国内外海底探测技术调研报告

国内外海底探测技术调研报告

摘要：21世纪是海洋开发和利用的时代。各国均加大了对海洋的关注和投资，深海探测技术得到迅速发展。空中的定位系统，海上的调查平台，各类探测仪器和设备领域取得一系列重大进展和新发现。本文将主要从大众关注的定位系统、海洋调查船、测深技术、钻探技术、深潜技术阐述，并对比国内外的发展状况。

关键词：深海探测技术；定位系统；海洋调查船；钻探技术；测深技术；深潜技术

1.海上定位系统

准确的导航定位对于建立海底地形、沉积物正确的空间关系和准确的动图是必不可少的。现今全球四大核心卫星导航系统分别是美国的GPS系统、欧洲的伽利略系统、俄罗斯的格洛纳斯系统以及中国的北斗导航系统。

美国的全球定位系统（Global Positioning System）简称GPS，是由美国陆海空三军于二十世纪七十年代联合研制的定位系统。它由24颗卫星组成（图1），军民两用。民用精度约为10米，军用精度为1米。不论任何时间，任何地点，至少有 4 颗以上的卫星出现在我们的上空。4颗卫星可以确定三维坐标，三颗卫星可以确定平面坐标。

俄罗斯的“格洛纳斯”系统，目前有24颗卫星正常工作，军民两用，组网时间比GPS 更早，由于苏联解体建设进度大大减慢。如今精度在10米左右，“格洛纳斯”系统完成全部卫星的部署后，其卫星导航范围可覆盖整个地球表面和近地空间，定位精度将达到1.5米以内。

欧洲的“伽利略”系统，中国于2003年参与投资研制。有30颗卫星组成，定位误差不超过1米，主要为民用。预计将会于2014年开始运作，但由于欧盟内部分歧与资金问题，完工时间尚不能确定。

中国的“北斗”系统，是中国自行研制的全球卫星定位与通信系统（BDS），是继美全球定位系统（GPS）和俄GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统。由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成（图2）。“北斗一号”精确度在10米之内，而“北斗二号”可以精确到“厘米”之内。2011年12月27日起，开始向中国及周边地区提供连续的导航定位和授时服务。2012年12月27日起，向亚太大部分地区正式提供连续无源定位、导航、授时等服务，然后逐步扩展为全球卫星导航系统。

可见，在定位方面，我国已经处于国际领先地位。

图1 GPS卫星系统图2 “北斗”系统

2.海上探测平台

海洋调查船是进行科学调查的平台和必要工具，它的建设、管理与一个国家海洋事业的

发展密切相关。它是用于海洋科学考察、应用技术研究、测量或勘探等船舶的统称。

总体上，美日俄在海洋调查上起步较早，研究比较充分。海洋调查多面向远洋深海。其中，美国是世界上海洋科学调查船数量最多、装备最先进的国家。美国的海洋调查船队称为联邦海洋船队，包括400余艘船舶。各种调查船齐全，如“海洋学家”号（综合调查船）、“威尔克斯”号（海洋测量船）、“海斯”号（海洋物理调查船）、“极星”号（极地考察船）、“测量员”号（海洋地球物理调查船）、MARY SEARS号海洋调查船（图3）。俄罗斯紧随其后约300艘，如“罗蒙诺索夫”号、“海洋”号。日本约200艘，但从吨位和更新速度上都比俄罗斯强，如“地球号”（世界最大深海钻探船，排水量5.67万吨，图4）、“白凤丸”号、“昭洋”号测量船。

我国在海洋调查领域起步晚，虽然发展快，但跟美日俄仍有不小的差距。随着我国经济腾飞，经费投资加大，新型船只、大型船只不断增多，海洋人才增多，赶上美日俄指日可待。近几年，我国在海洋调查上取得了举世瞩目的成绩。我国先进的海洋调查船有“海洋一号”综合调查船（排水量5500吨，图5）、“向阳红09”远洋科学考察船（排水量4435吨）、“东方红2号”海洋调查船（排水量3500吨，图6）、科学号综合考察船（排水量4711吨）、“海大号”调查船（排水量2650吨）、“雪龙”号极地考察破冰船（排水量21025吨）。

图3 “MARY SEARS”号海洋调查船图4“地球号”深海钻探船

图5 “大洋一号”综合调查船图6“东方红2号”海洋调查船

3.测深技术

深度是深海探测必不可少的一项测定指标。测深技术主要有声呐技术、单波束回声测深

技术、多波束测深技术、机械载激光测深技术、卫星遥感测深技术、电磁测深技术。主要是利用电磁、激光、遥感、声学原理，来测量海底深度。下面讲述比较先进的多波束测深技术和卫星遥感测深技术。

多波束测深技术是通过声波发射与接收换能器阵进行声波广角度定向发射、接收，通过各种传感器（卫星定位系统、运动传感器、电罗经、声速剖面仪等）对各个波束测点的空间位置归算，从而获取在与航向垂直的条带式高密度水深数据。同单个宽波束的回声测深仪相比，具有横向覆盖范围大（为深度的几倍），波束窄（约为3°～5°），效率高等优点。适用于海上工程施工区和重要航道的较大面积的精确测量，也可以用于精确测定航行障碍物的位置、深度。它能绘出海底三维图形，消除了使用侧扫声呐时判读的困难。目前国内尚未有商用化的国产系统，国外的产品场地主要有德国、美国、挪威、丹麦、英国等。

卫星遥感测深是利用航空或航天运载工具上的测设系统，测定海底各点在水面以下深度的工作。具有探测面积大、效率高、数据便于自动化处理等优点。美日较为先进，我国在这方面发展较慢。而机械激光测深技术将用于浅海、岛屿或者船只无法进入的海区，其测量效率远远高于传统的船载声纳测量。

4.钻探技术

随着陆地资源的枯竭，海洋石油天然气的开发受到各国的关注。海洋钻探技术是海洋油气资源开发的关键。

1964年，美国三大海洋研究所和迈阿密大学联合提出“深海钻探计划”，获取地壳、地幔之间物质交换的第一手实际资料。1968年，格洛玛·挑战者号钻探船在墨西哥湾进行了15年的深海钻探，证实了海底扩张，建立了“板块构造学说”和“古海洋学”，为地球科学带来了一场震撼世界的“地学革命”。1985年，美国又进行了“大洋钻探计划”。可以说，美国在深海钻探技术上，在世界处于遥遥领先的地位。日本的“地球号”是目前世界上最先进的深海钻探船，能向海面下伸长10000米，说明日本处于世界领先地位。1991年，俄罗斯建造了北冰洋陆架号第一艘海上钻探船，用于海上油气勘探开发。德国的石油钻井设备制造技术及仪器仪表技术堪称世界一流。巴西、法国、英国也各有所长。

2010年中海油建成第六代深水3000米半潜式钻井平台，最大作业水深3050米，钻井深度可达10000米。目前，中海油已掌握了300米水深的油气勘探开发成套技术体系，已具备在1500米水深条件下作业能力，并正积极向3000米水深迈进。在深海油气开发上还与西方国家有较大差距。

5.深潜技术

美国拥有阿尔文号深潜器(图7)，发现海底热液湓溢口和黑烟囱及其周围环状的生物群落。其无人无缆水下机器人可达6000米深度，缆控作业型深潜系统可达9000米深度，但载人深潜器技术比较落后。日本具有万米级遥控无人探测器海沟号，成功潜航至马里亚纳海沟，还确认了海沟断崖和3500m-10987m的深海极端环境下的6种有孔虫。俄罗斯在深海载人技术上一直处在领先的地位，拥有和平一号、和平二号、MT-88自洽水下机器人，均属于6000米级，并且俄罗斯是唯一能同一条科考船使用两台深潜器的国家，曾经在北冰洋下潜到4000多米深的海底。

2012年6月27日，中国载人深潜器“蛟龙”号（图8）在西太平洋的马里亚纳海沟海试成功到达7062米海底，创造了作业类载人潜水器新的世界纪录。无人机器人方面，在九十年代先后研制了下潜水深1000米和6000米样机。2003年，中俄合作研制的6000米水下机器人，对太平洋进行了多金属结核调查。所以，我们已经在深潜技术达到世界前列。

图7 “阿尔文”号深潜器图8“蛟龙”号深潜器6.其他海底探测技术

最早的海下实验室是美国海军的“海底实验室Ⅱ号”，它在64m深度上实施得很成功。美国夏威夷大学海下研究中心（NURC）建有一个夏威夷海下研究室（HURL），该中心的任务是研究太平洋有关生物、地质、矿产和环境的研究课题。可在1000m水下操作。

美国具有世界最先进的深海科学观测光缆，可对风暴、海流、地震、海底火山喷发等进行实时监测。

总之，我国在深海探测方面，一些技术已经达到世界水平，但鉴于我国对海洋研究起步较晚，在一些领域和发达国家仍有一定差距。随着我国十二五规划，深海基地的建立，海洋科研力量进一步的整合，我国定从海洋大国成为海洋强国。

参考文献：

[1] 莫杰，肖菲．深海探测技术的发展[J]．科学，2012年.

[2] 朱建华，夏登文等.美国海洋调查船现状与发展趋势分析[J]．海洋开发与管理，2012，3：52-55.

[3] 阮锐. 我国海洋调查船的现状与展望第二十一届海洋测绘综合性学术研讨会论文集. 中国会议，2009：610-613.

[4] 杨子赓. 海洋地质学. 山东：山东教育出版，2004.

流云思尘

完成于2013年12月25日