魏巍，馬媛，蘇東甫

(1.國家海洋局南?？辈熘行?廣州 510300； 2.中國海洋大學環(huán)境科學與工程學院 青島 266001；3.國家海洋局海洋咨詢中心 北京 100860)

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深水區(qū)海底勘察裝備技術發(fā)展現狀與趨勢

魏巍1，2，馬媛1，蘇東甫3

(1.國家海洋局南?？辈熘行?廣州 510300； 2.中國海洋大學環(huán)境科學與工程學院 青島 266001；3.國家海洋局海洋咨詢中心 北京 100860)

深水海域的工程開發(fā)、綜合管理及權益維護，需要海底勘察裝備技術先行；文章從水下聲學定位、動力定位、海底淺層高分辨勘察、海底取樣與測試等4個方面進行了海底勘察裝備技術發(fā)展現狀描述，并指出了其發(fā)展趨勢。

深水海域；裝備技術；海底勘察

按照國際慣例，一般將水深不超過400 m的水域稱為常規(guī)水深海域，400～1 500 m之間為深水海域，大于1 500 m為超深水海域[1]。深水海域空間廣闊、位置重要、資源豐富，已成為世界科技創(chuàng)新的前沿和油氣工業(yè)的熱點。歐、美等發(fā)達國家已經在北海及墨西哥灣等海域開展較長時間的深水資源開發(fā)，挪威以深水高端海洋產業(yè)為核心建立國家創(chuàng)新體系，日本也開始積極采取行動，日本石油資源開發(fā)公司及三菱材料公司等出資設立的日本海洋掘削公司，JFE控股公司及IHI公司等出資的日本海洋聯(lián)合公司(Japan Marine United Corporation)等將展開合作，共同開發(fā)用于深水海底油田及氣田裝備。對于我國而言，深水海域構成了我國社會經濟發(fā)展的戰(zhàn)略接替區(qū)，深水海域的勘察、研究、開發(fā)與利用，對促進我國海洋經濟可持續(xù)發(fā)展、維護海上國家領土主權、保障海洋戰(zhàn)略通道安全、提高防災減災能力具有重要意義。

海洋深水區(qū)域是地球表層較晚認識的部分，人類對于深水區(qū)及超深水區(qū)的知識絕大部分來自最近半個多世紀。深水海域自然環(huán)境較常規(guī)水深海域復雜，尤其深水海底靜水壓力大、地形變化劇烈、工程條件惡劣且多變、地質災害多發(fā)，因此，深水海域的工業(yè)開發(fā)，需要對深水海域的海底進行全面、深入與全過程的勘察與研究。而海底勘察裝備技術是海洋高技術體系的重要組成部分，是進行海洋勘察、工程開發(fā)、綜合管理的重要基礎，體現著國家海洋科技水平與競爭力。因此，海洋深水區(qū)域的開發(fā)戰(zhàn)略，需要裝備技術先行。

1 水下聲學定位裝備技術發(fā)展現狀

水下聲學定位技術是實現水下探測系統(tǒng)精確定位和海底高精度探測的基礎[2]，為勘察海底各類平臺與裝備提供高精度導航定位信息。水下聲學定位系統(tǒng)基本采用聲脈沖群定位技術(tone burst ranging techniques)，通常依據激發(fā)信號的聲學單元的距離劃分為超短基線(<10 cm)、短基線(20～50 m)、長基線(100～6 000 m)。長基線的定位精度最高，但造價最高，短基線的精度次之，但要得到高的精度，基陣布設受到很大的限制;超短基線的精度比短基線略低，但使用方便靈活、應用廣泛[3]。

現國內外市場主要水下聲學定位設備來自于挪威Kongsberg Simrad公司、法國OCEANO Technologies公司(原MORS公司)、法國IXSEA公司、英國的Sonardyne公司、美國的ORE公司等。挪威Kongsberg公司產品涵蓋了超短基線、短基線和長基線3種類型，其研究開發(fā)有近30 a的歷史，有一系列成熟的產品投入軍方及民用。法國OCEANO Technologies公司于1997年推出的POSIDONIA 6 000長程超短基線定位系統(tǒng)，工作水深6 000 m，最大作用距離 8 000 m，在6 000 m水深、30°開角范圍內， 測距精度為0.5%斜距，詢問頻率為8～14 kHz，應答頻率為14～18 kHz。法國IXSEA公司推出的GAPS系統(tǒng)是一套無需標定的便攜式超高精度超短基線(USBL)系統(tǒng)，它將慣性導航與水下聲學定位完美地結合在一起，并融入了GPS定位技術，可同時對多個水下目標(ROV、AUV、拖魚)精確定位，并可提供高精度的姿態(tài)及航向數據，工作頻率20～30 kHz，工作距離 4 000 m 內，水下定位精度為斜距的0.2%。

水下聲學定位裝備技術是國民經濟建設和國防建設的基本技術，在海洋工程開發(fā)、海洋調查研究、海洋軍事活動方面廣泛應用，大大提高了海底勘察的位置精度。

2 動力定位裝備技術發(fā)展現狀

動力定位系統(tǒng)(dynamic positioning system，DPS)是一種閉環(huán)的控制系統(tǒng)，可不借助錨泊系統(tǒng)的作用，不斷檢測載體的實際位置與目標位置偏差，再根據外界風、浪、流等外界繞動力的影響計算出船舶恢復到目標位置的推進力，并使各推力器產生相應的推力，從而使載體保持在所需位置，一般由位置測量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、動力與推進系統(tǒng)3部分構成[4]。位置測量系統(tǒng)是指獲得船舶相應運行參數的傳感器系統(tǒng)，動力與推進系統(tǒng)負責為船舶提供足夠的電力和有效的機動性，控制器根據測量船位與期望值的偏差，計算位置調整所需的推力。動力定位系統(tǒng)越來越廣泛地應用于海上作業(yè)船舶(勘察船、半潛船等)、海上平臺(浮式生產系統(tǒng)系泊等)、水下潛器(ROV)，幾乎所有深水勘察船、鉆井船等都裝備了動力定位系統(tǒng)。

第一代動力系統(tǒng)發(fā)源于20世紀60年代，在第一批動力定位船舶中，最成功最著名的是“格洛馬挑戰(zhàn)者”號船舶，該船幾乎遍歷全球海洋深水區(qū)域，采集總長度超過6 km的巖心，為海底擴張理論提供了大量堅實的證據。

第二代動力定位系統(tǒng)于20世紀 70 年代初開始形成，與第一代動力定位系統(tǒng)相比，主要特點是采用了卡爾曼濾波等現代控制技術，位置傳感器則由單一型發(fā)展成聲學、3自由度的綜合型系統(tǒng)。

第三代動力定位系統(tǒng)于20世紀80年代初開始形成的，主要采用現代計算機技術和現場總線技術。經過多年的發(fā)展，動力定位系統(tǒng)的魯棒性、靈活性、功能性和操作的簡易性均提高到新的水平。其中典型的有 Kongsberg公司的SDP11系列，Navis公司的NavDP 4000系列，L3公司的 NMS 6000系列。這些動力定位系統(tǒng)均具有開放性的結構，能夠實現船舶位置和航向的高精度保持。目前，DP系統(tǒng)可以在2級流、6級風的海況下實現0.35 m的位置定位精度，0.1°的艏向保持精度和1 m的航跡保持精度。

根據設備可靠性和冗余度，動力定位系統(tǒng)可分為3級。中國船級社(CCS)的DP船級符號為DP-1、DP-2和DP-3。動力定位系統(tǒng)的核心是控制技術，它標志著動力定位系統(tǒng)的發(fā)展水平，未來動力定位系統(tǒng)將進一步改進控制技術，減小或消除系統(tǒng)模型不精確性以及反饋系統(tǒng)帶來的誤差，并進一步進行多推力裝置間的推力優(yōu)化問題，不斷降低造價，提高性能。

3 海底淺層高分辨勘察裝備技術發(fā)展現狀

由多波束測深、側掃聲吶掃描、高分辨率淺層剖面探測技術共同組成了近數十年快速發(fā)展起來的探測海底淺部結構信息的技術。它們工作原理基本相似，只是由于探測目標的不同而有所區(qū)別，使用的聲波頻率和強度也有差異。一般高頻用于探測海底面形態(tài)，低頻用于探測海底淺層剖面結構[2]。尤其以其中的多波束測深與海底淺地層高分辨率多道地震探測裝備技術為代表，在海底勘察中廣泛應用，提供了豐富、海量、細致的海底信息數據。

多波束測深系統(tǒng)是一種高效的海底地形測繪設備，可提供全覆蓋的海底表層聲學信息，按測深能力可劃分為便攜式極淺水系統(tǒng)(10 m以淺)、淺水多波束(10～600 m)、中水多波束(30～7 000 m)、深水多波束(100 m至全海深)。多波束測深技術萌芽于20世紀50—60年代，70—80年代迅猛發(fā)展，90年代進入商業(yè)應用，21世紀以來取得了突破性的進展；多波束測深技術是聲學、電子和計算機等高科技最新成就的集成，它的發(fā)展與成熟對聲學探測技術的發(fā)展具有劃時代的意義。近年來，以Kongsberg公司EM122 深水多波束測深系統(tǒng)為代表的第四代產品已經出現，多采用多ping技術、寬帶技術、近場自動聚焦和水體顯示等技術，穩(wěn)定性更好，工作效率更高，并發(fā)展融合側掃聲吶圖像、水柱信息、底質分類數據等海底聲學信息能力。圖1給出了多波束測深系統(tǒng)的工作示意圖。

圖1 多波束測深系統(tǒng)工作示意圖

海底淺地層高分辨率多道地震探測是海洋油氣開發(fā)和海洋工程建設地質環(huán)境評價中最為重要的手段之一。該系統(tǒng)主要包括地震震源系統(tǒng)、地震信號接收系統(tǒng)及導航定位輔助系統(tǒng)3部分，其中，高分辨率多道地震拖纜是整個海洋工程多道地震勘探系統(tǒng)的核心，決定了整個系統(tǒng)的性能，而地震拖纜的道間距又是拖纜系統(tǒng)核心指標，道間距越小，橫向分辨率越高，理論上，從偏移時間剖面上可分辨地下尺度大于一個CDP間距(半個道間距)的地下地質體[5]?！笆晃濉逼陂g，國家海洋局第一海洋研究所聯(lián)合國內優(yōu)勢單位研發(fā)了可用于遠海深水的高分辨率多道數字地震拖纜系統(tǒng)，適用水深300～3 000 m、地層穿透深度300 m、6.25 m道間距、垂向分辨率優(yōu)2 m的深水分辨率多道數字地震拖纜系統(tǒng)[6]。近年來，國外提出了深拖式多道地震探測技術[7]，荷蘭Geosource公司推出了1～3.125 m可定制道間距的高分辨率多道地震拖纜系統(tǒng)。

4 海底取樣與測試裝備技術發(fā)展現狀

克服海水阻隔，獲取海床的底質類型和海底淺表地層土的物理力學性質，地質取樣(sam-pling)和原位測試(insitutest)是現今最為有效且直接的方法手段，地質取樣是通過取樣器取出一定深度的泥土樣品，然后在室內進行專門的土工試驗，以獲得海底土層的土力學參數；原位測試則是將力學傳感器置于一鋼桿的前端，在力的驅動下，貫入海底土層中，通過測量傳感器上受到土體的阻力等來直接獲得土體的土力學參數[8]。

圖2中所示的常規(guī)取樣設備(從左至右依次為抓斗取樣器、多管取樣器、重力取樣器和振動取樣器)，以其作業(yè)成本低，對船舶、絞車、海況等條件要求不高等優(yōu)點，至今仍是海底勘察不可替代的專用設備。與此同時，重力活塞式保真取樣器、深水巖心取樣鉆機、孔中取樣，以及錐形觸探(cone)、T形觸探(T-bar)和球形觸探(ball)等原位測試裝備技術都已取得廣泛應用。圖3為2011年我國在南海3 960 m水深海域獲取的海底保溫保壓水合物及隨鉆取樣的樣品[9]。

海底取樣設備的更新與改進，可加快海洋資源勘探與海底勘察的效率和準確度，節(jié)約成本，獲得良好的社會效益與經濟效益。

圖2 常規(guī)海底取樣設備

圖3 海底

5 發(fā)展趨勢

5.1 裝備技術繼續(xù)呈指數增長

深水海底勘察裝備技術是高科技的舞臺，不僅是一個國家開發(fā)深海資源，確保國家海洋經濟可持續(xù)發(fā)展的重點，同時也是確保國家海洋安全的屏障，世界主要涉海國家都對深海的技術研發(fā)與資源的獲取制訂了國家發(fā)展戰(zhàn)略層面的計劃，給予政策支持；此外，該裝備技術具有軍民兩用的特點，且相關基礎工業(yè)近年來發(fā)展迅速，上述情況都為深水海底勘察裝備技術快速發(fā)展奠定了基礎。王云飛等[10]基于深海裝備產業(yè)領域Orbit 專利數據的統(tǒng)計分析，發(fā)現顯示了全球深海裝備領域相關專利公開數量，旦其總體變化趨勢，整體呈指數增長。

5.2 核心傳感器呈現規(guī)?；?、產業(yè)化態(tài)勢

隨著海底勘察裝備技術研發(fā)的持續(xù)深入，成本的下降、性能和可靠性的提升，在信息技術和高端裝備制造快速發(fā)展的推動下，美國、挪威、德國等先進海洋國家的海底勘察裝備產業(yè)已經相當成熟，各主要核心傳感器的型號眾多、類型多樣，涌現出近百家廠商提供各種部件及服務。而我國受制于國外技術封鎖，以及集成電路技術、材料技術和高精密度機械加工制造等基礎工業(yè)技術的發(fā)展水平，在核心傳感器方面缺乏專利技術，處于集成創(chuàng)新階段。

5.3 基礎功能部件朝模塊化、標準化發(fā)展

深水攝像頭、深水照明燈、深水照相機、深水水密纜和深水接插件等基礎功能部件朝著模塊化、標準化方向發(fā)展，已經出現滿足不同工作條件，并可在水下即插即用產品。但大部分此類工業(yè)化部件長期性與穩(wěn)定性都較差，與國際成熟產品存在一定差距。

5.4 裝備功能呈現融合、集成化態(tài)勢

隨著電子信息技術的發(fā)展，不同海底勘察裝備呈現功能融合、集成化態(tài)勢。如將淺地層剖面儀、多波束系統(tǒng)、攝像系統(tǒng)等組成深海拖體，對海底進行勘察；再如，國際上多個小型海底觀測網絡(如，VENUS和MARS等)已投入運行，同時，一些大型的海底觀測網絡計劃(如，NEPTUNE、OOI、ESONET等)也正在緊鑼密鼓地實施應用中[11]。

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