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知識窗——海洋探測技術(shù)及應用
發(fā)表時(shí)間:2014-12-03 10:27:10閱讀次數:5702

20世紀末,科學(xué)家在海底發(fā)現了另一個(gè)大洋世界——“黑色大洋”,富含礦物質(zhì)的流體在其中流動(dòng)著(zhù),驅動(dòng)著(zhù)礦物質(zhì)的傳遞和界面交換,形成各類(lèi)大洋礦產(chǎn),并維持著(zhù)由極端條件生物所組成的深部生物圈。黑色大洋的發(fā)現,拓展了人類(lèi)對地球形成與演化和地球生命起源的認識領(lǐng)域。從此,人們不斷的加快了對海洋的探測,各種海洋探測技術(shù)相應的產(chǎn)生。海洋物探技術(shù)的發(fā)展不僅具有顯著(zhù)的科學(xué)研究意義,在海洋能源的開(kāi)采利用和海洋軍事和安全中都有很重要的意義和位置。

一、海洋定位技術(shù)

高精度的定位技術(shù)是海洋探測技術(shù)的基礎,海洋定位包括海面船只和探測系統的定位和海下探測系統的定位,海下探測系統的高精度定位尤其重要。

水面定位技術(shù)由于衛星導航定位系統的發(fā)展已經(jīng)比較成熟。目前的衛星導航定位系統有美國的GPS系統和中國的北斗系統,其中GPS的技術(shù)最成熟,精度最高。

水下定位主要測定水下探測系統相對水面母船的位置,如側掃聲納系統、海底照相系統、海底攝影系統等拖體系統,水下機器人,海底箱式取樣器、多管取樣器、電視抓斗、潛鉆、熱液保真采樣器及海底土工原位測試儀等等。測定水下探測系統相對水面母船的位置,結合水面船只的全球定位數據,就可以將水下探測系統的準確位置歸算到大地坐標系上。水下定位系統主要有超短基線(xiàn)定位系統、短基線(xiàn)定位系統、長(cháng)基線(xiàn)定位系統以及超短基線(xiàn)和長(cháng)基線(xiàn)組合定位系統。而短基線(xiàn)定位系統目前已經(jīng)很少使用。超短基線(xiàn)定位系統由聲基陣、聲標、主控系統和外部設備等組成,聲基陣置于船底或船舷,聲標裝在水下探測系統上,測定聲標與聲基陣不同水聽(tīng)器之間的距離和聲脈沖到達的相位差來(lái)確定聲標相對與聲基陣的位置。

根據船載部分與水下應答器之間的交聯(lián)方式,系統有聲學(xué)應答式、電信號觸發(fā)式和同步鐘等三種方式。系統最大的優(yōu)點(diǎn)是可以進(jìn)行長(cháng)距離海底目標連續跟蹤定位,操作簡(jiǎn)單;缺點(diǎn)是定位精度較低,作用距離較短,作業(yè)水深較淺。長(cháng)基線(xiàn)定位系統通過(guò)測定母船和聲標的距離,水下設備(安置聲標)與聲標、母船的距離,及水下設備與各聲標的距離,最終確定水下設備相對母船的位置。系統的主要優(yōu)點(diǎn)是定位精度高,適于在小范圍內(幾十平方公里)精確定出水下設備。水下GPS系統包括GPS智能浮標(GIB)、控制站及水下應答器。浮標下掛水聽(tīng)器,由四個(gè)浮標組成基陣,通過(guò)水面天線(xiàn)與控制系統鏈接。應答器置于水下運載器上,應答器內裝有聲波發(fā)生器。浮標在聲波發(fā)生器約500m范圍內,就能精確探測到聲波信號。測定應答器發(fā)射與水聽(tīng)器收到聲脈沖信號之間的時(shí)間差,測出浮標和水下目標之間的相對位置,利用差分GPS精確測定浮標的精確位置,從而得到水下目標的精確定位。定位數據可在控制站與浮標之間無(wú)線(xiàn)傳輸交換。

二、海底聲學(xué)探測技術(shù)

聲波在海水中的傳播優(yōu)于電磁波和可見(jiàn)光,目前的海底探測主要還是依賴(lài)于聲學(xué)探測技術(shù),海洋地震勘探及其數據處理是傳統性的海底聲學(xué)技術(shù),也是研究海底構造與海洋巖石圈深部結構和尋找海底礦產(chǎn)的主力技術(shù)。多波束測探。側掃聲納測圖和淺層剖面測量則是近數十年快速發(fā)展起來(lái)探測海底淺層結構信息的技術(shù),這些技術(shù)已經(jīng)在當代海洋工程、海洋開(kāi)發(fā)、海洋研究、海底資源勘查等方面發(fā)揮出極其重要的作用。

1.海洋地震探測技術(shù)

海洋地震勘探主要利用地震波在海底地層巖石中的傳播規律,來(lái)研究海底以下地質(zhì)構造,推斷巖體物性,勘查海底資源。地震勘探法是目前海底探查應用最廣、成效最高的地球物理技術(shù)。20世紀以來(lái),海底地震迅速發(fā)展,主要表現在采集系統的高集約化、采集技術(shù)的多樣化、探測技術(shù)的多元化、數據吃力解釋技術(shù)的飛速發(fā)展。

20世紀年代末至今,隨著(zhù)三維、四維、高分辨率和多波多分量檢波器、渦流檢波器等。隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)電定位和衛星定位在地震勘探中廣泛應用,海洋地震數據的采集也從最初的三船法、雙船法發(fā)展。目前主要采用的單船法。同時(shí),探測維數也從最初的二維發(fā)展到三維地震探測,甚至時(shí)宜探測,及四維探測。海洋地震探測技術(shù)從反射探測技術(shù)、折射探測技術(shù)發(fā)展到目前的多波束多分量地震探測技術(shù)。多波多分量地震探測與通常采用的單一縱波探測技術(shù)相比,所能提供的地震屬性(時(shí)間、速度、振幅、頻率、相位、偏振、波阻抗、吸收、復分量等)信息成倍增加,并能衍生出各種組合參數。利用這些參數估算地層巖性、裂隙燈比只用單波具有更高的可靠性??碧降卣饠祿奶幚戆〝抵涤嬎愫蛯Φ貧そY構的成像;地震數據的解釋則趨向于可視化技術(shù)的應用。

2.海底淺層聲探測技術(shù)

海底淺層聲探測有多波束測探、側掃聲納和淺層剖面探測等,工作原理基本相似,只是由于探測目標的不同而有所區別。使用的聲波頻率和強度也存有差異。一般高頻用于探測中、淺海水深或側掃海底形態(tài),低頻用于探測深海水深或淺層剖面結構。高頻能提供分辨率,而低頻則能提高聲波的作用距離和穿透深度。目前有很多系統采用雙頻或者多頻探頭結構,以提高全海域的探測能力。

多波束測深系統是一種由多個(gè)傳感器組成的復雜系統。它不同與單波束測深系統,在測量斷面內可形成十幾個(gè)至上百個(gè)測點(diǎn)的條幅式測深數據,幾百個(gè)甚至上千個(gè)反向散射度數據,能獲得較寬的海底掃幅和較高的測點(diǎn)密度,極大地改進(jìn)了海底數據采集的速度;由于測量波束較窄,并采用先進(jìn)的檢測技術(shù)和精密的聲線(xiàn)改正方法,系統可確保探測精度和波束腳印的坐標歸位計算精度。因而,多波束測深系統具有全覆蓋。高精度、高密度和高效率的特點(diǎn),在海底探測的實(shí)踐中發(fā)揮著(zhù)越來(lái)越重要的作用。多波束測深系統日益受到海底測量同行的認可。多波束測深系統可分為聲波反射—散射和聲波相干兩種類(lèi)型,大部分多波束系統基于聲反射—聲散射原理,少數基于聲波相干原理。目前在深??睖y中主要還是使用聲波反射—散射多波束系統,波束數一般在120-260個(gè)左右。

側掃聲納技術(shù)應用海底地物對入射聲波反向散射的原理來(lái)探測海底形態(tài),側掃聲納技術(shù)能直觀(guān)地提供海底形態(tài)的聲成像,在海底測繪,海底地質(zhì)勘測,海底工程施工,海底障礙物和沉積物的探測以及海底礦產(chǎn)勘測等方面得到廣泛的應用。根據聲學(xué)探頭安裝位置的不同,側掃聲納可以分為船載和拖體2類(lèi)。船載型聲學(xué)換能器安裝在船體的兩側,該類(lèi)側掃聲納工作頻率一般較低(10KHz以下),掃幅較寬。探頭安裝在拖體內的側掃聲納系統根據拖體距海底的高度還可分為2種:離海面較近的深拖型。高位拖曳型側掃系統的拖體在水下100m左右拖曳,能夠提供測試圖像和測深數據,航速較快(8Kn)。多數拖體式側掃聲納系統為深拖型,拖體距離海底僅有數十米,位置較低,航速較低,但獲取的側掃聲納圖像質(zhì)量較高,側掃圖像甚至可分辨出十幾厘米的管線(xiàn)和體積很小的油桶等。最近有些深拖型側掃聲納系統也開(kāi)始具備高航速的作業(yè)能力,10kn航速下依然能獲得高清晰度的海底側掃圖像。

淺地層剖面測量系統是探測海底淺層結構、海底沉積特征和海底表層礦產(chǎn)分布的重要手段,它具有與多波束測深和側掃聲納相類(lèi)似的工作 原理 ,其區別在于淺層剖面系統的發(fā)射頻率較低,產(chǎn)生聲波的電脈沖能量較大,發(fā)射聲波具有較強的穿透力,能夠有效地穿透海底數十米的地層。淺層剖面測量與單道地震探測也很類(lèi)似,但分辨率要高的多,有的 系統在中、淺水探測的分辨率甚至可以達到十余厘米。20世紀40年底推出最原始的海底剖面儀,上世紀60-70年代出現商品設備,由于當時(shí)技術(shù)基礎的限制,無(wú)法實(shí)現復雜信號的處理、地層的 高分辨探測和自動(dòng)成圖,地層探測結果只能繪在熱記錄紙帶上,不能長(cháng)期保存。海底探測要求淺層剖面測量系統既能擁有較高的地層穿透深度,又能具有較高的地層分辨率。

目前,海洋能源具有很大的開(kāi)發(fā)潛力。據估計,海南的石油資源量可達400億噸,全部或者部分在我國斷續國界線(xiàn)內的海南大陸架和大陸坡的含油氣盆地。因此,海洋能源的探測至關(guān)重要。地球物理探測手段是油氣勘探中最為重要的手段,也是目前我們應用最為廣泛的手段。其中,以地震勘探為主要方法。地震勘探是利用人工方法激發(fā)地震波來(lái)定位礦藏、確定考古位置、獲得工程地質(zhì)信息。海上作業(yè)都通過(guò)一條船拖著(zhù)幾千米的拖纜,拖纜可以從船尾放入海中,通過(guò)氣槍或者電火花震源激發(fā),利用水聽(tīng)器接收來(lái)自地下的信息,從而指導油氣勘探。

另外,由于能源的短缺,海洋能源成為各國爭奪的焦點(diǎn),因而銀器了很多領(lǐng)土爭端問(wèn)題,例如釣魚(yú)島位于東海大陸架的東部邊緣,距臺灣島120Km,東西距日本沖繩和中國大陸200海里。釣魚(yú)島歷來(lái)就是中國的領(lǐng)土,明代就被列為中國的防衛范圍。釣魚(yú)島是我國臺灣省的附屬島嶼,從海底地形和地質(zhì)構造看,它同臺灣諸島一樣屬于大陸型島嶼,與日本琉球群島的海洋型島嶼性質(zhì)不一樣。中日甲午戰爭以前日本政府也承認釣魚(yú)島是中國的領(lǐng)土。甲午戰爭后釣魚(yú)島被日本占領(lǐng)。二戰結束后,日本將釣魚(yú)島交予美國托管。20世紀60年代,聯(lián)合國、美國等研究機構及日本先后對東海及釣魚(yú)島周?chē)S蜻M(jìn)行了調查并確認該處石油蘊藏量140-150億噸。在日本政府的慫恿下,日本右翼勢力更是企圖強行霸占釣魚(yú)島,而且多次在釣魚(yú)島問(wèn)題上挑起事端。因此,為了保護我國領(lǐng)海的安全,不僅要建立一支強大的海軍,還要對探測敵對的行動(dòng)進(jìn)行監視和探測,多種地球物理探測方法能夠為潛艇隱蔽和導航提供精確的數據,在保衛我國海洋安全方面發(fā)揮著(zhù)重要的作用。

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