聲納立體探測：識得海底真面目
2011-04-12
海洋是一個巨大的寶庫，我國海洋油氣資源豐富，是重要的能源后備基地。我國已發現的海上大型油氣盆地幾乎都位于與周邊國家存在爭議的邊界附近;在我國傳統海域內，每年外國掠走的石油達一千萬噸，天然氣達一百七十億立方米。維護海洋權益，必須有高技術支撐。海洋高技術開發已迫在眉睫!
為此，開發出一批技術含量高、具有自主知識產權的海洋資源開發關鍵技術，建立一批海洋高技術應用示范基地，造就一支高水平的科技隊伍，初步形成我國海洋油氣勘探開發高技術創新體系，縮短我國海洋資源勘探開發技術與世界先進水平的差距成了海洋資源開發技術主題的全體成員的努力目標。
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。可是由于觀測條件和技術的限制，海洋深處仍是“猶抱琵琶半遮面”，并未清晰地展現在人類的眼前。
“由國家863計劃‘資源與環境技術領域海洋資源開發技術主題’支持研制的高分辨率測深側掃聲納系統，是一種新型的測量海洋深度的聲學設備，能夠同時獲得高分辨率的海底地形和地貌。”11月4日，中國科學院聲學研究所朱維慶研究員在接受記者采訪時，介紹并透露了高分辨率測深側掃聲納系統(HRBSSS)的最新研究進展。
“今年我們主要是進行拖曳系統的研制，并進行系統聯調、湖試和海試，目前課題正按計劃進行。”朱維慶說：“同時，該系統采用了新的合作機制，由中科院聲學研究所和美國亞迪技術開發(上海)有限公司兩家單位聯合研制，中船重工集團船舶科學研究中心是協作單位。聲納的推廣和產業化工作也在進一步推進。”
運行穩定：湖試初顯成果
為了讓記者更直觀地了解工作機理，在海洋聲學技術實驗室里，課題負責人劉曉東博士演示了去年年底在浙江千島湖的湖試結果。
記者在電腦上看到，當母船行駛到一處時，屏幕右側就會隨時呈現出顏色深淺不一的陰影和年輪般的等深線圖，這就是深水底相應的地形地貌。
“以前利用傳統技術了解海底世界，需要經驗豐富的專家通過水底反射的數據，綜合分析才能得出結論。而現在，略有常識的技術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線探測的結果進行拼圖，這樣就能獲得一定區域完整的地形圖和地貌圖。”
據了解，在去年年底的這次聲納系統試驗中，整個系統工作穩定可靠，聲納系統與系統聯合工作，實時獲取深度數據和地貌數據，并經過處理軟件后得到三維等深線圖和地貌圖，具備在復雜湖底進行工作的能力。
測深側掃：平面立體結合
“地形和地貌就好比兩種照片。”劉曉東打了個比喻，地形就像一張立體照片，它能夠反映海底深度，表現為等深線圖;地貌則是張平面照片，可以理解為獲得海底反向散射信號的聲像，又被稱為地貌圖。
“我們研制系統的特點是能把兩方面信息同時獲得，而傳統聲納多是分開獲取的。即使有一種多波束測深聲納系統(MBSS)雖然可以同時產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，整個載體也就越大。”
劉曉東告訴記者，如果海深為4000米時，則需用約7000米的拖曳電纜拖在中繼器上，再經由50米左右的中性拖纜拖著水下載體前進。拖體上裝有聲信標，母船上的遠程超短基線定位聲納測出拖曳體的位置。拖體上的高精度壓力傳感器、姿態傳感器分別測出拖曳體離海面的距離和工作運行的姿態。
高分辨率測深側掃聲納就裝在水下載體上，左右兩側各有一個由多個平行線陣構成的聲納陣，聲納陣向側向發射聲波后，海底的回波依時間的先后為聲納陣接收，再經電子分機處理，獲得數千個測深點。
高分辨率：不再霧里看花
雖然人類早已用聲納技術探測海洋，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!
常規測深側掃聲納(BSSS)的分辨率優于傳統的多波束測深聲納系統，它有兩個或兩個以上平行于載體長軸的線陣，所以作用距離遠，可以在低頻環境中工作，同時，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點。
但是，常規測深側掃聲納存在兩個主要問題：一是正下方的測深精度相當差，二是不能測量從不同方向同時到達的回波，使得聲納不能在多途信號嚴重或者地形復雜的情況下使用。
從常規測深側掃聲納(BSSS)發展而來的高分辨率測深側掃聲納(HRBSSS)，則很好地克服了上述兩個問題。“我們建立了一套針對于高分辨率測深側掃聲納的信號處理方法，稱之為多子陣海底自動檢測———子空間擬合法。使聲納能夠有效區分不同方向同時到達的回波，區分海底回波和其他多途信號，還能自動檢測和跟蹤海底，使聲納能在存在多途信號和地形復雜的水域工作，明顯提高了聲納的分辨率，增大了作用距離，增強了適用性，擴大了使用范圍。”劉曉東說。
應用前景：加速資源開發
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，海底的沉積物保存了生物進化、大陸位置變化和過去的全球氣候變化的記錄，是認識地球的“百科全書”，最引人注目的是海底豐富的礦藏資源。
人類對海洋的探索一刻也沒有停止過，世界各國利用二十世紀末的海洋高技術對海洋進行了資源勘探，已陸續發現了深海豐富的資源品種及其陸地上無法相比的儲量，例如多金屬結核、富鈷結殼、熱液硫化物、天然氣水合物和深海生物基因等。我國已向聯合國申請并獲得了7.5萬平方公里多金屬結核區的開采權。國際海底管理局正在制定勘探開發富鈷結殼與熱液硫化物的規章制度，因此世界各國都在加緊研發高技術的裝備，一等有關公約出臺，以期捷足先登。
這些高技術裝備用處的一部分就是對礦區特定海底場所(包括在黑煙冒出的熱液處)詳細測繪以及對富鈷結殼礦區小范圍的地形觀察。此外，國內外海洋石油界的研究表明，由于對海底測量的精度不夠，海底油管敷設不當，造成石油泄漏的影響遠超過失事油輪產生的污染。所有這些都需要獲得高分辨率的地形地貌。
朱維慶說，該聲納系統的出現，正好滿足了海洋工程、海洋礦產資源開發和油田區域地形測量的需要，同時還可以應用于航道和港灣地形的測量、海底地形匹配導航系統等領域，而且它最適宜用于拖曳體、水下機器人、遙控潛水器、載人潛水器和船上。
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