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海底声学探测技术装备综述

海洋是人类资源的宝库,蕴含丰富的海水、能源、矿产和生物等资源。人类在对海洋进行基础研究、资源开发、工程建设和军事行动等的过程中,通常需要获取相应海域的海底信息作为基础资料,而先进的海底探测技术装备是快速和准确获取海底信息的关键。海底探测技术装备涉及范围非常广,包括声学、光学、磁力、重力、地震、热流、放射性观测、原位观测和钻探观测等以及拖网、抓斗、柱状采样器和箱式采样器等[1- 3]。与可见光和电磁波相比,声波在海水中的衰减更慢、传播距离更远[4],因此海底声学探测是目前获取海底信息最常用的方式之一。

1 海底声学探测技术装备

多波束测深声呐、侧扫声呐、浅地层剖面仪和合成孔径声呐是近几十年来快速发展的海底声学探测高新技术装备。

(1)多波束测深声呐是利用回声测深原理探测水下深度和地形的装备;与单波束测深声呐相比,其探测面积更大,效率和精度更高[5]

(2)侧扫声呐的工作原理与多波束测深声呐相同,主要作用是探测海底地貌和水下目标物;主要优点是探测面积大,且对特殊外形的水下目标识别能力强,广泛应用于水下探测、路由调查和水下考古等领域[6]

(3)浅地层剖面仪是利用声波探测水下浅地层剖面结构和构造的装备,主要应用于海底管线调查、海洋地质勘查、海洋工程建设和水下掩埋物探测等领域[7]

(4)合成孔径声呐是新型的高分辨率水下成像声呐,基本原理是利用小尺寸的声基阵匀速直线运动来虚拟大孔径基阵,从而提高横向分辨率;与普通侧扫声呐相比,其主要优点是分辨率与声呐频率和探测距离无关[8]

2 多波束测深声呐

对多波束测深技术的研究始于20世纪60年代美国海军的军事科研项目,世界上首台多波束测深声呐诞生于20世纪70年代,是在回声探测仪的基础上发展起来的。多波束测深声呐每次发射声波都能获得上百个海底被测点的水深数据,可快速和准确地绘制海底地形地貌图。多波束测深技术将以前的点、线探测扩展到面探测,并进一步扩展到三维立体探测,大大促进了海底地形探测的效率和质量[9]

经过近半个世纪的发展,多波束测深技术取得极大进展,其研发和应用都已达到很高的水准。目前世界较先进的多波束测深声呐产品主要包括挪威Kongsberg公司的EM系列、德国L3 EL AC公司的Sea Beam系列、丹麦Reson公司的Seabat系列、美国R2 Sonic公司的SONIC系列以及德国A T L AS公司的Fansweep系列和Hydrosweep系列等。

按照探测深度的不同,多波束测深声呐可分为浅水型、中水型和深水型3种类型。①浅水型多波束测深声呐的物理尺寸一般较小,即使船只较小也能便于安装;目前国际先进的浅水型多波束测深声呐产品主要有Seabat7125、EM2040和SONIC2024 等;国家海洋局北海海洋技术保障中心购置有2套Seabat7125,此外EM2040已配装“向阳红03”号科考船,SONIC2024已配装“科学”号科考船。②中水型多波束测深声呐的主流产品主要有EM710和EM712、Sea Beam3030和Sea Beam3050以及Seabat7160等;我国EM710已配装“嘉庚”号科考船, EM712已配装“东方红3”号科考船。③深水型多波束测深声呐的物理尺寸较大,主要有嵌入式安装、贴装(加装导流罩)和Gondola安装3种安装方式;目前深水型多波束测深声呐可选择的产品不多,主流产品主要有EM122、Sea Beam3012、Hydrosweep DS和Seabat7150等;我国EM122已配装“向阳红06”号、“向阳红19”号、“嘉庚”号和“东方红3”号等科考船,Sea Beam3012已配装“向阳红01”号、“向阳红03”号和“科学”号等科考船。

我国多波束测深声呐研究始于20世纪80年代中期,首台实验样机由中国科学院声学研究所和天津海洋测绘研究所于20世纪80年代末联合研制成功,首台声呐产品由哈尔滨工程大学和天津海洋测绘研究所于1998年联合研制成功。21世纪以来,在国家“863”计划等项目的支持下,哈尔滨工程大学、中国科学院声学研究所、中国船舶重工集团公司第715研究所和浙江大学等单位研究设计了多款样机和产品[10]。目前我国浅水型多波束测深声呐已完成多款产品的研制,而深水型多波束测深声呐还处于实验样机阶段,未形成产品化。

多波束测深声呐的发展趋势主要包括:①通过研究和应用新技术和新算法,进一步提高精度和分辨率。如,相干声呐技术已越来越受到科研单位和部分厂商的重视,Hydrosweep DS即利用了该技术;但目前业界对该技术还存在疑虑,国内也未有应用实例。②集海底地形探测、地貌探测、水体数据采集和底质分类等更多功能于一体。③在实现高精度和高分辨率的同时,进一步减小换能器的尺寸,实现装备的小型化和集成化。

3 侧扫声呐

侧扫声呐技术的萌芽最早可追溯到“二战”后期,于20世纪50年代开始民用。世界首台侧扫声呐系统由英国海洋研究所于20世纪60年代研制成功,美国、法国和挪威等也陆续推出多款产品。目前世界较先进的侧扫声呐产品主要包括美国L3 Klein公司的Klein系列(如Klein3900、Klein5000V2和Klein5900等)以及美国Edge Tech公司的Edge Tech4200-MP和Edge Tech4215P等。

按照换能器安装位置的不同,侧扫声呐可分为船载型和拖体型2种类型。①船载型侧扫声呐的换能器安装于船体两侧,其扫幅较宽。②拖体型侧扫声呐更为常见,按照拖体与海底之间的距离,其还可分为高位拖曳型和深拖型2种:高位拖曳型的拖体距海面较近,拖曳作业速度快,航速可达8节;深拖型的拖体距海底较近,一般低速拖曳航行,但能获得质量更高的声学图像,且目前一些深拖型侧扫声呐也可实现高速探测,如Klein 5000型和Klein 3000型航速10 kn仍可获取高质量的海底图像数据[11]

我国侧扫声呐研究始于20世纪70—80年代,代表产品有华南理工大学的SGP型侧扫声呐和中国科学院声学研究所的CS-1型侧扫声呐等[6]

经过几十年的发展,侧扫声呐技术已较成熟,但其有2个缺点:①只能获取海底相对起伏的数据,而无法获取精确的水深数据;②横向分辨率取决于声呐基阵的尺寸。基于此,侧扫声呐的发展趋势主要包括:①发展测深侧扫声呐技术,以同时获取精确的海底地貌和海底地形;②发展合成孔径声呐技术,以获取更高分辨率的图像。

4 浅地层剖面仪

浅地层剖面仪诞生于20世纪40年代,至60—70年代实现产品化;受限于当时的技术水平,其信号处理能力较弱、分辨率较低且无法自动成图,只能将探测图像绘制在热敏记录纸带上,保存时间不长。20世纪90年代后,随着电子、声学、计算机和信号处理等技术的不断突破,浅地层剖面仪在理论和实践上都取得快速发展。

按照声学换能器安装位置的不同,浅地层剖面仪可分为船载型和拖体型2种类型[12]。①船载型浅地层剖面仪产品主要有挪威Kongsberg公司的TOPAS PS 18和美国Sy Qwest公司的Bathy2010;其中TOPAS PS 18的性能和稳定性在同类产品中较领先,可实现全海深探测,已配装在我国“大洋一号”“向阳红01”号、“向阳红03”号、“向阳红14”号、“嘉庚”号、“东方红3”号和“科学”号等科考船,Bathy2010已配装在“向阳红09”号科考船。②拖体型浅地层剖面仪产品主要有美国Edge Tech公司的Edge Tech3200 XS和Edge Tech3100P、挪威Kongsberg公司的TOPAS120和TOPAS40以及Benthos公司的ChirpⅢ等。

我国浅地层剖面仪研究始于20世纪70年代,“八五”期间和“十五”期间都曾立项研制相关样机。

目前浅地层剖面仪技术已趋于成熟,国外的参量阵技术已发展到较高的程度,相关产品已经市场检验,而国内相关技术和产品仍须进一步完善。

5 合成孔径声呐

合成孔径技术最早起源于雷达成像领域,于20世纪60年代末进入声呐领域。20世纪90年代前主要是理论探讨和初步试验阶段,国际上只有少数研究机构进行了实验研究;90年代后,合成孔径声呐研究成为水声研究的热点之一,欧洲、美国和新西兰等先后研制出相关样机和产品[13]。目前典型产品主要包括法国IXBU LE公司的Shadows、挪威FFI公司的Hisas、法国Thales公司的T-SAS和美国Edge Tech公司的4400SAS等,我国引进过2套Shadows合成孔径声呐。

我国合成孔径声呐研究始于20世纪90年代。在国家“863”计划的支持下,中国科学院声学研究所和中国船舶重工集团公司第715研究所于1997年联合研制成功合成孔径声呐湖试样机;2005年我国首部具有自主知识产权的合成孔径声呐海试成功。目前国内处于领先地位的产品为苏州桑泰海洋仪器公司的合成孔径声呐系列产品,相关技术已达到国际先进水平。

目前合成孔径声呐技术仍是国际水声高新技术研究的热点之一,是成像声呐的发展趋势。但由于相关技术仍处于发展阶段,系统复杂性较高,性能不够稳定,相关成熟产品还不多。

6 结语

随着科学技术的不断进步,海底声学探测技术装备日新月异,产品性能已达到很高水平。国产技术装备距世界先进水平仍有较大差距,主要表现为:①海底声学探测技术装备基本处于集成创新阶段,核心关键技术研发落后,可靠性低于进口产品,只能主打低端市场;如全海深多波束等高端装备全部依赖进口,远洋科考船上配备的先进海底声学探测装备也以进口为主。②由于海洋技术装备的研发周期长、需求有限、投资大且风险高,企业参与的积极性不高,主要研究机构为高校和研究院所,未形成需求驱动,产业化水平低,技术研发与市场机制未能有效结合,且用户购买意愿低。

因此,本研究提出3点建议:①以军民融合为纽带,突破关键技术及其集成,实现优势互补,发展具有自主知识产权的高精尖海底声学探测技术装备;②围绕海洋强国建设和“一带一路”建设,制定国家层面的发展规划,做好顶层设计;③积极推进产、学、研深度融合,以企业为主体,以市场为导向,大力扶持、培育和孵化海洋装备高新技术中小型企业,发挥企业在成果转化中的主体作用,通过给予政策支持和适当激励,提高企业的积极性。

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