錳結核等礦物資源的賦存場所，又是海底擴張、板塊構造、古海洋學和全球構造等學說的發源地。因此，調查研究海底具有經濟價值和科學意義。我們必須努力去探索海底奧秘，使其造福于人類。探索海底的主要手段是海洋地質調查，即利用地質、地球物理和地球化學等多種綜合手段探測和查明海底地形、地質構造、沉積物、巖石和礦產資源分布狀況。海洋地質調查與陸地地質調查不同的是，它必須借助海洋地質調查船來進行工作。
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