深海探测技术的分类及国产化.docx

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1、深海探测技术的分类及国产化在今年的全国两会上，深海科技作为新兴产业的重要组成部分,首次被写入政府工作报告，成为各方关注的焦点。这一战略性产业不仅是我国迈向海洋强国的关键支撑，更是推动海洋经济高质量发展、培育新质生产力的重要抓手。随着政策支持的不断加码和技术突破的持续推进，深海科技正从科研探索加速迈向产业化、商业化，开启一个全新的海洋经济时代。深海科技包括深海探测、深海资源开发、装备制造及深海生态保护等几大方向，今天就来谈谈深海探测的话题,供大家参考。一、深海探测的意义从科学角度看，探索深海能够帮助人类深入了解海洋的奥秘、地球的奥秘。水深超过2000米的深海，占据地球表面的3/5,无论温室气体排

2、放的归宿，还是气候长期变化的源头，都要追溯到海水深层。不仅如此，海底是距离地球内部最近的地方：大陆地壳平均35公里厚，大洋地壳则为7公里。揭示板块运动的规律、窥探地球内部的真相，也要到深海底部进行探索。从经济角度看,深海蕴藏着丰富的矿产、油气和生物资源。目前，海洋石油产量占世界石油产量的30%,高居世界海洋经济首位，其中发展最快的是深水油田。近年来全球重大油气发现，70%来自水深超过1000米的水域。海底有待开发的资源非常丰富，现在还只是起步阶段。比如海底的微生物新陈代谢极其缓慢，生殖周期在千年以上,但人类尚不知如何利用其“长寿基因”；太平洋一片深海黏土所含的稀土元素可供人类使用几十年，但开采

3、利用技术尚待研发。石油和天然气分布在浅海陆架天然气水合物一般分布深度为2000至3000米,在大陆架的沉积物中、热液硫化物Q富含金属元素，其中铜、锌、铅,根,金等金属F潜在资源量巨大一般分布深度为3000至4000米，在洋中脊、岛弧火山、弧后盆地和板块内部热点等环境含有镒、铁,银、钻、铜等几十种元素分布于3500至6000米深海盆的海山或者边缘海深潜、深钻、深网是当今探索深海奥秘的三大手段，即深潜科学考察、国际大洋钻探和国家海底科学观测网建设。深潜是直观的深海探索，但在空间和时间上都存在局限性。深潜最深只能到海底，从海底往下得靠钻探，这就是深钻；深潜的运行时间只能以小时计，想要长期连续观测就得

4、将传感器放到海底，联网观测，这就是深网。深潜、深钻和深网，共同担起深海探索的技术重任。二、探索深海有哪些手段L深海载人潜水器20世纪晚期，人类在克服地心引力进入太空的同时，也顶住水柱压力进入深水海底。经过潜水钟、潜水球的试探，I960年，”的里亚斯特”号深潜器下潜到太平洋马里亚纳海沟水深10916米的海底,将两个人首次送入地球表面的最深处。经过几十年的探索，现在的深潜器已经发展为作业型，配有动力系统和各种取样设施，成为深海探索的尖兵，其突出贡献是1979年在东太平洋发现黑烟囱热液系统。上世纪80年代，美国、法国、苏联、日本分别建造了载人深潜器，最深可以潜入6500米。我国深海科技起步较晚但发展

5、迅速,2012年，“蛟龙”号载人深潜器下潜至7062米，创世界同类作业型潜水器最大下潜深度纪录；2017年，4500米型的“深海勇士”号载人深潜器正式投入使用，国产自主率超过95%；2020年11月10日，我国自主研发的“奋斗者”号载人潜水器，在马里亚纳海沟的“挑战者深渊”成功坐底，创下了10909米的深度纪录。2 .无人遥控潜水器世界上载人深潜器为数稀少，无人遥控潜水器则已广泛使用。由于有脐带缆和母船连接，遥控潜水器有充足的能源保障，不仅可用于长时间的科研考察，更是当前水下工程作业的主力。我国70年代末开始研制非载人深潜器，进展迅速，“海马”号4500米级遥控潜水器、“潜龙”号无人无缆自主潜

6、水器、“海龙”号无人有缆潜水器等，正在壮大着我国深潜器的阵营。3 .水下机器人水下机器人是工作于水下的极限作业机器人，能潜入水中代替人完成某些操作，又称潜水器。它们能够携带各种科学仪器、采样设备和相机，以便观察、记录和采集深海生物和海底环境数据，通常由电池、电机、计算机、传感器、相机和机械臂等组成。水下机器人是一种具有智能功能的水下潜器，一般可分为四类：即拖曳式水下机器人TUV、遥控式水下机器人ROV,无人无缆水下机器人UUV和智能水下机器人AUV。前两种水下机器人均带缆，由母船上人工控制；后两种水下机器均无人无缆，自主航行，分别由预编程控制和智能式控制。水下机器人主要运用在海上救援，水下环境

7、恶劣危险，人的潜水深度有限，所以水下机器人已成为开发海洋的重要工具。4.声呐技术到目前为止，声呐是进行水下探测的唯一有效的设备。声纳系统主要由发射器、接收器和处理系统组成。发射器发出声波，这些声波在遇到障碍物后会反射回来，被接收器接收。接收器将反射回来的声波转换为电信号，然后通过处理系统进行分析和处理。声纳的探测能力取决于多种因素，如声波的频率、发射功率、接收灵敏度、目标特性和环境噪声等。高频率的声波具有更好的分辨率，能够探测更小的目标；高发射功率的声波能够穿透复杂的环境，探测更远的目标；高灵敏度的接收器能够接收到微弱的回波，从而提高探测的可靠性。声纳技术的应用范围广泛,从海洋科学研究、水下考

8、古、海底资源勘探，到军事侦查和导航等领域都有涉及。5.深海自持式剖面浮标(Argo)深海自持式剖面浮标(Argo)是一种新型海洋观测设备，投放入水后根据预先设定参数，采用浮力驱动方式实现浮标平台的自主下潜、定深漂流、上浮CTD测量、水面通信、再下潜的剖面循环过程。可搭载不同种类的传感器(CTD、DO、C02等)，实现海洋环境要素的剖面测量，采集的数据可通过卫星通信系统传送给地面岸站；控制系统超低功耗及可靠性设计，提高了浮标整体使用寿命；地面岸站可对数据进行分析、处理、显示，并可发送控制参数，通过卫星通信控制浮标运动。2.Slowdescentto2000metres6oursat10cm/s5

9、Temperature&salinityprofilerecordedduringascent/4.Oilpumpedfrominternal:reservoirtoinflateexternalbladdercausingfloattorise3.Driftfor9dayswithoceancurrents7.OilpumpedbacktointernalreservoirNdwcyclebegins6.深海原位拉曼光谱探针深海探针通常被用来研究深海的地质和生态系统。它们可以携带各种科学仪器和采样设备，例如深海岩石钻探机和深海生物收集器等。深海原位拉曼光谱探针应用的是拉曼散射原理。当激光照

10、射到样品上,样品中的分子使入射光发生散射，其中一种散射光频率会发生改变。利用激光拉曼光谱设备获得的拉曼光谱数据，和已知物质的光谱数据比对，即可知道样品是何种组分。深海原位拉曼光谱探针成功突破普通光学镜头不耐高温和防颗粒附着性能差等难题，可直接插入450摄氏度深海热液喷口，为深海热液化学性质研究提供了装备支撑。7 .海底观测网从海面船只的短暂测量，转为海洋内部的长期观测。长久以来,人类主要从海洋外部观察海洋，而许多深海现象只有通过对海洋内部的长期观测才能发现。比如海洋灾害的预警，在最需要观测的时候,船只却无法抵近。90年代起，国际海洋界开始将传感器放到海底，再用光电缆接到岸上传送能量和信息。这样

11、建成的海底观测网可以不间断地进行长期现场观测，无论有台风还是地震都可以连续运作，将深海的现场数据实时送到实验室。backbone水下基站branchingunitsUniversityofVictoria吸测节点instruments.lrY/repeaters海岸基站ShoreStation8 .实时潜标海洋实时观测数据长期依靠卫星遥感和浮标，用于观测水下和深海数据的潜标只能每年回收一次，无法像卫星遥感和浮标那样获得实时数据。实时潜标则能够在恶劣海洋环境中长期、连续、同步监测温度、盐度、海流等参数，为海洋气象预报、气候变化研究及生态系统分析提供基础数据。通过卫星浮标或准实时传输技术，潜标可将

12、水下测量数据实时或准实时（最大滞后1天）传回岸基，显著提高观测效率。与此同时，实时潜标系统可监测领海内外国潜艇活动，并通过卫星传输数据，服务于海上维权和国防安全。三、深海探测技术1.深海声学探测技术深海声学传感探测技术利用声波传递过程中入射声波与反射声波在频率、时间或强度上的差异开展深海探测，可分为超短基线定位技术、声学多普勒测量技术和沉积物声波采集技术等，被广泛应用于深海数据获取、导航定位和目标探测等，具有代表性的有侧扫声呐探测技术、多波束探测技术、合成孔径声呐成像技术和浅地层剖面测量技术。侧扫声呐探测技术：通过实时图像探测海底地貌，可实现超视距观察、目标搜索和障碍物躲避。1960年英国海洋

13、科学研究所研制出第一台侧扫声呐并用于海底地质调查，60年代中期侧扫声呐技术得到改进，提高了分辨率和图像质量等探测性能，开始使用拖曳体装载换能器阵，拖曳体距海底的高度约数十米。70年代研制出适应不同用途的侧扫声呐，现代侧扫声呐广泛应用于海洋地形调查，和探测海底礁石、沉船、管道、电缆以及各种水下目标等。美国、法国和挪威等国家陆续研发EdgeTech系列和Klein系列等多型产品，处于全球领先地位。我国于20世纪70年代开展侧扫声呐的系统研究，目前我国的侧扫声呐探测技术已相对成熟，北京蓝创、中海达、海卓同创和星天海洋等公司均推出自己的侧扫声呐设备，关键技术指标已达到国际同类产品的先进水平。多波束探测

14、技术：利用海底反向散射的声学机理，实现大深度海底底质形貌的信息获取和图像构建，基于多普勒效应的流速测量传感器可用于测量深海海流剖面。目前全球对深海流场了解甚少，深海流场测量具有重要的科学价值。挪威、美国、德国和丹麦等国家在多波束探测技术研究和应用领域全球领先，并完成产业布局，以丰富的产品类型和先进的技术指标，处于全球领先地位。近年来，我国多波束测深系统发展较快，基本跟上国际先进设备步伐。如中海达、海卓同创、星天海洋、中科探海等公司均有自己成熟的多波束产品面世,主要集中于浅水领域。合成孔径声呐成像技术：利用声呐阵列向下方发射扇形波束,以小孔径声基阵的匀速直线运动虚拟大孔径声基阵，对深海环境进行超

15、视距观察，可搜索目标和躲避障碍物。该项技术起源于陆地雷达成像技术，是声呐成像技术热点之一。目前欧美国家在相关研究和应用方面全球领先，如法国、挪威和美国等国家陆续研发SHADOWS、HISAS和440OSAS等产品。近年来，我国的合成孔径声呐产品市场化进展较快，紧跟国际先进设备步伐，中国船舶重工集团公司第七一五研究所、苏州桑泰海洋公司、中科探海公司及上海迈波科技等单位均有自己成熟的产品面世。浅地层剖面测量技术：利用2组指向成交的声学换能器阵列,在航向线上构建测深剖面带，通过条带上每个点的高分辨率深度值测量地形。浅地层剖面仪于20世纪40年代开始研发，并于6070年代实现产业化；21世纪以来，随着

16、电子控制、传感检测、信号处理和云计算等技术的飞速发展，挪威和美国处于全球领先地位。近年来,我国的浅地层剖面仪产品研发取得了较大进展，中国船舶重工集团公司第七一五研究所、中国科学院声学研究所东海站均有自己成熟的产品面世。2.深海光学探测技术深海光学传感探测技术主要根据光在水体中传输的特性和规律以及水体物质相互作用的机理，实现深海目标识别和水下通信，具有代表性的有水下光学传感技术、光纤水听技术、水下激光通信技术和水下光学成像技术。水下光学传感技术：基于光源发出的光与水体物质的吸收散射等相互作用，通过检测特征光谱波长的大小和强弱，反演物质种类和含量。美国MBARI海洋研究所是将拉曼光谱技术应用于深海

17、探测的先驱，已在天然气水合物探测、热液探测和碳循环研究等方面取得显著成果，此后德国和法国都开展相关研究。近年来，中科院海洋所张鑫团队和物理所杨洋团队合作成功研制了一种适用于深海的新型表面增强拉曼散射插入式探针，获取了深海冷泉生物群落中纳摩尔浓度的乙酰辅酶A、B-胡萝卜素等生物大分子的拉曼光谱。光纤水听技术：将水声振动转换为光学信号，并通过光纤传输至信号处理系统，实现信号提取。该项技术是全球热点技术，美国、英国和法国等国家已开展大量研究。美国于20世纪70年代最早开展相关技术研发，1983年首次完成海试，1988年完成光纤水听系统(AnOpticTowedArray)的探测试验，目前大多数新型军

18、用潜艇均采用光纤水听器阵列技术；1998年英国开展水听声呐研究，2000年与美国联合研发成像系统，实现8km和96个探头的水下传感探测。近年来，武汉普惠海洋光电技术公司、湖南长城海盾光纤科技、中国电子科技集团公司第二十三研究所等单位均已实现光纤水听器的产业化工作，推动了我国在该技术上的研发和应用。综合显控分系统石油鳍St永久监清系统布局水下激光通信技术：以激光为载体，通过不断的脉冲信号和数字编码进行载波调制和解码，实现水下数据无线传输。美国、澳大利亚和日本等国家很早即开展相关研究，近年来发展迅猛，相继突破水下激光高速率数据传输技术，为相关应用奠定基础。2015年日本山梨大学采用波长为405nm

19、的LD光源，在4.8m的清水中成功实现1.45GBs的数据传输；2016年美国克莱姆森大学采用波长为445nm的LD光源和OOK-OAM调制模式，在2.96m的水下成功实现3GBs的高速率数据传输。近年来，深圳市智慧海洋科技公司和武汉六博光电技术公司等单位在水下通信技术方向取得了突破，在水下能源勘探开采、国防安全、海洋风力发电、应急处理等领域发挥了重要作用。清华大学、中国科学院自动化研究所、哈尔滨工业大学、中国科学院上海光学精密机械研究所和浙江大学等单位也进行了卓有成效的研究，取得了重要进展。水下光学成像技术：利用水下照明和摄像设备获取目标的图像信息，可应用于深海勘探和环境监测等领域。该项技术

20、于1856年起源于英国，目前挪威和美国在相关研究和应用方面全球领先，如0E14-408E系列和MultiSeaCaml060等产品均具备优异的技术性能。近年来，杭州蓝科光电公司、天开海洋公司等成功研发和生产了水下激光三维扫描仪等产品，可用于水下目标探测、海底地形地貌精细三维扫描、海底管道检测、河床勘探、水利枢纽坝体精密检测等众多领域。3深海电磁学探测技术深海电磁学传感探测技术通过电磁学方法获取深海场源的电磁场值，并通过对断面的反演实现地下电性分布探测。美国和英国对深海电磁学传感探测技术的研究全球领先，并已实现产业化，为相关企业提供实质性的服务。空气层天然电,磁场源4.深海热学探测技术深海热学传

21、感探测技术利用热敏元件感知和测量深海沉积物参数，可为海区地球动力、海底热液活动和大陆边缘沉积盆地的演化以及油气水化合物资源的评价等研究提供重要的基础数据。美国WHIO海洋研究所、MBARl研究所、华盛顿大学和明尼苏达大学等对深海热学传感探测技术开展大量研究，利用热电偶传感器(HObo和Vemco)在东太平洋热液区获取400。C热液喷口的原位测量数据，并利用铁合金封装的J型热电偶传感器测量深海热液喷口温度。近年来，深海探测技术取得了很大进步，使大范围、高精度和准同步的全球深海探测成为可能，有助于获取多学科、多尺度、立体化和长时序的深海探测数据，而基于这些海量数据，采用新理论、新模型和新方法，将促进深海动力环境、深海地球物理场和深海工程地质等领域的科学研究；结合人工智能、环境感知和通信控制等新兴技术,有望实现大规模和多平台的组网作业，提高协同探测能力；利用人工智能技术开展探测目标的识别和提取、探测装备的故障诊断和容错控制以及深海环境的高效感知等，将推动深海探测技术的全面智能化。进入新世纪以来，我国在深海领域的科学研究、技术发展及产品产业化方向取得了显著成就，不仅彰显了海洋科技实力的飞跃，也标志着我国在深海资源开发与利用、海洋环境保护、海洋探测装备发展等方面迈出了坚实步伐。