知識(shí)窗——海洋探測(cè)技術(shù)及應(yīng)用

20世紀(jì)末，科學(xué)家在海底發(fā)現(xiàn)了另一個(gè)大洋世界——“黑色大洋”，富含礦物質(zhì)的流體在其中流動(dòng)著，驅(qū)動(dòng)著礦物質(zhì)的傳遞和界面交換，形成各類大洋礦產(chǎn)，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(duì)地球形成與演化和地球生命起源的認(rèn)識(shí)領(lǐng)域。從此，人們不斷的加快了對(duì)海洋的探測(cè)，各種海洋探測(cè)技術(shù)相應(yīng)的產(chǎn)生。海洋物探技術(shù)的發(fā)展不僅具有顯著的科學(xué)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(shù)

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

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

水下定位主要測(cè)定水下探測(cè)系統(tǒng)相對(duì)水面母船的位置，如側(cè)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(jī)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(cè)試儀等等。測(cè)定水下探測(cè)系統(tǒng)相對(duì)水面母船的位置，結(jié)合水面船只的全球定位數(shù)據(jù)，就可以將水下探測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確位置歸算到大地坐標(biāo)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(zhǎng)基線定位系統(tǒng)以及超短基線和長(zhǎng)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(biāo)、主控系統(tǒng)和外部設(shè)備等組成，聲基陣置于船底或船舷，聲標(biāo)裝在水下探測(cè)系統(tǒng)上，測(cè)定聲標(biāo)與聲基陣不同水聽器之間的距離和聲脈沖到達(dá)的相位差來(lái)確定聲標(biāo)相對(duì)與聲基陣的位置。

根據(jù)船載部分與水下應(yīng)答器之間的交聯(lián)方式，系統(tǒng)有聲學(xué)應(yīng)答式、電信號(hào)觸發(fā)式和同步鐘等三種方式。系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)是可以進(jìn)行長(zhǎng)距離海底目標(biāo)連續(xù)跟蹤定位，操作簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)是定位精度較低，作用距離較短，作業(yè)水深較淺。長(zhǎng)基線定位系統(tǒng)通過(guò)測(cè)定母船和聲標(biāo)的距離，水下設(shè)備（安置聲標(biāo)）與聲標(biāo)、母船的距離，及水下設(shè)備與各聲標(biāo)的距離，最終確定水下設(shè)備相對(duì)母船的位置。系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是定位精度高，適于在小范圍內(nèi)（幾十平方公里）精確定出水下設(shè)備。水下GPS系統(tǒng)包括GPS智能浮標(biāo)（GIB）、控制站及水下應(yīng)答器。浮標(biāo)下掛水聽器，由四個(gè)浮標(biāo)組成基陣，通過(guò)水面天線與控制系統(tǒng)鏈接。應(yīng)答器置于水下運(yùn)載器上，應(yīng)答器內(nèi)裝有聲波發(fā)生器。浮標(biāo)在聲波發(fā)生器約500m范圍內(nèi)，就能精確探測(cè)到聲波信號(hào)。測(cè)定應(yīng)答器發(fā)射與水聽器收到聲脈沖信號(hào)之間的時(shí)間差，測(cè)出浮標(biāo)和水下目標(biāo)之間的相對(duì)位置，利用差分GPS精確測(cè)定浮標(biāo)的精確位置，從而得到水下目標(biāo)的精確定位。定位數(shù)據(jù)可在控制站與浮標(biāo)之間無(wú)線傳輸交換。

二、海底聲學(xué)探測(cè)技術(shù)

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(cè)主要還是依賴于聲學(xué)探測(cè)技術(shù)，海洋地震勘探及其數(shù)據(jù)處理是傳統(tǒng)性的海底聲學(xué)技術(shù)，也是研究海底構(gòu)造與海洋巖石圈深部結(jié)構(gòu)和尋找海底礦產(chǎn)的主力技術(shù)。多波束測(cè)探。側(cè)掃聲納測(cè)圖和淺層剖面測(cè)量則是近數(shù)十年快速發(fā)展起來(lái)探測(cè)海底淺層結(jié)構(gòu)信息的技術(shù)，這些技術(shù)已經(jīng)在當(dāng)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(cè)技術(shù)

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(lái)研究海底以下地質(zhì)構(gòu)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(yīng)用最廣、成效最高的地球物理技術(shù)。20世紀(jì)以來(lái)，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(shù)的多樣化、探測(cè)技術(shù)的多元化、數(shù)據(jù)吃力解釋技術(shù)的飛速發(fā)展。

20世紀(jì)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(wú)線電定位和衛(wèi)星定位在地震勘探中廣泛應(yīng)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(shí)，探測(cè)維數(shù)也從最初的二維發(fā)展到三維地震探測(cè)，甚至?xí)r宜探測(cè)，及四維探測(cè)。海洋地震探測(cè)技術(shù)從反射探測(cè)技術(shù)、折射探測(cè)技術(shù)發(fā)展到目前的多波束多分量地震探測(cè)技術(shù)。多波多分量地震探測(cè)與通常采用的單一縱波探測(cè)技術(shù)相比，所能提供的地震屬性（時(shí)間、速度、振幅、頻率、相位、偏振、波阻抗、吸收、復(fù)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(jì)算和對(duì)地殼結(jié)構(gòu)的成像；地震數(shù)據(jù)的解釋則趨向于可視化技術(shù)的應(yīng)用。

2.海底淺層聲探測(cè)技術(shù)

海底淺層聲探測(cè)有多波束測(cè)探、側(cè)掃聲納和淺層剖面探測(cè)等，工作原理基本相似，只是由于探測(cè)目標(biāo)的不同而有所區(qū)別。使用的聲波頻率和強(qiáng)度也存有差異。一般高頻用于探測(cè)中、淺海水深或側(cè)掃海底形態(tài)，低頻用于探測(cè)深海水深或淺層剖面結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)，以提高全海域的探測(cè)能力。

多波束測(cè)深系統(tǒng)是一種由多個(gè)傳感器組成的復(fù)雜系統(tǒng)。它不同與單波束測(cè)深系統(tǒng)，在測(cè)量斷面內(nèi)可形成十幾個(gè)至上百個(gè)測(cè)點(diǎn)的條幅式測(cè)深數(shù)據(jù)，幾百個(gè)甚至上千個(gè)反向散射度數(shù)據(jù)，能獲得較寬的海底掃幅和較高的測(cè)點(diǎn)密度，極大地改進(jìn)了海底數(shù)據(jù)采集的速度；由于測(cè)量波束較窄，并采用先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)和精密的聲線改正方法，系統(tǒng)可確保探測(cè)精度和波束腳印的坐標(biāo)歸位計(jì)算精度。因而，多波束測(cè)深系統(tǒng)具有全覆蓋。高精度、高密度和高效率的特點(diǎn)，在海底探測(cè)的實(shí)踐中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。多波束測(cè)深系統(tǒng)日益受到海底測(cè)量同行的認(rèn)可。多波束測(cè)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(cè)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(gè)左右。

側(cè)掃聲納技術(shù)應(yīng)用海底地物對(duì)入射聲波反向散射的原理來(lái)探測(cè)海底形態(tài)，側(cè)掃聲納技術(shù)能直觀地提供海底形態(tài)的聲成像，在海底測(cè)繪，海底地質(zhì)勘測(cè)，海底工程施工，海底障礙物和沉積物的探測(cè)以及海底礦產(chǎn)勘測(cè)等方面得到廣泛的應(yīng)用。根據(jù)聲學(xué)探頭安裝位置的不同，側(cè)掃聲納可以分為船載和拖體2類。船載型聲學(xué)換能器安裝在船體的兩側(cè)，該類側(cè)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(nèi)的側(cè)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(cè)掃系統(tǒng)的拖體在水下100m左右拖曳，能夠提供測(cè)試圖像和測(cè)深數(shù)據(jù)，航速較快（8Kn）。多數(shù)拖體式側(cè)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(cè)掃聲納圖像質(zhì)量較高，側(cè)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(cè)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(cè)掃圖像。

淺地層剖面測(cè)量系統(tǒng)是探測(cè)海底淺層結(jié)構(gòu)、海底沉積特征和海底表層礦產(chǎn)分布的重要手段，它具有與多波束測(cè)深和側(cè)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(chǎn)生聲波的電脈沖能量較大，發(fā)射聲波具有較強(qiáng)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(cè)量與單道地震探測(cè)也很類似，但分辨率要高的多，有的 系統(tǒng)在中、淺水探測(cè)的分辨率甚至可以達(dá)到十余厘米。20世紀(jì)40年底推出最原始的海底剖面儀，上世紀(jì)60-70年代出現(xiàn)商品設(shè)備，由于當(dāng)時(shí)技術(shù)基礎(chǔ)的限制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜信號(hào)的處理、地層的 高分辨探測(cè)和自動(dòng)成圖，地層探測(cè)結(jié)果只能繪在熱記錄紙帶上，不能長(zhǎng)期保存。海底探測(cè)要求淺層剖面測(cè)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(jì)，海南的石油資源量可達(dá)400億噸，全部或者部分在我國(guó)斷續(xù)國(guó)界線內(nèi)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(cè)至關(guān)重要。地球物理探測(cè)手段是油氣勘探中最為重要的手段，也是目前我們應(yīng)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(lái)定位礦藏、確定考古位置、獲得工程地質(zhì)信息。海上作業(yè)都通過(guò)一條船拖著幾千米的拖纜，拖纜可以從船尾放入海中，通過(guò)氣槍或者電火花震源激發(fā)，利用水聽器接收來(lái)自地下的信息，從而指導(dǎo)油氣勘探。

另外，由于能源的短缺，海洋能源成為各國(guó)爭(zhēng)奪的焦點(diǎn)，因而銀器了很多領(lǐng)土爭(zhēng)端問(wèn)題，例如釣魚島位于東海大陸架的東部邊緣，距臺(tái)灣島120Km,東西距日本沖繩和中國(guó)大陸200海里。釣魚島歷來(lái)就是中國(guó)的領(lǐng)土，明代就被列為中國(guó)的防衛(wèi)范圍。釣魚島是我國(guó)臺(tái)灣省的附屬島嶼，從海底地形和地質(zhì)構(gòu)造看，它同臺(tái)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(zhì)不一樣。中日甲午戰(zhàn)爭(zhēng)以前日本政府也承認(rèn)釣魚島是中國(guó)的領(lǐng)土。甲午戰(zhàn)爭(zhēng)后釣魚島被日本占領(lǐng)。二戰(zhàn)結(jié)束后，日本將釣魚島交予美國(guó)托管。20世紀(jì)60年代，聯(lián)合國(guó)、美國(guó)等研究機(jī)構(gòu)及日本先后對(duì)東海及釣魚島周圍海域進(jìn)行了調(diào)查并確認(rèn)該處石油蘊(yùn)藏量140-150億噸。在日本政府的慫恿下，日本右翼勢(shì)力更是企圖強(qiáng)行霸占釣魚島，而且多次在釣魚島問(wèn)題上挑起事端。因此，為了保護(hù)我國(guó)領(lǐng)海的安全，不僅要建立一支強(qiáng)大的海軍，還要對(duì)探測(cè)敵對(duì)的行動(dòng)進(jìn)行監(jiān)視和探測(cè)，多種地球物理探測(cè)方法能夠?yàn)闈撏щ[蔽和導(dǎo)航提供精確的數(shù)據(jù)，在保衛(wèi)我國(guó)海洋安全方面發(fā)揮著重要的作用。