水声技术应用于海底观测

水声技术应用于海底观测
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主题词：水声技术海底地震台风资源 ROV 观测网
内容摘要：海洋蕴含着丰富的矿产、生物、燃料等资源，人类对海洋的开发也才刚刚起步。

运用水声技术，结合遥感、遥测可以三维立体的对海洋进行监测，可以降低一些自然海洋灾害带来的损失。

配有水声等装置多功能的水下机器人（ROV）可以进行水下作业，勘测海底地形，寻找海底资源。

构造出海洋观测网可以全方位的观测海洋，随时随地了解海洋动态变化，更加了解海洋，也为以后更好的开发海洋打下基础。

正文：
海洋总面积约为3.6亿平方公里，约占地球表面积的71%，海洋中含有十三亿五千多万立方千米的水，约占地球上总水量的97%。

对人类来说，海洋还存在许多的未知。

海洋中有丰富的资源，如生物资源还有一些石油，天然气，可燃冰等燃料资源，人类将要面临的资源危机可以从开发海洋这方面打开突破口。

海洋给予人类很多的恩惠也同样会带来一些麻烦，如海底地震带来的海啸，它不仅会带来经济上的损失还会造成人员的伤亡，还有每年都会有的台风，它虽然会带来丰富的降水，但也具有很强的破坏力，会造成很大的经济损失。

这些海洋带来的灾难我们无法避免，但如果我们可以尽快知道甚至可以预测到它们的发生，那么我们就可以提前做好准备，如疏散人员，给一些重要的物品做好保护工作，这样做我们就可以把灾难带来的伤害降到最低。

由于海洋的环境限制，人类很难通过亲临去现场观测，海底有一些危险的生物会威胁到观测者的生命安全还有海底的强大压强会让人感到不适甚至会内脏出血直至付出生命的代价。

这些限制让人类选择其他的方法去观测海洋，进而为开发海洋做好基础准备工作。

人类目前常用卫星遥感来观测海洋表面，因为海洋深部是没有光的，所以我们就要用水声技术来对海底进行观测。

声音在水下传播性能很好，于是声呐雷达等一系列水声探测设备应运而生。

本篇论文主要讲述水声技术在海洋观测方面的一些应用。

台风是指形成于热带或副热带26℃以上广阔海面上的热带气旋。

台风达维穿过黄海后于2012年8月2日在江苏北部登陆。

国家海洋局第一海洋研究所于台风达维过境前后在黄海开展了声传播实验。

台风改变了海洋水文环境并对声传播产生影响。

台风前后的声速剖面和接收声信号明显不同。

用声传播模型计算了简正波和群速度,并模拟了接收声信号。

观测和模拟结果表明:台风导致声速剖面的变化,声速剖面的变化导致简正波及其群速度改变,进而造成接收信号的不同。

上图为在青岛附近海域展开的声速实验结果图，台风之前和之后的声速有明显不同的变化。

这是因为在中国近海海域，在夏季时会存在明显的跃层，一般是分为三层结构：海面受到风应力的作用形成混合层；下部水体由于潮流的湍流混合影响下产生均匀层；还有在混合与均匀层之间的水层水温急剧减小形成温跃层。

从图中可以看出，本次实验在台风过境之前天气炎热，跃层较强，上混合层很不明显，跃层位于2-10米水层，10米以下为下均匀层，此时水体呈现一个跃层-下均匀层二层结构。

台风过后，由于强风的搅拌作用使上混合层得以发展，温跃层深度加深，水体形成混合层-跃层-下均匀层三层结构。

台风产生强的水平流动，从东南方向带来的温暖海水，导致下均匀层水温、声速增高，跃层的强度减弱。

比较0-18米水层的接受信号，发现台风来之前在6米以上的水层几乎没有信号，而台风之后此水层信号相对比较明显。

台风是一个强大而深厚的气旋式涡旋，发展成熟的台风1，其底层辐合气流速度大小分为三个区域：台风眼区；眼壁；外圈。

风速与离台风眼的距离关系如
上图左所示，方程式为()v r =。

上图右为台风条件下海面陳噪声源示意图。

可以发现台风移动对水下会产生一定的噪声，根据噪声的强弱，构造出台风生成水下噪声强度计算模型，监测那些噪声的强弱变化，就可以得到相对应台风的强弱。

遥感虽然可以观测到台风，但是不能很好的了解台风的能量，结合水声技术就能更好的监测台风。

水声技术可用于海底资源的探测。

随着我国进入工业化快速发展阶段,矿产资源的消耗正以惊人速度增长。

我国己经成为世界上最大的矿产进口国,
部分有
色金属的对外依存度己超过50%,如下图左所示.深海大洋蕴藏着丰富的固体矿
产资源，包括海底多金属结核、富钻结壳、多金属硫化物、天然气水合物等,部分金属矿一产在海底储量是陆地上的数十倍。

随着陆地资源的日趋减少与科学技术的发展,合理勘探、开发海底矿产资源已成为未来世界经济、政治、军事竞争和实现人类深海采矿梦想的重要内容。

在人类极少涉足的深海环境中蕴含有丰富的生态类群,是无可替代的生物基因资源库,是人类未来最大的天然药物和生物催化剂来源。

在陆地生物资源已被比较充分利用的今天，对深海生物及其基因资源的采集和研究将为生物制药、绿色化工、水污染处理、石油采收等生物工程技术的发展提供新的途径与生物材料。

当前,欧美发达国家拥有装备精良的深海生物调查设备,获得了大量调查资料,拟提高深海勘探的技术标准来限制其他国家采样.制定代表国家利益、面向国家战略需求的深海生物及其基因资源探测与研究计划，提升我国在海洋权益中的话语权、拓展国家海洋战略发展空间迫在眉睫。

维护海洋权益,保障国家海洋安全需要海洋探测技术与装备提供海洋环境信息保障(l)维护海上国家领土主权(2)保障海洋战略通道安全(3)提升海上维权执法能力。

进行水下作业时，可利用水下机器人进行探测，给水下机器人配备一些硬件设施和软件处理器，可以进行信息的收集和处理以及远程传递。

如水下机器人ROV。

ROV因其经济性好、下水出水灵活性高、环境适应性好、作业效率高、使用有效等优点,得到了迅速发展。

随着功能及可靠性的迅速提高,ROV越来越被广泛地应用于海洋资源开发、水下工程、海底调查、打捞作业等领域。

日本海洋技术研究所研制开发的“海沟”号ROV（KAIKO）(下图左)是目前世界上下潜深度最大的ROV,装备有复杂的摄像机、声呐和一对采集海底样品的机械手。

1995年,该ROV下潜到马里亚纳海沟的最深处(11022米),创造了世界纪录。

它可将一种微小的单细胞有孔虫,从马里亚纳海沟海床沉积物中拔出来。

上海交通大学的产品较多,从微型的观察型ROV到重达数吨的深水作业型ROV,潜深从几十米到数千米不等。

尤其是“海龙Ⅱ型”作业ROV系统(下图右),重量3.25吨,潜深达3500米,带TMS、DP和VMS系统和2个机械手及自动升沉补偿绞车,技术性能达到世界先进水平,代表了国内ROV研发最高水平。

ROV在海洋研究、近海油气开发、矿物资源调查取样、打捞和军事等方面都获得广泛的应用,是当前技术最成
熟、使用最广泛、最经济实用的一类潜水器。

海洋资料浮标是一个涉及电子、通信、控制等多个领域的复杂系统,可以在各种复杂的海洋环境中提供长期连续实时可靠的海洋观测数据,是海洋观测技术中最可靠、最有效、最重要的手段之一。

一：海上风剖面浮标:海上风剖面观测浮标则是近几年出现的新成果，主要测量海上低空(小于1千米)的风场剖面，代表成果是2009年加拿大AXYS 生产的WindSentinel和 2013年挪威OCEANOR 公司生产的 SEAWATCH Wind LiDAR 浮标（下图左）都是通过搭载激光雷达实现底层风剖面观测。

二：海啸浮标:通过实时监测海面波动情况，及时确认是否发生海啸以及发生海啸的大小程度，为海啸预警提供非常重要和珍贵的数。

美国 NOAA 早在上世纪90年代初就开始了海啸浮标的研制及系统建设，取得了优秀成果，2001 年建立了第一代DART系统,2005年开始第二代DART系统(DART II)的建设,（下图中） 2007年开始高效易布放(ETD)海啸浮标的研制和全球布网(DART III)迄今为止, 已经在全球范围内布放了超过60个海啸浮标（下图右）。

海底观测网络的出现改变了人们观测海洋的方式，成为了海洋科学学术界新的研究热点。

进入20世纪遥测和遥感对地观测技术的出现，使得人们建立全新实时动态的对地观测系统成为可能，这是地球观测技术的卓越进展。

人类终于能够离开地面，从空间全面获取地球信息，得到全球、动态性的图景信息。

遥感技术提供了海量数据，使人类迈入了,数字地球和地球系统研究的新阶段。

然而遥测、遥感技术的主要观测对象在于地面与海面，其采用的各种波因缺乏深入穿透的能力即难以穿透平均约为的海水层观测到大洋海底。

因此，人类对深海海底仍旧知之甚少。

汪品先院士指出，地球科学研究可以通过3个观测平台进行第1
个平台为地面与海面，第2个平台为空中的遥测、遥感，第3个平台为在海底建立的观测网其中，海底观测网能对海洋进行实时原位观测，把传统的从海面看海底的，从上向下看，观测模式转变成从海底看海面的,从下往上看模式，彻底解放了观测者的视角，具有随时了解海底情况的优势。

一：海底地震监测。

深海海底的地壳最薄、离地球的深部也最近是探索地球内部过程的捷径。

世界上百分之80的地震和火山发生在大洋中脊及俯冲带、地震和火山为地球内部运动的直接表现形式。

因此海底观测最早的主题为地震在海底甚至海底钻井的基岩里放置地震仪，可以大幅度的提高地震信号的灵敏度和信噪比从1991年开始将地震仪放置在大洋钻探（ODP）的钻孔中，建立了大洋地震网。

第1个观测站点设置在夏威夷西南方水深约4000米，井深约300米的海底玄武岩里4个月内记录了55次远距离的地震信息。

海底观测点上收集的信息可以通过光纤电缆向岸上传递，同时进行能源的传送，为降低建网成本，可以利用退役的海底电缆，例如：上世纪末期，美国利用退役的越洋电缆在加利福尼亚与夏威夷间建成海底地震观测网和日本利用关岛到冲绳本州的退役电缆,建立深水地震监测站。

二：原位观测。

海底观测网的观测不仅贵在实时，而且贵在实地，即在原位进行观测。

分析地球科学研究的一般做法为野外现场取样，室内研究分析此种做法改变了研究样本的生存生活环境，导致室内分析的结果与实际情况出入较大，如深海的许多生物，取上来即死亡和热液的PH值。

温度采回来即改变沉积物本来的团粒一经采样其物理结构即改变通过海底观测网，可改变传统的研究模，做到把实验室中的仪器放置到海里去做样品分析，例如浮游生物研究中在海中放置下潜流式细胞计，完成自动。

连续的测量，而不必取样在海中放置水下显微镜，细胞计等使其成像通光纤电缆将水中的图像发回至实验室全面分析、鉴定、统计海中从硅藻到细菌各种不同大小的浮游生物在海中放置DNA探针,测量海中生物的基因,从而发展建立了微生物海洋学新学科.总之海底是探测生命起源和极端环境生物学的理想场所!而原位观测是探测生命起源和极端环境生物学的理想手段。

一：美国。

美国海军最早进行海底观测，声波监听系统既可以监听鲸鱼和地震，又可以监听潜艇2006年6月，美国通过了海洋观测计划，2007年起建预计使用寿命30年。

OOI由近海、区域、全球3大海底观测系统组成。

其中区域海底观测网最为关键，即东北太平洋的海王星计划。

该计划由美、加两国联合投资。

美
国为主，加拿大占三分之一。

美国承担蒙特雷湾海洋科学观测站MARS的建设，而加拿大承担观测站VEUNS的建设。

但美国由于对外战争，科研经费不到位，由加拿大于2009年建成，美国的OOI推迟到2009年9月才开始建设。

计划2014年建成启用。

美国的MARS分为2期工程，一期工程需要完成电力和通讯两用光缆的铺设、所有水下观测仪器设备及相关装置的安装，最大水深900米。

光缆全长52千米。

二期工程将于2013年结束并投入运行。

加拿大的VEUNS观则站设在水下约3000米的海床上，用800千米的电力通讯光缆在海底围成一个与岸基站联通的回路。

VEUNS和NEPTUNE构成了加拿大的海底观测网ONC。

二：加拿大。

2009年12月8日,世界上第一个深海海底大型联网观测站-加拿大“海王星”正式启用。

海王星位于北美太平洋岸外的胡安·德·夫卡板块最北部。

光纤电缆由温哥华岛西海岸出发，穿过大陆架，布置于深海平原上，向外延伸到活火山脊扩张中心，最终形成一个回路。

在海底研究的关键区设置网络节点，在每个节点安置设备，设备重达13吨，内部安装有数以百计的观测仪器，网络节点可以接受来自不同传感器、观测设备、研究仪器获取的数据，由800
千米的海底光电缆相联的各种仪器，将东太平洋这块海区的深海物理、化学、生物、地质的实时观测信息，源源不断地传回陆地实验室，并通过互联网传给世界各国的终端。

三：日本。

为了防备南海海沟的海沟型特大地震的再次发生，日本正在实施根据地震调查研究推进本部的研究方针，在伊豆半岛近海东南海地震震源区铺设先进的实时海底观测网，即地震-海啸观测监视系统（DONET）计划，该系统由20个观测点密集展布，各观测点都设置有宽频带地震仪、强震仪、高精度压差仪、水中地震检波器、温度计等传感器群，以高精度、宽频带实时监测1944年东南海地震、1946年南海地震、1854年安政地震的破裂起始区域的东南海地震震源区的地壳活动。

DONET系统以基础电缆、分支装置、传感器群为基础构成，具有储备性能，置换机能、扩充性能。

由于这些机能，可望维持管理设定数十年的系统机能，以实现南海海沟海沟型特大地震的地震预测模式和地震、海啸的早期探测的高水平。

通过具有本系统特征的多种传感器的密集分布#实现地震预测和地震、海啸早期探测高水平的想法#并不是南海海沟海沟型特大地震的特殊做法。

在以2004年苏门答腊大海啸地震为首的一系列的特大地震多发区的印度尼西亚或估计会发生远地海啸灾害的斯里兰卡、在有可能再次发生海沟型地震的中美的哥斯达黎加%在估计会发生海啸灾害的意大利西西里海域、在1999年土耳其地震后，有可能在位于向西延伸的伊斯坦布尔边地区发生地震的马尔马拉海域。

在以1999年集集地震为首的灾害地震多发区的台湾等全世界所有灾害地震发生区域，建设完善实时海底观测网都是必不可少的。

在这些国家和地区，为了防备未来的地、海啸召开了很多关于海底观测的国际研讨会，来自高度重视防灾减灾的国家和地区
分别在这些研讨会上介绍了DONET的有效性和对系统期待的成果。

通过这些研讨会的演讲，具体地介绍了如何利用DONET实现地震、海啸早期探测及地震预测模式宣讲其重要性，对于防灾减灾提出建议。

四：中国。

我国也迈开了海底观测的脚步。

走在最前列的便是上海，2008 年起上海先后投入近5000万扶持该项目基础研究，在“海底观测组网技术的试验与初步应用”重大科技攻关项目的支持下，东海海底观测小衢山试验站已于2009 年成功组建和运行，可以通过布放在海底的传感器实时获取海底信息。

以汪品先院士为首的有识之士，发起了关于海底观测网的科学研究，提出从海底往上“看”海洋的设想，并引起国家政府的高度重视。

“十一五”期间，初步建立了中国第一个海底综合观测实验与示范系统—东海海底观测小衢山试验站，提高了海洋灾害预测预报和应急处置能力。

“十二五”规划更是提及六个专项关键技术研究，其中包括要求研究东海海底观测系统规划预选址、东海海底观测布网的工程装备、东海海底观测应用系统的组网等关键技术。

尽管开展海底观测网的体系性研究相对较晚，但已初步形成以政府为首、由科研机构牵头，企业积极参与沟通协作模式，共同推动海底观测网向前发展。

目前，我国海底观测网建设主要可划分为以下三个阶段：第一阶段，关键技术验证阶段。

“海底长期观测网试验节点关键技术”是“十一五”863 计划海洋技术领域重点项目。

该项目目标是研究开发接驳盒及输能通信技术、海底动力环境和化学监测技术、深海网组网标准技术和系统集成、布放和试验技术等若干深海观测网组网的关键技术，并通过与国际已有海底观测网（MARS）相合作的方式，在国际观测网上进行试验和接并以获取实时数据。

第二阶段，以长三角为实验点的小范围网建设及使用阶段。

2009 年，同济大学牵头建成了我国第一个海底综合观测试验与示范系统—东海海底观测小衢山试验站。

其光缆长度一公里，目前每15秒就会传输信号，海温、盐分和水压等都被记录。

2010年2月27日，智
利发生8.8级强震后，小衢山试验站成功采集了该海域的海平面高度出现异常的数据。

基于这一监测结果，我国研究人员将对海啸预报模型的验证与改进。

第三阶段，正在进行的规模化海底观测网建设阶段。

上海市投资 4000 万元的“东海海底观测网”项目已经启动，预计于未来五年内建成完成。

中央政府预计投入 10 多亿元资金建设东海、南海两大海底观测网，全力布设中国海底的敏感“神经系统”。

水声技术让海洋不再那么神秘，勘测海底地形，寻找海洋资源。

这些技术的应用使得人类更了解海洋，更好的利用海洋。

当然，对于人类来说，海洋还有许多的未知，海底深处还可能藏着人类完全不知的“宝藏”，对此，人类只能继续前进，研究出更多更好的技术去勘测海洋。

注释：
【1】大气-海浪-海流耦合模式的建立和一次台风过程的初步试验刘磊费建芳黄小刚程小平物理学报 ActaPhys.Sicn. Vol.61,No.14(2012)
149201
【2】中国舰船研究院硕士学位论文测深侧扫声纳关键技术研究
杭州应用声学研究所二〇一四年三月
【3】海洋探测技术与装备发展探讨朱心科金翔龙陶春辉初凤友赵建如李一平机器人 ROBOT 第35卷第3期 2013.05
【4】海洋资料浮标观测技术应用现状及发展趋势王波李民刘世萱陈世哲朱庆林王红光仪器仪表学报Vol.35,No.11(2014.11)
【5】台风达维对浅海声传播的影响研究刘洪宁吕连港杨光兵姜莹杨春梅
声学技术Vol.32,No.4(2013.08)
【6】台风生成水下噪声强度估计及频率关系研究王璟琰李风华
声学技术 Vol.33,No.2(2014.12)
【7】我国东海海底观测网系统工程的经济分析与展望李欣
（上海海洋大学经济管理学院，上海，201306）
【8】日本先进的实时海底观测网金田义行国际地震动态第11期2011年11月
【9】加拿大“海王星”海底观测网李建如,许惠平地球科学进展第26卷第6期 2011年6月
【10】海底观测网络现状与发展分析陶智声学与电子工程 2014年第4期【11】 ROV的研发现状及发展趋势许竞克王佑君侯宝科杨立浩
四川兵工学报第32卷第4期 2011年4月
【12】海底监测技术之海底观测网络郑红霞张训华赵铁虎齐君海洋地质前沿第31卷第5期 2015。