王熙 郳妮

對于大多數人而言，海洋這個詞語并不陌生。在我們生活的這個地球上，海洋的面積為3.62億m2，占地球表面積的70.9%。我們平時看到的海洋是藍色的，實際上，海水能吸收光線，與陸地空間相比，光線很難到達深海，海底其實并不是藍色的，而總是漆黑一片，這讓深海世界顯得更加神秘。

目前，人口膨脹、資源短缺、環(huán)境惡化，對全世界而言，都是巨大的考驗與挑戰(zhàn)，而浩瀚的海洋里蘊藏的豐富生物資源、礦產資源以及水體資源，是應對這些考驗與挑戰(zhàn)以及發(fā)展經濟的重要出路。此外，海洋作為重要的國家領土，也是重要的國防屏障，如何開發(fā)、控制和管理海洋領土，受到了世界各國的高度重視[1]。由于深海具有可視性差、水壓力大以及地形復雜等特點，導致人類對深海的認識嚴重不足。發(fā)展深海探測技術，將光照入漆黑的海底，是探索海洋資源道路上不可或缺的一步。

探秘深海的神奇技術

目前，深海探測技術主要有3類：深海運載器探測類技術，深海傳感探測技術，以及深海取樣探測技術[2]。

深海運載器是攜帶各種電子設備、機械裝置或者相關專業(yè)人員，快速準確地到達各種深海環(huán)境，進行精準探測和科學研究的裝備平臺。而深海運載器探測技術則主要是針對這個裝備平臺所研發(fā)的相關技術。深海運載器大致分為兩種，載人和無人。簡單來講，就是將運載器投入海中，到達海底目的地后，運載器對周圍的環(huán)境進行探測，而實行探測的可能是機械或者電子設備，也可能是人，比如載人潛水器。

深海傳感探測技術是指應用聲學、光學、電磁學和熱學相關的理論知識來獲取深海的數據，實現(xiàn)導航定位和目標探測。

深海取樣探測技術主要是針對如何科學準確地采集到深海中的生物、海水以及巖芯樣品所研發(fā)的一系列相關取樣技術。而收集到的樣品則會被送回專業(yè)實驗室進行研究分析，從而進一步解開深海下隱藏的奧秘。

四大技術助力解決探測難題

深海具有可視性差，水壓力大、地形復雜等特點，在利用機器對深海進行探測時，會遇到哪些問題呢？

機器探測的過程可分為三步：將探測儀器放入水中，然后引導探測儀器到達目的地，再利用探測儀器對目的地周圍環(huán)境進行探測獲取數據。這個過程也許聽起來很簡單，但仔細想想，要完成這一過程并得到準確的數據并不容易。

首先，深海中水壓大，越深，壓力越大，并且，海水具有一定的腐蝕性，探測設備所使用的材料需要具備耐壓和耐腐蝕的能力，例如，以陶瓷為基礎的復合材料具有超強的耐壓力和天然的耐腐蝕力。為了解決探測設備的材料問題，深海裝備材料技術應運而生。

其次，深海的可視性差，如何精確地定位目的地，并將探測設備送達目的地也是一個挑戰(zhàn)。此外，運送過程就好像在陸地上行駛汽車，汽車的驅動是需要能源的，探測設備若想在水下進行有目的性的移動也是需要能源的，水下移動存在燃料補充、廢氣排放和壓力承受等困難，相比于汽車在陸地上行駛所用的汽油、柴油等能源，深海探測對動力能源有更高的要求，即既要突破耐高壓、耐低溫和耐腐蝕等難點，又要保證穩(wěn)定性、安全性和可控性，實現(xiàn)高容量和低成本等目標。要解決以上這些問題，需要深海導航定位技術以及深海動力能源技術來提供幫助。

最后，等設備到達目的地，對目的地周圍環(huán)境進行綜合探測，這就涉及到如何快速穩(wěn)定地傳輸數據，光學通信具有傳輸速率高、無線、方向性好和隱蔽性強等優(yōu)勢，所以，光學通信可作為水下通信的發(fā)展方向，與之相關的技術稱為深海光學通信技術。

利用聲學遙測“照亮”海洋

聲音是日常生活中常見的東西，充斥著我們生活的方方面面，利用聲音的特性——聲波，也能對漆黑而又神秘的深海進行探測。

聲波是聲音的傳播形式，人耳可以聽到的聲波的頻率一般在20Hz～20kHz，而一些動物可以聽到的聲波頻率可以很高或很低。蝙蝠視覺很差，但可以發(fā)出和接收超聲波，以此定位，使其能夠在夜間昏暗環(huán)境自由飛翔和捕捉食物;狗、大象、鯨、水母等動物能夠聽到次聲波。次聲波可用于對自然災害的預測，而超聲波則在醫(yī)學檢測、醫(yī)學治療、測量等方面具有應用價值。聲波在水下也可以遠距離傳播，相比于電磁波和光波主要側重于海水表面和近表面的探測，聲波可以用于深海水下遙測，就像蝙蝠利用超聲波在黑夜中飛行捕食，利用聲波，我們也可以“照亮”漆黑的深海。

浙江大學信息與電子工程學院講師、碩士生導師張婷，利用聲波，研發(fā)了海底地貌低頻遠距離聲成像系統(tǒng)，利用波與環(huán)境、目標相互作用的物理機理以及復雜環(huán)境信息處理方法，實現(xiàn)了大范圍、長時性的海洋環(huán)境觀測和目標探測。其成像范圍可達30km×30km，成像分辨力達100m，可實時獲取水下場景圖像，并對水下場景進行分類和識別。

這套系統(tǒng)的特點在于將主動聲源與被動聲源（也稱機會聲源，環(huán)境噪聲）相結合，即在主動探測的基礎上，利用海洋中廣泛存在的環(huán)境噪聲，如艦船噪聲、生物噪聲、工程噪聲和地震噪聲等，來獲取信息。一般來說，環(huán)境噪聲是非常讓人討厭的，影響心情不說，還可能成為干擾項，干擾水下探測，影響測量結果的準確度，但是，把它們有效利用起來，卻可以達到意想不到的效果。

這些環(huán)境噪聲在水下傳播的過程中攜帶了大量環(huán)境信息，利用它們進行水下遙測，與主動平臺相比，可以節(jié)省能源和開銷，大幅度降低系統(tǒng)復雜度，有效提高環(huán)境遙測功能。噪聲也能“變廢為寶”，發(fā)揮這么大的作用，這是怎么做到的呢？通過深入分析環(huán)境噪聲的水下傳播特性，布放分布式節(jié)點，從隨機的噪聲物體數據中提取有針對性的環(huán)境信息，就可以實現(xiàn)長時期的海洋環(huán)境監(jiān)測，災害性天氣預警監(jiān)測，海底底質、沉積層特性分析，以及水面和水下目標的勘測、定位、跟蹤等。

這套信息與物理相結合的海洋探測系統(tǒng)可以廣泛應用于水聲學和海洋學等多個領域，在資源有限的條件下，可為廣袤海洋的透明化，提供具體實現(xiàn)的框架和方法。

參考文獻

[1] 朱心科， 金翔龍， 陶春輝， 初鳳友， 趙建如， 李一平. 海洋探測技術與裝備發(fā)展探討[J].機器人， 2013，35（03）：376-384.

[2] 丁忠軍，任玉剛，張奕，楊磊，李德威.深海探測技術研發(fā)和展望[J].海洋開發(fā)與管理，2019，36（04）：71-77.