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海洋探测技术

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海洋 探测 技术
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海洋探测技术人类用科学方法进行海洋科学考察已有 100 余年的历史,而大规模、系统地对世界海洋进行考察则仅有 30 年左右。现代海洋探测着重于海洋资源的应用和开发,探测食油资源的储量、分布和利用前景,监测海洋环境的变化过程及其规律。在海洋探测技术中,包括在海洋表面进行调查的科学考察船、自动浮标站,在水下进行探测的各种潜水器,以及在空中进行监测的飞机、卫星等。科学考察船建造专用科学调查船始于 1872 年的英国“挑战者”号。该船长 226 英尺,排水量2300t,使用风力和蒸汽作为动力。从 1872 年起,历经 4 年时间环绕航行,观测资料包括洋流、水温、天气、海水成分,发现了 4700 多种海洋生物,并首次从太平洋上捞取了锰结核。1888~1920 年,美国的“信天翁”号探测船测东太平洋。1927 年德国的“流星”号探测船首次使用电子探测仪测量海洋深度,校正了“挑战者”号绘制的不够准确的海底地形图。据统计,70 年代初全世界总共有科学考察船 800 多艘,10 年后增加到 1600 艘,其中美国 300 多艘原苏联 200 多艘,日本 180 多艘。日本海洋科学技术中心最近宣布,它们研制的无人驾驶深海巡航探测器"浦岛" 号,在3000米深的海洋中行驶了3518米,创造了世界记录。"浦岛" 号全长9.7米、宽1.3米、高1.5米、重7.5吨,水中行驶速度为4节,巡航速度为3节,最大潜水深度是3500米,是这家海洋研究机构的主要设备之一。" 浦岛" 号上安装着高精度的导航装置及观测仪器,使用锂电池作动力。这艘无人驾驶的深海探测器,使用无线通信手段向海面停泊的母船" 横须贺" 号上传送了用水中摄像机拍摄的深海彩色图像。日本海洋科学技术中心认为,这一装置在世界上居领先地位。以这次航行试验成功为基础,海洋科学技术中心还计划开发性能更高的无人驾驶深海探测器,并且使用燃料电池作动力源。海洋科学调查船担负着调查海洋、研究海洋的责任,是利用和开发海洋资源的先锋。它调查的主要内容有海面与高空气象、海洋水深与地貌、地球磁场、海流与潮汐、海水物理性质与海底矿物资源(石油、天然气、矿藏等) 、海水的化学成分、生物资源(水产品等)、海底地震等。其中极地考察和大洋调查等活动,为世界各国科学家所瞩目。大型海洋调查船可对全球海洋进行综合调查,它的稳性和适航性能好,能够经受住大风大浪的袭击。船上的机电设备、导航设备、通讯系统等十分先进,燃料及各种生活用品的装载量大,能够长时间坚持在海上进行调查研究。同时,这类船还具有优良的操纵性能和定位性能,以适应各种海洋调查作业的需要。海洋卫星卫星技术在海洋开发中的应用十分广泛。海洋卫星在几百千米高空能对海洋里许多现象进行观测。这是因为它有一些特殊的本领。比如测量海水的温度,用的就是遥感技术。当太阳发出的电磁波到达海面时,能量的分布是不均匀的。利用遥感技术就可以帮助我们测量海面的温度及其特征。数据经电脑分析后,就可得到海面温度的情况,最后打印成一张海面温度分布图。由于几乎是同步观测后得到的数据,所以观测结果很真实。如果让海洋卫星来测量海浪的高度,就要用主动遥感技术。它就好像照相机使用闪光灯一样。雷达成像系统就是一种主动微波遥感,它可以用来测量海浪的高度。它是利用海面" 粗糙度"不同的原理来进行的。光波射到海面,如果海面没有浪,就会呈现海平如镜的状态,即为光滑面。这时,从卫星上发出的雷达波就会产生镜反射,雷达接收不到回波。如果海面有波浪,就会变得" 粗糙" ,波浪越大,海面越"粗糙",这时,雷达波就会向各个方向散射,产生漫反射,于是,雷达就会收到一部分回波。因此,波平如镜的海面,在雷达正片上就显得比较亮。根据回波信号的强弱以及雷达波的角度,通过电脑就可以算出海面的粗糙度,从而得知海浪的高度。目前,海洋地质调查和技术手段主要有:利用人造卫星导航和全球定位系统(GPS) ,以及无线电导航系统来确定调查船或观测点在海上的位置;利用回声测深仪,多波束回声测深仪及旁测声纳测量水深和探测海底地形地貌;用拖网、抓斗、箱式采样器、自返式抓斗、柱状采样器和钻探等手段采取海底沉积物、岩石和锰结核等样品;用浅地层剖面仪测海底未固结浅地层的分布、厚度和结构特征。用地震、重力、磁力及地热等地球物理办法,探测海底各种地球物理场特征、地质构造和矿产资源,有的还利用放射性探测技术探查海底砂矿。潜水器在人类征服海洋深处的征程中,潜艇立下了汗马功劳。然而,即使是核潜艇,一般也只能在300~400米的海洋深处活动,面对占地表77%以上面积的深于3000米的海洋,人类创造了潜水器征服了深海。1953 年,法国人奥古斯特·皮卡德设计建成“的里雅斯特”号自航式沸水器,1960年 1 月 23 日由奥古斯特·皮卡德的儿子雅克·皮卡德以及另一名潜水员美国海军上尉唐纳唐·维尔什共同乘坐,闯荡万米深渊——马里亚纳海沟。创下了 10916 米的世界纪录。深潜器到达万米深的马利亚纳海沟,说明海洋已经不再是人类的禁地。如果说70年代以前人们热衷于深潜器去深海底探险,追求下潜的深度探险,追求下潜的深度,那么,70年代以后,人们便热衷于把深潜器作科学研究和为海洋开发服务,因而,深潜器的商业和科学应用掀起了一个高潮。潜水器既是深海探测的工具,又是进行水下工程的重要设备。潜水器可分为载人潜水器和无人潜水器。深潜器的最大生产厂家是美国的佩里公司,到1983年,它总共建造了24艘载人深潜器。法国的科迈克斯公司规模也不小,共造了21艘。这共深潜器主要用于海洋考察、探索、打捞、水下作业和救生,作业深度为200~300米。1988年,法国研制成可下潜6000米的深潜器,可载3人,能直接考察世界97%的洋底,可进行摄影、录像,还有两只分别为7个和5个自由度的机械手,用来采集海底样品。1989年,日本建造了可达水深6500米的深潜器“深海6500号” ,创造了载人深潜器水下6527米作业的世界纪录。美国加利福尼亚的一家公司,已研制出“深海飞翔”载人深潜器。它突破传统,采用流体动力,下潜航行时像在水下飞行,并且用新型陶瓷材料建造。人们将用此种方法建造能潜至海洋最深处的新型深潜器。近几年来,除了钢材外,人们又采用可塑聚甲基丙烯酸酯制造深潜器的耐压壳和玻璃窗。如科迈克公司和深海工程公司制造的载人深潜器,都有圆形的丙烯酸耐压壳,耐压水深为6000~10000 米。另外,计算机技术的应用对深潜器起到控制和监测的功能,有效地减轻了驾驶员的工作负荷,简化了人工操给的标准。人在地面上呼吸过程是在一个大气压力(101.325千帕)的条件下进行的。人在水下潜水时,情况就不一样了,他呼吸的是大于1个大气压的高压空气,且水深度越大,所呼吸的空气压力也越高。此时,除了氧以外,氮气等其他气体也会进入血液。当潜水员上浮时,水压减小,他所呼吸的空气压力也相应减小,血液里的氧气、氮气等就开始离开血液。如果他上升得过快,气体突然释放,就会形成小气泡,像打开汽水瓶盖的情况一样。此时,较大的气泡会威胁心脏瓣膜的活动,较小的气泡则会阻塞心脑血管,使潜水员出现意外。为了防止意外,潜水员只能缓缓上升,每上升一段就停一停,以便让氮气从他们的身体组织流往血液,再从血液流入肺里,最后从肺细胞壁逸出体外。这样,上升虽然是缓缓的,但却是保险的,氮气完全被清除了,血秘里不会再有致命的气泡出现。或许你会问:既然潜水员很快地从海洋深和回升到水面将会带来生命危险,那么,要是潜水装置出了故障,或者遇到某种紧急情况,必须立即返回水面时,他不是只有死路一条了吗?是的,这的确是不可回避的问题。为此,人们设计了可以调节压力大小的减压舱。当潜水员在水下遇到危急情况时,可以让他立即返回,但必须马上进入减压舱。只有这样,才能把他从死神手里挽救出来。减压舱是一个密封的容器。当潜水员从海洋深处迅速返回并进入减压舱后,必须把压力调节到与他刚才所呆的深处的压力相同,就好像他没有上升,仍旧呆在海洋深处一样。然后,再逐步地减压,使他像在海洋里缓缓上升,一步一步地停留,压力一点点地减小的情况一样。ROV是一种无人驾驶的深潜器,它最初是由美国海军在20世纪60~70年代开发的,它不需要人操纵,通过“脐带”——绳缆由海面进行操纵、供应电力和通信。它比载人深潜器要安全得多,便宜得多。首先使用ROV的是海洋气产业。80年代以后,ROV发展十分迅速,1994年就建造了20多套。1995年以来,人们又热衷于用电力遥控的小型ROV推进装置,有电动的也有液压的,或两者结合。现在,ROV已成为海洋石油开采的可靠工具。为了提高联系母船与深潜器之间的那根“脐带”的强度,近来人们又使用了高强度的光纤系统,可用于6000米的ROV的动力和通信设备,这类深潜器叫做高级系统深潜器ATV。如日本人研制的“海沟”号。还有一种不需要“脐带”的自治式无人遥控深潜器。虽然它甩掉了那根令人烦恼的“脐带” ,根据指令或预先编好的程序进行作业,活动自如。但由于成本较高,技术要求也较高,所以发展速度不快。自80年代以来,我国也开始了深潜器的研制,第一艘载人深潜器最大下潜深度达600米。第一台无人遥控深潜器于1985年底研制成功,潜深200米。1989年,我国与加拿大合作研制的ROV投入水下作业,它由电脑控制,能在水下完成自动定位和定航向,装有5个功能机械手和水下摄影机,最大前进时度达2.5千米以上,最大水深200米。我国还与加拿大合作研制成作业深度为300米的ROV。上海交通大学和水下工程研究所研制的“6000米海底施曳观察系统” ,1998年赴太平洋进行深海多金属结核勘察工作,立下了赫赫战功。它们也是ROV的一员!我国海洋探测技术我国海域辽阔,是发展中的海洋大国。我国海域面积约 300 万平方公里,有着丰富的海洋资源,为实现从海洋大国跨入海洋强国的目标, “863”计划在海洋技术领域分别设置了海洋监测技术、海洋生物技术和海洋探查与资源开发技术 3 个主题,以期为我国的海洋开发、海洋利用和海洋保护提供先进的技术和手段。以具有 90 年代海洋勘测国际先进水平的“海域于形地貌与地质构造探测系统”的开发和研制为代表的多项选进的海洋控查与资源开发技术,为我国海洋资源的开发、利用、保护,维护海洋权益,捍卫国家主权提供了高精度的科学依据。在“863”计划的推动下,我国在合成孔径成像声纳、高精度 CTD 部面仪和定标检测设备的研制和定标检测设备的研制和近海环境自动监测技术方面等重大技术上取得突破性进展,并已进入世界先进水平行列。通过建立海洋环境立体监测系统技术及示范系统促进了上海等城市区域性社会经济的发展,并为建立我国整个管辖海域的海洋环境立体监测和信息服务系统奠定坚实的技术基础。在仅仅 4 年多的时间里,我国沿海周边地区已经在全球海洋观测系统框架下,初步建立起了从航天、航空、海监船体监测体系,从整体上提高我国海洋环境观测监测和预测预报能力。国家“863”计划及时增加并大力发展海洋领域的高技术,为我国走可持续发展道路起到了积极的示范作用。国家“863”计划“海域地形地貌与地质构造探测技术”专题科研人员历时 4 年,日前完成了海底地形地貌的全覆盖高精度探测技术,海洋深部地壳结要的探测技术,海洋深部地壳结构的探测技术等 5 大课题。课题在实施过程中共获 9 项创新技术,6 项创新技术产品,为更加深入地了解我国海域地形地貌与地质构造,高精度地再现我国 300 万平方公里海域的地形地貌与地质构造提供了强有力的技术支撑。“海洋地形地貌与地质构造探测技术”以多波束系统全覆盖高精度探测技术、深拖系统侧扫和视像技术、双船地震地壳探测技术的突破为重点,形成海底地形地貌控测技术、侧扫视像技术、高精度导航定位技术、高分辨率地震探测技术、双船折射/广角反射地震技术、三维地震层析成像技术、海洋动态大地测量基准技术以及图形技术、模式识别技术、自动成图技术、人工智能解释技术等的集成系列,带动海洋地学调查技术和研究水平整体上一个新台阶,达到 90 年代国际先进水平。通过典型海域的技术试验,形成一整套最优化的探测技术集成、成图显示技术集成和智能解释技术集成的方法系列,为区域海洋地质调查,为我国大陆架和专属经济区的专项调查提供高新技术支撑;为海区划界、维护海洋权益和资源评价提供重要科学合肥市据。并先后研制开发了海域地形地貌全覆盖高精度探测技术系统,结束了我国无中、大比例尺海底地质调查能力的历史。开发完成了多波束测深系统、深拖侧扫视像系统和差分 GPS 导航定位系统,并配套完善了多波束测深系统的后处理系统,已具备作用距离 800 公里,实时动态定位精度优于 10 米,可完成 1:10 万~1:100 万任意比例尺的高精度海底地形地貌图和三维立体图的技术能力。目前,该项技术成果已成功应用到“我国专属经济区和大陆架勘测”和“太平洋多金属结核和富结核壳矿区勘查”等方面,产生了明显的社会和经济效益,仅多波束现场数据质量监探技术的推广,就节约成本约 1000 万元,提高工作时效 30%~50% 。从大陆架到深海大洋,广阔的海底是石油、天然气、气体水合物、铁锰结核等矿物资源的赋存场所,又是海底扩张、板块构造、古海洋学和全球构造等学说的发源地。因此,调查研究海底具有经济价值和科学意义。我们必须努力去探索海底奥秘,使其造福于人类。探索海底的主要手段是海洋地质调查,即利用地质、地球物理和地球化学等多种综合手段探测和查明海底地形、地质构造、沉积物、岩石和矿产资源分布状况。海洋地质调查与陆地地质调查不同的是,它必须借助海洋地质调查船来进行工作。
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