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海洋观测技术

发布时间:2019-07-07 20:24 来源:未知 编辑:admin

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  海洋监测技术作为海洋科学和技术的重要组成部分,在维护海洋权益、开发海洋资源、预警海洋灾害、保护海洋环境、加强国防建设、谋求新的发展空间等方面起着十分重要的作用,也是展示一个国家综合国力的重要标志。海洋监测技术一般可分为天基海洋观测、海基观测和水下海洋观测。

  海洋自古以来就与人类的生产、生活及军事活动密切相关。海底蕴藏着丰富的油气资源和各种稀有矿产,众多的自然灾害,如台风、海啸、地震等都发源于海洋和海底,同时海洋也是人类军事活动的主要战场之一。海洋监测技术作为海洋科学和技术的重要组成部分,在维护海洋权益、开发海洋资源、预警海洋灾害、保护海洋环境、加强国防建设、谋求新的发展空间等方面起着十分重要的作用,也是展示一个国家综合国力的重要标志。长期以来,鉴于海洋观测在军事和民用领域的重要性,国际海洋科学组织和海洋强国一直都非常重视海洋环境监测技术的研究。早在上世纪80年代中期,海洋发达国家就相继出台海洋科技与开发战略,进入21世纪后,国际政治、经济、军事围绕着海洋活动发生了深刻的变化,在新的海洋战略及其军事需求牵引下,各国相继调整战略,进一步加大了对海洋探测领域的投入。我国是海洋大国,有三百多万平方公里的经济专属区和一万八千多公里的海岸线,海洋环境监测技术已经列入国家中长期科技发展纲要。

  随着航天和航空遥感技术的发展,航天和航空遥感技术逐渐应用于海洋探测,形成天基海洋环境遥感。天基海洋遥感具有观测范围广、重复周期短、时空分辨率高等特点,可以在较短时间内对全球海洋成像,可以观测船舶不易到达的海域,可以观测普通方法不易测量或不可观测的参量,成为继地面和海面观测的第二大海洋观探测平台,也成为发达国家竭力争夺的海洋高科技之一。近年来,美国、欧洲、日本等航天大国相继制定了相应的海洋发展规划。

  目前国外已经陆续发射了多颗海洋水色卫星、海洋地形卫星和海洋动力环境卫星。

  1997年8月,美国发射了SeaStar海洋水色卫星。星上装载有第二代海洋水色传感器,共有8个通道,前6个通道位于可见光范围,7、8通道位于近红外,中心波长分别为765nm和865nm;地面分辨率为1.1km,该卫星现仍在运行。

  EOS系列中的EOS-AM卫星主要用于陆地和大气观测、物理和化学、气候环境调查。第一颗EOS-AM卫星Terra于1999年12月18日发射。EOS-AM1卫星装载五个主要仪器:中分辨率成像光谱仪(MODIS-N)、先进星载热发射和反射辐射器(ASTER)、多角度成像光谱仪(MI-SR)、云和地球辐射能量系统(CERES)和对流层污染仪(MOPITT)。EOS-PM卫星共计三颗,第一颗EOS-PM卫星Aqua于2002年5月4日发射;EOS-PM2卫星Aura于2004年7月15发射;EOS-PM3于2010年12月发射。

  EOS-PM卫星装载的仪器有:先进的微波探测器(AMSU)、微波湿度探测器(MHS)、云和地球辐射能量系统(CERES)、中分辨率成像光谱仪(MODIS-N)、大气红外探测器(AIRS)、多通道微波成像辐射器(MIMR)。

  1985年3月,美国海军发射了Geosat大地测量卫星,也是一颗海洋地形卫星,星上装载的唯一传感器是一部Ku波段(13.5GHz)的雷达高度计。该卫星以军用为主,用于测量海洋表面有效波高,研究地球重力场、海潮和海面地形等,鉴于卫星轨道误差大(50cm)和数据保密等原因,没有得到广泛应用。1998年2月,美国海军又发射了Geosat的后继卫星GFO-1,运行至今。

  航空海洋探测采用固定翼飞机和无人机为传感器载体,具有机动灵活、探测项目多、接近海面、分辨率高、不受轨道限制、易于海空配合而且投资少等特点,是海洋环境监测的重要遥感平台,通过搭载的微波和光学遥测设备,能够实时获取大气海洋环境资料。在军事上,由于无人机可有效减少人员伤亡,得到了广泛应用。典型代表有美国的“全球鹰”、“捕食者”,澳大利亚的Aerosonde等无人机。

  海洋测量船也叫海洋调查船,是一种能够完成海洋环境要素探测、海洋各学科调查和特定海洋参数测量的舰船,西方早在19世纪后半叶就认识到海洋测量船的作用并开始改装使用测量船。随着社会的进步、科技的发展和军事的需求,海洋测量已从单一的水深测量拓展到海底地形、海底地貌、海洋气象、海洋水文、地球物理特性、航天遥感和极地参数测量,海洋测量船的作用日益突出。

  美国拥有的海洋测量船型号多、技术新。1989~1994年短期内装备了6艘现代化测量船(USNS系列)之后,又迅速在两年时间内建造了6艘更先进的5000吨级中远海测量船,每艘船上都装备了浅海回声测深仪、深海回声测深仪、海底浅层剖面仪、浅海多波束系统、深海多波束系统、多普勒声学测流仪、侧扫声呐、全球定位系统、遥控潜水器、重力仪、磁力仪等20多种海洋测量设备和多个测量工作站,可以详尽准确地探测海底地形、海底地貌、海底浅层剖面、海底表层地质等多种要素,在一些中型以上的测量船上还配置有海洋生物和海洋特性等专项调查设备。长期在我国南海活动的“无暇”号是美国海洋测量船的典型代表,其中配有约20名水手,10名技术人员和20名海军人员,装备有大型拖曳阵声纳,可以有效探测和跟踪安静型舰艇,此外,美国海军在航空母舰上也装有先进的测量设备。

  俄罗斯的海洋测量船较多,几乎每两三年就造一艘,吨位也比较大,俄罗斯大型测量船常年保持全球海域活动,海洋作业项目是综合性的,主要有海洋测量、救生、地质、气象、水文,生物和化学等方面,搭载的测量设备数量多,但指标和功能一般,不如美、日等国先进。

  日本海上自卫队和海上保安厅管辖有20多艘各类测量船,包括“二见”级、“明石”级和“明洋”级等系列,数量位居世界前列,部分由军方管理,部分由地方部门管理。其中“明洋”号装有海底地形测绘系统,通过高频声呐进行海底地形测绘与海底地质探测,配合传感器以及声速仪等测量装备,可快速测量深度与大面积海底地形,建立三维空间海底图像,舰上还配备先进的磁力探测仪,通过水下磁力的对比,就能立刻分辨因潜艇水下活动造成的磁力异常,达到探测敌方潜艇的目的。日本测量船装备的测量设备都很先进,更新速度很快。日本测量船近来频频在周边国家近海出没,主要是探测这些地区海流等情报,这些情报可用作诸如潜艇巡航所需要的水文数据。此外,日本借助测量船成果已出版了1:20万和1:50万的大陆架海底地形图。日本无论是在测量船队的数量上,还是在最新的测量技术上,都努力保持海洋大国的地位。

  浮标监测分布面广、测量周期长,已经成为海洋和水文监测的主要手段。浮标集计算机、通信、能源、传感器测量等技术于一身,成为科技含量较高的科技综合体。

  法国研制出带溶解氧式传感器的新型浮标ProvorCT。该浮标由“法国海洋开发研究所”(IFREMER)与MARTEC集团合作研制,以满足ARGO国际研究计划的需要。最大深度可达2000m,可以预设漂浮深度和时间。浮标通过预先设定的程序,提供所处海洋环境的有关状况,收集有关含盐量、温度和压力的参数。浮标浮出水面之后,通过AR-GOS卫星将数据传出。浮标潜入水中的周期为十天。可以从一艘船上采用一般施放浮标的抛出器向海洋中施放,也可以采用专用的投放箱进行施放。

  挪威在欧共体尤里卡海洋计划支持下,研制和开发的SEAWATCH系统主要用于小区域的生态环境监测和预报,配有相应的应用软件,其中使用的TOBIS浮标,带有多种适于生态环境监测的传感器和仪器。

  该项技术是上世纪90年代初的重大成果,它的出现催生了国际“阿尔戈”(ARGO)计划,解决了全球次表层温盐同步观测的难题。美国、法国相继研制了几种剖面浮标,最大设计深度2000m,设计工作寿命4~5年。

  “阿尔戈”浮标指用于建立全球海洋观测网的一种专用测量设备。Argo是英文“ArrayforReal-timeGeostrophicOceanography”的缩写,其中文含义为“地转海洋学实时观测阵”。它可以在海洋中自由漂移,自动测量海面到2000m水深之间的海水温度、盐度和深度,并可跟踪它的漂移轨迹,获取海水的移动速度和方向。ARGO全球海洋实时观测网是1998年,由美国、法国和日本等国家大气、海洋科学家推出的一个大型海洋观测计划,设想在全球大洋中每隔300km布放一个由卫星跟踪的剖面漂流浮标(即ARGO剖面浮标),总计为3000个,组成一个庞大的ARGO全球海洋实时观测网,以便快速、准确、大范围地收集全球海洋0~2000m上层的海水温度和盐度剖面资料,有助于更细致地了解大尺度实时海洋的变化,提高气候和海洋预报的精度,有效防御全球日益严重的气候和海洋灾害(如飓风、台风、龙卷风、冰暴、洪水和干旱,以及风暴潮、赤潮等)给人类造成的威胁。

  中国Argo计划自2002年初组织实施以来,已经在太平洋、印度洋等海域投放了155个Argo剖面浮标,目前有78个浮标仍在海上正常工作。

  无人潜航器与载人潜水器相比,具有造价低和安全等特点,能长时间在压力很大的海底工作,可用于海洋调查、海底矿藏开发、水下工程施工、海上救助打捞、清理航道、水产养殖以及军事和国防施工等领域。无人潜航器通常由潜水器、收放系统和水面控制装置组成,根据控制方式的不同,无人潜航器可分为遥控式、自主监控式和智能式等。当前,无人潜航器已从有缆控制式发展到无缆自主式和智能式,自主式无缆无人潜航器(AUV)是当前发展和应用很快的一种,与有缆无人潜航器不同,AUV能自带电源,可在水下自由航行,在海洋开发和军事上有广泛的应用前景。目前,世界上有十几个国家正在从事无人潜航器研制,包括美国、英国、法国、德国、意大利、日本、加拿大、俄罗斯、韩国和澳大利亚等,美国、挪威、俄罗斯、日本和西欧等国处于领先地位。

  1993年,在美国国家学基金会资助下,伍兹·霍尔海洋研究所研制成自主式深海海底AUV“探索者”,系统动力具有低能耗特征,初始试验时采用胶质电介质铅酸电池,执行小范围短时间调查作业使命时采用碱基电池,执行大范围长时间调查作业使命时采用锂基电池,续航时间50h,总航程可达30km,系统配置有满足精密导航摄影需要的光学成像传感器,以及水下摄像机(单色两台,彩色CCD一台)和深度计。该系统可潜至6000m执行深海海底科学调查任务,通过30kHz信标回归母船。

  1994年,美国海军制定了新一代先进无人潜航器的研制计划,即“海军UUV主计划”,旨在发展能遂行水下侦察、搜索、通信、导航、猎雷和反潜等任务的自主式无人潜航器。2005年1月21日,在已经取得初步成果的基础上,美国海军公布了经过大规模修订后的升级版的“海军UUV主计划”,重新设定了无人潜航器的使命任务以及海军希望它所具有的能力,同时指明了工业部门的发展方向。

  目前美国最具有代表性的水下无人航行器是WHOI研制的“远程环境监测装置”(REMUS),REMUS是一种低成本的近海环境调查监测和多任务作业平台,研究经费得到美国海洋大气局和海军研究署的支持,在军事上主要用于水雷探查、目标监测、情报搜集和军事海洋学研究。RE-MUS长1.32m,直径19cm,工作深度150m,空气中自重31kg(铅酸蓄电池),在水中时处于中性浮力,航速4节时的潜航周期为14h,三个推进马达产生0.68kg推力,能以4节的航速在10h内完成74km的航程,电源工作电压24V,输出功率32W,动力源是可充电的铅酸密封蓄电池或锂电池。REMUS搭载的设备主要有侧扫声纳前视声纳(DIDSON)、CTD和ADCP、视频浮游生物记录器、浮游生物泵、辐射计、生物荧光计、荧光计、光学后向散射计OBS以及浊度传感器等。

  日本在该研究领域不甘落后,已经为无人潜航器的研发投入了数亿美元,技术已达到世界领先水平,但日本研制的无人潜航器主要用于民用的深海开发,极少用于军事领域。日本国际电信电话公司(KDD)研制成功能潜航至水下1000m,进行调查海底和海底电缆的新型水下机器人“水下探索者1000”号(简称AElOO0)。AE1000能独立搜索到海底电缆,后连续追踪电缆踪迹,并记录下电缆情况,内装有传感器、微型计算机和蓄电池,其中,传感器主包括:水压传感器,用于反映潜航深度,判断自己行动;方位传感器,测量船首方向;高度传感器,测量海底表面高低;姿态传感器,测量本身运动;声纳,探察周围障碍物;多普勒声纳,用于识别自身航迹等8台设备,这些设备可使AE1000能沿着预定航线进行z字形高难度航行。

  海底观测网海洋科学正经历着从海面作短暂的“考察”到海洋内部作长期“观测”的明显变化。如果把地面与海面看作地球科学的第一个观测平台,把空中遥测遥感看作第二个观测平台,在海底建立的观测系统,将成为第三个观测平台。海底观测系统是指把观测平台布设到海底,既能向下观测海底,又能通过锚系观察大洋水层,还可以投放活动深海观测站。海底观测网已逐渐成为观测海洋和地球过程的第三种平台,将成为今后理解和预测海洋过程的主要观测方式之一。

  1998年,美国和加拿大合作建立深海长期观测网,即海王星计划(NEPTUNE),在2007年投入运行[6]。NEP-TUNE设在水下约3000m的海床上,用长达3000km的光缆线个观测站,每个观测站可能还有支路延伸至几千米远的各种仪器,可以长期观测海洋内部和海底各种物理、化学、生物和地质过程,使用年限至少20~30年。关键设备包括:潜标、CTD、ADCP、人工磁场海流计、波浪传感器、光源和相机、营养盐测量仪、地震仪,还有ROV、AUV、ROVER。其中,ROV用于水下仪器和网络的布放、安装和维护;AUV用于数据的转驳和能源的补充;ROVER用于各节点之间的空白区的观测。网络设计中,有“即插即用”接口,使仪器的更换和新仪器的使用更为方便。

  NEPTUNE的建设目标是在整个胡安德富卡板块上安装3000km长的光缆网。安插在网络节点处的观测站将成为海洋学家提供多学科的探索空间,还可成为太平洋西北部地区的早期地震预警系统。科学家们认为,NEPTUNE计划将从根本上改变人类研究海洋与地球的方式。2003年10月,加拿大宣布为该项目投资4750万美元。同时,美国和加拿大已经为作为该计划试验平台的两个小型光缆观测站提供了资金支持:一个是维多利亚海底实验网络(VE-NUS),另一个是蒙特利加速研究系统(MARS),计划在加拿大蒙特利湾设立观测站。它们将使科学家更加密切地监测海岸周围的水域,同时也为开发NEFFUNE技术提供广阔的舞台。

  欧洲ESONET的目标是探索在大西洋与地中海沿岸兴建海底网络系统的可能性。与NEPTUNE不同,ESO-NET将承担一系列科学项目,诸如评估挪威海海冰的变化对深水循环的影响以及监视北大西洋地区的生物多样性和地中海的地震活动等。计划20年后,ESONET将具备监视整个欧洲的强大能力。

  海底长期科学观测系统具有广泛的应用前景,不仅有助于促进我国海洋科学和技术的发展,而且可应用于海洋环境监测和减灾防灾预警、海底资源开发和海上重大工程监测等方面,同时对于发展海洋高技术装备产业和维护我国主权和国土安全也具有重要意义。我国以同济大学为代表的相关单位已经启动国家海底长期科学观测系统的建设项目。在国务院2013年1月讨论通过的《国家重大科技基础设施建设中长期规划》中,“国家海底长期科学观测系统”项目建议被列为我国“十二五”期间优先安排的16个国家重大科技基础设施建设项目的首位。我国自主研制的海底观测网组网核心部件已于2011年顺利完成在美国蒙特利湾海底布放工作,正式与美国海底观测网络并网运行。

  无线传感器网络是由密集型、低成本、随机分布的,集成有传感器、数据处理单元和无线通信模块的节点通过自组织方式构成的网络。借助节点中内置的多种传感器对人们感兴趣的各种现象进行探测,最终实现对现实世界实现全方位的监测与控制。也是下一代互联网远景规划中较为重要的组成部分。2003年2月,麻省理工大学主办的非营利性技术评论杂志将传感器网络总结为改变未来世界的十种新兴技术之一。而传感器网络出现不久由于其低成本、灵活性等诸多优点受到了各国海洋界的青睐,其应用的范围已经扩展到了海洋。

  国外海洋传感器网络研究中最有影响力的当属美国海军的海网水下声学网络(Seaweb)[7~8]。其目的是在军事上可构建可布放的自主分布系统,用于沿海广大区域的警戒、反潜战和反水雷系统,在民用领域可以实施控制、通信和导航功能,节点之间采用水下声学通信技术。Seaweb的实验开始于2000年,以后几乎每年都进行有针对性的实验,最近一次实验于2008年在美国长滩港进行,目的是测试新一代的声学调制解调器,水下有17个节点。欧盟在MAST(MarineScienceandTechnologyProgramme)计划的支持下也发展了一个系列化的水声通信网络研究计划。

  经过多年的发展我国已建成了包括海洋站、浮标、调查观测船、海监飞机,以及利用国外遥感卫星资料的海洋环境初级监测网,但是和国外发达国家相比还存在着以下两个方面的不足:

  我国的海洋科学研究起步较晚,海洋观测能力建设与国际发达国家相比差距较大,观测内容少,精度低,无法满足现代海洋军事活动的需要。目前的观测仅以岸基站常规监测为主,主要依靠国家海洋局的若干观测站、固定浮标以及少量ARGO浮标,以及近年来建立的海底观测网,缺少海上固定式长期海洋综合观测平台,无法满足海洋科学研究长期、连续、实时、多学科同步的综合性观测要求。而目前美国有基于NOAA的90个浮标、60多个海岸自动观测网以及多源卫星构成的海洋动力环境监测网。

  目前,我国有一系列关系国计民生和国防安全的海洋问题亟待研究与解决,但是由于缺少水下观测节点,加之国外遥感卫星资料来源十分有限,因此对第二岛链附近相关海域、台湾周边、南海及重要出海通道的监测能力十分薄弱;缺少水下自主浮动节点,只能观测点、面或某一层次的海洋环境要素,立体探测能力几乎是空白,缺乏重要海域的长期断面观测数据;和海军活动、水下资源开发密切相关的深、远海立体监、探测技术目前尚处于空白阶段,无法满足我海军走向大洋,成为蓝水海军的需求。未来需要在以下几个方面应加大投入力度:

  1)大力发展基于卫星的全球海洋环境探测体系,同时发展基于无人机的区域海洋环境机动探测系统,两者相辅相成,优势互补。

  2)建立高密度立体观测网络,从总体上看,国际海洋观测的目标是建立全球联网的立体观测系统,目前已发展起包括卫星遥感、浮标阵列、海洋观测站、水下剖面、海底有缆网络和科学考察船的全球化观测网络。因此要有针对性地在关键海区建立多参数长期、立体、实时监测网,有效、连续地获取和传递海洋长时间序列综合参数。要加大重要现象与过程机理的强化观测力度,综合运用各种先进的传感器和观测仪器,如将声学、遥感等手段更多地运用于海洋观测,使得点、线、面结合更为紧密,对区域进行有效监控。

  3)发挥各行业优势提升科技创新水平,由于海洋监测技术涉及的学科繁多,且一个单位或一个团体又不可能在海洋监测技术各学科都处于领先地位,因此就必须先梳理海洋观测技术核心技术,紧跟该领域世界发展潮流[9~11],提出一批极具核心竞争力的关键技术,在全国范围内广泛寻找有实力的研究队伍,通过一定的组织形式,将海洋科研院所、高校和军工单位、地方企业有序的联合起来,充分发掘海洋监测技术与其它行业的共性技术,相互借鉴,取长补短,构建一支高效稳定的海洋观测技术科研团队和人才梯队以不断提升海洋观测的竟争力。

  尹路,李延斌,马金钢. 海洋观测技术现状综述[J]. 舰船电子工程,2013,33(11):4-7+13.

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  赵吉浩,高艳波,朱光文,葛运国. 海洋观测技术进展[J]. 海洋技术,2008,27(04):1-4+16.

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