【详解】深海探测技术研发和展望 | 附：深海探测技术体系构成图

深海探测技术研发和展望

《海洋开发与管理》2019年第4期

摘要:深海探测是人类实现可持续发展的战略途径和重要手段。为加快我国开发利用深海资源的 进程,文章系统梳理深海探测技术及其研发,分析关键性深海探测技术,并提出深海探测技术的发 展趋势。研究结果表明:全球积极研发深海探测技术,主要包括载人潜水器等深海运载器探测技 术,声学、光学、电磁学和热学等深海传感探测技术以及生物、海水和岩芯等深海取样探测技术;我 国也取得一系列研究成果,但技术水平和产业化水平总体较落后;精确、可靠和高效深海探测的关 键性技术主要包括深海光学通信技术、深海导航定位技术、深海动力能源技术和深海装备材料技 术,亟须技术攻关;未来深海探测技术将向体系化、协同化和智能化方向发展。

海洋是 人 类 生 命 的 起 源,以 其 丰 富 的 水 体 资 源、矿产资源和生物资源支撑人类的永续发展。由 于深海具有可视性差、水压力大和地形复杂等特殊 属性,人类对于深海的认知严重不足。随着我国对 自然资源实施战略规划和统一管理,我国致力于全 面发展深海探测技术,提高对深海的科学认知,为 实现可持续发展目标打下坚实基础。

一、深海探测技术及其研发

深海探测技术特指在深海领域通过传感或取 样手段获取海洋或海底特定地区单一时刻数据的 技术(图1)。

1.1 深海运载器探测技术

深海运载器是携带各种电子设备、机械装置或 专业人员,快速和准确地到达各种深海环境,进行 精确探测和科学研究的装备平台。深海运载器分 为载人潜水器(HOV)和无人潜水器(UUV)2个大 类,其中无 人 潜 水 器 又 可 细 分 为 无 缆 自 治 潜 水 器 (AUV)和缆控潜水器(ROV),近年来迅速发展的 水下滑翔机(Glider)通常被划分到无缆自治潜水器 序列中[1-4]。作为综合性的水下机动平台,深海运 载器自身配置探测设备开展精确探测,还可具有针 对性地配置其他高精尖探测设备开展原位探测,是 目前深海探测技术领域的“集大成者”,具有全面的技术特点,是深海探测技术的发展热点。 1890年,全球首艘水下运载器(Argonautthe First)诞生。20世纪60年代,法国成功研发首台配 置推进器的水下运载器。同期,全球首艘载人潜水 器“曲斯特I”号由美国研发并海试成功,**下潜 深度为10916m,创造全球**下潜深度记录[1-3]。 在此基础上,以美国“阿尔文”号为代表的现代 载人潜水器逐渐发展,并帮助人类开展一系列深海 探险活动。“阿尔文”号具有人眼观测、高清摄像和 声学扫描等先进探测手段,具备化学传感、生物调 查和地质取样等能力,为美国在全球载人潜水器领 域占据领先地位奠定基础。“阿尔文”号执行了众 多重要任务,比较典型的是1966年成功执行军方失 事坠海氢弹的紧急探测和打捞任务,轰动军事界; 1977年首次搭载人员在加拉帕戈斯断层带发现和 证实海底热液区,并开展海底地质环境和生物群落 等相关科学考察,获取宝贵的**手数据;1979年 在东太平洋的中洋脊首次发现高温黑烟囱。迄今 为止,“阿尔文”号已完成超过5000次下潜任务,是 全球范围内应用最多的载人潜水器。 在“阿尔文”号的影响下,许多国家陆续开始研 发载人潜水器。日本“Shinkai6500”号**下潜深 度为6527 m,配置三维成像声呐、可旋转式采样 篮、高清摄像机、CTD 传感系统和导航定位系统等 先进探测 设 备,对 锰 结 核、热 液 沉 积 物、钴 结 壳 和 6500m以深的大断层开展科学调查,并首次探测 到并获取古老的鲸鱼骨骼及其寄生贻贝的数据,目 前已下潜超过千次[4]。 俄罗斯于1987年研发6000米级“和平”系列 载人潜水器 (MIR1 和 MIR2),可持续开 展 长 达 20h的下潜和探测工作,工作能量是美国“海涯”号 和法国“鹦鹉螺”号的2倍,并具有高机动性,水下瞬时速度可达5kn [5]。“和平”系列载人潜水器在印 度洋、太平洋、大西洋和北冰洋完成数千次科学考 察任务,尤其是完成“共青团”号核弹潜艇的核辐射 探测、“泰 坦 尼 克”号 沉 船 的 搜 索 和 视 频 拍 摄 以 及 “北极-2007”海洋调查等任务[6],充分展示其**的 技术能力。 以法国、德国和英国为代表的欧洲国家在载人 潜水器研发方面也具有较强的基础和实力,其中较 **的是法国研发的“鹦鹉螺”号6000米级载人潜 水器,具有本体重量轻和能够水下强机动等优异的 技术特点,此外配置1台小型水下运载器,可实现多 维度深海探测,目前完成深海资源勘探、环境调查 和军事搜救等任务超过千次。 在国家“863”专项的支持下,中国船舶重工集 团公司第七○二研究所、中国大洋矿产资源研究开 发协会、中国科学院沈阳自动化研究所和中国科学 院声学研究所等单位联合研发我国首台7000米级 “蛟龙”号载人潜水器。“蛟龙”号于2012年成功下 潜至7062 m,是全球下潜最深的科学作业型载人 潜水器;配置高分辨率侧扫声呐、水声通信和信号 处理系统以及原位地质力学测量、热液保真取样、 温度测量、微生物取样、多参数化学传感器和小型 钻机等先进设备,深海探测能力强大[7-8]。此后,我 国完成4500米级载人潜水器的研发和海试,充分 吸取“蛟龙”号前期设计和应用中的经验和教训,同 时大幅度增加本土化设计,实现自主创新。

1.2 深海传感探测技术

1.2.1 深海声学传感探测技术

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[9],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。

(1)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。 该项技术诞生于“二战”期间,主要被应用于军事领 域;20世纪60年代英国研发全球首台民用侧扫声呐系统,被广泛应用于科学研究;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,处于全球垄断地位。我国于20世纪70年 代开展侧扫声呐的系统研究,中国科学院声学研究 所、哈尔滨工程大学、西北工业大学和华南理工大 学等单位研发 SGP型和 CS-1型等设备,但技术水 平总体较落后,且尚未实现产品化。

(2)多波束探测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,处于全球垄断地位。我国多 波束探测 技 术 研 究 仍 较 落 后,仅 有 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 司第七一五研究所和浙江大学等单位开展相关系 统研究,目前已完成多型浅水型多波束测深声呐的 研发,但尚未实现产品化。

(3)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4400SAS等产品。我国于20世纪90年代开始 由中国科学院声学研究所和中国船舶重工集团公 司第七一五研究所开展大量研究,于2005年成功海 试首台具有自主知识产权的合成孔径声呐,目前苏 州桑泰海洋公司的相关技术和产品已达到国际先 进水平。

(4)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60— 70年代实现产业化;21 世纪以来,随着电子控制、 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,具备绝对实力。我 国于20世纪70年代开展浅地层剖面仪的研究工 作,并取得一定的成果,但与国外同类型产品相比, 技术可靠性和成熟度仍较低。

1.2.2 深海光学传感探测技术

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[10],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。

(1)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 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。“十一五”期间,在国家“863”专 项的支持 下,中 国 海 洋 大 学 研 发 拉 曼 光 谱 探 测 系 统,中国船舶重工集团公司第七一七研究所、武汉 理工大学和武汉大学等单位也在光电探测领域开 展部分研究。

(2)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。我国光纤水听技术研究起步较 晚,主要由哈尔滨工业大学、南开大学、中国船舶重 工集团公司第七一五研究所和武汉理工大学等单 位开展实际研究,已研发4元光纤水听传感阵列和 PGC光纤水听声呐传感系统等,但技术水平总体较 落后。

(3)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 的 LD光源,在4.8 m 的清水中成功实现 1.45GB/s 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3GB/s的高速率数据传 输。我国水下激光通信技术研究刚刚起步,主要由清 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 单位开展研究。2016年浙江大学采用波长为685nm 的红色激光和32-QAM OFDM 调制模式开展水下激 光通信实验,数据传输速率达到4.883GB/s。

(4)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 OE14-408E系列和 MultiSeaCam1060等产品均 具备优异的技术性能。我国主要由哈尔滨工程大 学、浙江大学和中国科学院西安光学精密机械研究 所等单位 开 展 研 究,但 仍 处 于 技 术 研 发 和 试 验 阶 段,尚未有成熟化的产品,相关设备主要依靠采购。

1.2.3 深海电磁学传感探测技术

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[11]。我国相关研究较 落后,开展研究的单位也较少,中国地质大学研发 海洋大地电磁采集站,但尚未实现产品化。

1.2.4 深海热学传感探测技术

深海热学传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、MBARI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℃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。 我国浙江大学、中国科学院海洋研究所和原国 家海洋局 第 二 海 洋 研 究 所 等 单 位 开 展 相 关 研 究。 浙江大学探索深海热液区原位温度的长时序探测, 并取得一系列研究成果;2014年“蛟龙”号分别搭载 由国家深海基地管理中心和浙江大学研发的温度 梯度仪成功完成海试,并获取海底温度的原位测量 数据。

1.3 深海取样探测技术

1.3.1 深海生物取样技术

深海生物取样技术在早期科学调查中被普遍 应用,实现对海洋浮游生物和海洋底栖生物样品的 采集,采集工具主要有拖网、采水器和采泥器等[11]。 其中,由6 位 通 道 转 阀 控 制 的 自 动 微 生 物 取 样 器 (AMS)可很好地采集热液体中的无污染微生物样 品;由球阀控制的多瓶取样器(WHATSII)可实现 4个取样瓶同步的样品采集;微生物长时序自动取 样器(OsmoSampler)可实现长达3年的连续样品 采集,但采集速率易受海底温度等因素的影响。

1.3.2 深海海水取样技术

深海海水取样技术利用采水器设备以及电力 和机械等 控 制 方 式,在 一 定 深 度 实 现 海 水 样 品 采 集。美国和日本等国家开展相关研究并取得代表 性成果:哥伦比亚大学研发深海气密采水器(Aqua LAB),可分析示踪气体、序列采集海水样品和高保 真短期采集海水样品,单个海水样品的**容量为 1L,最多可采集50个,采集深度达6000m;华盛顿 大学研发通过机械手触发的采水器(Lupton),并在 海底热液区完成数次科学调查;东京大学研发利用 泵和多通道转阀实现旋转式海水样品采集的设备, 每次可采集5个海水样品序列;北海道大学研发搭 载在深海运载器上的气密采水器(WHATII),用于 采 集 海 底 热 液 口 的 海 水 样 品,最 大 工 作 水 深 为4000m。 为提供高质量的气密海水样品,美国罗得岛大 学和 WHIO 海洋研究所共同研发搭载在无缆自治 潜水器上的气密采水器,单个海水样品的容量只有 20ml,每次下潜可采集 8 个气密不保压的海水样品。美国 MBARI研究所研发搭载在无缆自治潜水 器上的主动式大容量采水器(GulperSampler),可 在2s内快速采集海水样品,单个海水样品的** 容量为2L,最多可采集10个。 此外,美国 WHIO 海洋研究所吸收前期采水器 的优点,研发搭载在载人潜水器上的保压采水器。 采用2个独立腔室的结构,其中1个腔室预先填充 氮气作为储能室,确保海水样品始终保持压力平衡 状态,同时采用电机触发的设计方案,使海水样品 采集过程更加自动化。

1.3.3 深海岩芯取样技术

深海岩芯取样技术通过冲击、射入和钻机等方 式采集岩芯样品,目前已被广泛应用。

(1)保压取芯器(PCS)。保压取芯器以液压驱 动单元为动力,利用其自重和自由落体运动采集岩 芯样品,并利用钢缆回收,由取样管、球阀组件、动 作筒组件、锁机构、蓄能器和管路组件6个部分组 成。保压取芯器长为1.5m、直径为99mm、**承 压能 力 为 69 MPa,采 集 岩 芯 样 品 的 最 大 直 径 为 43mm、**长度为990mm,存在采集岩芯样品直 径较小以及无法在不降压的条件下将岩芯样品取 出的问题。

(2)保压取芯筒(PCB)。与其他岩芯样品采集 设备相比,保压取芯筒的保压性能较好,但结构较 复杂。美国的DSDP-PCB、ESSO-PCB和Christensen- PCB的设计结构基本相同,均采用双管单动式。与 保压取芯 器 相 比,保 压 取 芯 筒 的 长 度 较 长 (4.5~ 10.0m),通常须配置较大的卸压采气设备,且须切 割岩芯样品以封装保存。

(3)HYCINTH 系统。HYCINTH 系统是为天 然气水合物沉积物和深海生物而特殊设计的岩芯 样品采集系统,根据不同的海底地质条件,目前已 研发冲击式取样器(FPC)和旋转式取样器(HRC)。 其中,冲击式取样器的**采集深度为1m,采集岩 芯样品直径为57mm,保压能力为25 MPa;旋转式 取样器的**采集深度为lm,采集岩芯样品直径 为51mm,保压能力为25MPa;二者采集岩芯样品 后的操作相同,即通过翻板阀实现高压腔室密封。

(4)运载器取芯器。随着深海运载器的广泛应用,依托其精确作业的特点,多类型基于深海运载 器的岩芯样品采集设备快 速 发 展。1991 年 “阿 尔 文”号搭载取芯器(HSTR)采集直径为480 mm 的 岩 芯 样 品,受 到 广 泛 关 注;1995 年 美 国 Harbor Branch海洋研究所研发7000米级运载器取芯器, 并搭载在缆控潜水器(Magellan)上成功海试;俄罗 斯基于深海运载器的取芯器具有大功率和大强度 等优点,可在花岗岩和玄武岩等硬岩上采集岩芯样 品;英国、法国和日本等国家的载人潜水器均配置 岩芯样品采集设备,并完成多次采集作业。

二、关键性深海探测技术

由于深海具有可视性差、水压力大和地形复杂 等特征,人类对深海的认知极其有限,深海探测技 术的研究和应用也**挑战性。为实现精确、可靠 和 高 效 的 深 海 探 测,亟 须 开 展 关 键 性 技 术 攻关[12-13]。

2.1 深海光学通信技术

目前深海探测主要以水声载波的方式进行信 息交互,受海水介质的制约,声学通信数据传输的 极限速率仅为1500m/s,同时存在数据损耗大、环 境噪声大以及受水体折射和漫反射多径效应影响 等问题,导致通信质量较差和稳定性较低。以人工 智能和大数据处理为代表的新一代深海探测技术 亟须突破通信“瓶颈”。 光学通信具有传输速率高(GB/s级别)、无线、 方向性好和隐蔽性强等优势,可弥补声学通信的诸 多不足,是深海探测技术发展的“命脉”。未来深海 探测的水上部分可采用电磁通信技术,水下部分可 采用光学通信技术,实现各平台和传感器之间以及 海-空-天之间高速和稳定的数据传输。

2.2 深海导航定位技术

导航定位技术在深海探测技术体系中占有重 要地位,直接反映水下作业的精确性和安全性,主 要分为惯 性 导 航、声 学 导 航 和 海 洋 地 球 物 理 导 航 3种技术类型。

(1)惯性导航是最基本的导航定位系统。受海 水介质的制约,水下电磁波衰减严重,惯性导航系 统仅能在入水前根据初始点推算导航定位,而无法 实时反馈和修正位置信息,随着作业距离和时间的累计不可避免地存在偏差,须回到水上调整,极大 地影响深海探测效率,且无法实现精确作业。

(2)声学导航利用信标发射和接收声学信号, 通过一定 的 算 法 推 算 导 航 定 位,通 常 分 为 长 基 线 (LBL)、短基 线 (SBL)和 超 短 基 线 (USBL)3 个 类 型。受海水介质的制约,声学导航系统存在严重延 迟、易受干扰和易暴露等问题。

(3)海洋地球物理导航的误差与作业距离和时 间无关,具有精度高、受限少和隐蔽性强等优势,是 目前全球研究热点。 随着光学传感技术的进步,深海光学导航定位 技术越来越引起全球各国的重视,SLAM 导航系统 迅速兴起,通过识别和提取采集到的声呐图像和数 字图像的特征点,实现深海探测定位和环境地图合 成,有望产生革命性成果。

2.3 深海动力能源技术

由于存在燃料补充、废气排放和压力承受等困 难,深海探测对动力能源提出更高的要求。深海动 力能源技术既要突破耐高压、耐低温和耐腐蚀等难 点,又要实现高稳定性、高安全性、高可控性、高容 量和低成本等目标,是未来深海探测的关键性技术。 目前深海探测的动力能源主要包括铅酸电池、 银锌电池、镍基电池、锂电池、燃料电池、核能、海洋 温差能和柴油等。其中,银锌电池是普遍采用的动 力能源,具有比功率、比能量、安全性和稳定性均较 高的优点,但也存在充电次数有限、寿命短和成本 极高等缺点;锂电池是目前综合性能**的动力能 源,具有电压高、能力强、寿命长和充电快等优点, 我国4500米级载人潜水器已采用锂电池供电的技 术方案。 大型军事潜艇通常采用小型核能装置或封闭 循环柴油机提供动力能源。核能具有无限续航、安 全性高和连续工作时间长等优点,可有效解决深海 探测动力能源持续供给的问题,发展前景广阔。

2.4 深海装备材料技术

综合考虑使用成本和加工难度,目前全球普遍 选择不锈钢或镀层铝合金作为深海探测装备的主 材,耐压壳通常采用不锈钢。这些材料造价适中, 但密度较大,极大地增加装备的整体重量,使搭载设备受限。钛合金具有密度低、强度高和耐腐蚀等 优点,但价格昂贵且加工困难,难以广泛应用于深 海探测装备。 以碳纤维和多孔结构为特征的复合浮力材料 是深海探测装备的理想材料。日本将2种不同大小 的中空玻璃微球添加到环氧树脂中,融合得到高强 度和低 比 重 的 复 合 泡 沫 塑 料,并 应 用 于 “Shinkai 6500”号载人潜水器。 以陶瓷为基础的复合材料具有超强的耐压力 和天然的耐腐蚀力,且在同等耐压条件下密度较低 和体积较小,可降低材料成本和防止结构老化。美 国“海神”号深海运载器即采用大量陶瓷复合材料, 其耐压壳采用氧化铝陶瓷作为基材,与采用纯钛合 金相比轻331kg;“海神”号于2009年成功下潜至马 里亚纳海沟10902m 深度,充分验证其强大的耐压 性能。

三、深海探测技术的发展趋势

3.1 体系化

深海探测技术的进步使大范围、高精度和准同 步的全球深海探测成为可能。深海探测技术的体 系化有助于获取多学科、多尺度、立体化和长时序 的深海探测数据。基于海量数据,采用新理论、新 模型和新方法,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。

3.2 协同化

深海探测的手段有限且成本极高,协同化作业 是新一代深海探测技术的发展方向。结合人工智 能、环境感知和通信控制等新兴技术,在特定海区 大量布设以无缆自治潜水器为代表的深海运载器, 有望实现大规模和多平台的组网作业,提高协同探 测能力。

3.3 智能化

2010年以来,以虚拟代理、决策管理、深度学习 和生物特征识别等为代表的人工智能技术备受关 注并蓬勃发展,已融入和改变人类的生活和生产。 在深海探测领域,可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,推动深海探测技术的全面智能化。