声纳立体探测:识得海底真面目

2013-09-12 13:06:16来源: 21ic 关键字:声纳  立体探测  分辨率
海洋是一个巨大的宝库,我国海洋油气资源丰富,是重要的能源后备基地。我国已发现的海上大型油气盆地几乎都位于与周边国家存在争议的边界附近;在我国传统海域内,每年外国掠走的石油达一千万吨,天然气达一百七十亿立方米。维护海洋权益,必须有高技术支撑。海洋高技术开发已迫在眉睫

为此,开发出一批技术含量高、具有自主知识产权的海洋资源开发关键技术,建立一批海洋高技术应用示范基地,造就一支高水平的科技队伍,初步形成我国海洋油气勘探开发高技术创新体系,缩短我国海洋资源勘探开发技术与世界先进水平的差距成了海洋资源开发技术主题的全体成员的努力目标。

海洋覆盖了地球表面的72%,平均深度为几千米,被称为地球资源的聚宝盆。可是由于观测条件和技术的限制,海洋深处仍是“犹抱琵琶半遮面”,并未清晰地展现在人类的眼前。

“由国家863计划‘资源与环境技术领域海洋资源开发技术主题’支持研制的高分辨率测深侧扫声纳系统,是一种新型的测量海洋深度的声学设备,能够同时获得高分辨率的海底地形和地貌。”11月4日,中国科学院声学研究所朱维庆研究员在接受记者采访时,介绍并透露了高分辨率测深侧扫声纳系统(HRBSSS)的最新研究进展。

“今年我们主要是进行拖曳系统的研制,并进行系统联调、湖试和海试,目前课题正按计划进行。”朱维庆说:“同时,该系统采用了新的合作机制,由中科院声学研究所和美国亚迪技术开发(上海)有限公司两家单位联合研制,中船重工集团船舶科学研究中心是协作单位。声纳的推广和产业化工作也在进一步推进。”

运行稳定:湖试初显成果

为了让记者更直观地了解工作机理,在海洋声学技术实验室里,课题负责人刘晓东博士演示了去年年底在浙江千岛湖的湖试结果。

记者在电脑上看到,当母船行驶到一处时,屏幕右侧就会随时呈现出颜色深浅不一的阴影和年轮般的等深线图,这就是深水底相应的地形地貌。

“以前利用传统技术了解海底世界,需要经验丰富的专家通过水底反射的数据,综合分析才能得出结论。而现在,略有常识的技术人员就能依此判断水底的沟壑、峭壁、巨石……”

刘晓东兴奋地说:“我们还可以把多条测线探测的结果进行拼图,这样就能获得一定区域完整的地形图和地貌图。”

据了解,在去年年底的这次声纳系统试验中,整个系统工作稳定可靠,声纳系统与传感器系统联合工作,实时获取深度数据和地貌数据,并经过处理软件后得到三维等深线图和地貌图,具备在复杂湖底进行工作的能力

测深侧扫:平面立体结合

“地形和地貌就好比两种照片。”刘晓东打了个比喻,地形就像一张立体照片,它能够反映海底深度,表现为等深线图;地貌则是张平面照片,可以理解为获得海底反向散射信号的声像,又被称为地貌图。

“我们研制系统的特点是能把两方面信息同时获得,而传统声纳多是分开获取的。即使有一种多波束测深声纳系统(MBSS)虽然可以同时产生等深线图和反向散射的声像,但它的分辨率较低,并且如果把它装在水下载体水下机器人,水下遥控潜水器和拖体)上,则工作频率越低,载体横截面的直径就越大,整个载体也就越大。”

刘晓东告诉记者,如果海深为4000米时,则需用约7000米的拖曳电缆拖在中继器上,再经由50米左右的中性拖缆拖着水下载体前进。拖体上装有声信标,母船上的远程超短基线定位声纳测出拖曳体的位置。拖体上的高精度压力传感器姿态传感器分别测出拖曳体离海面的距离和工作运行的姿态

高分辨率测深侧扫声纳就装在水下载体上,左右两侧各有一个由多个平行线阵构成的声纳阵,声纳阵向侧向发射声波后,海底的回波依时间的先后为声纳阵接收,再经电子分机处理,获得数千个测深点。

高分辨率:不再雾里看花

虽然人类早已用声纳技术探测海洋,但是人们并不能清晰地描绘海底的地形地貌,要害是分辨率不高!

常规测深侧扫声纳(BSSS)的分辨率优于传统的多波束测深声纳系统,它有两个或两个以上平行于载体长轴的线阵,所以作用距离远,可以在低频环境中工作,同时,还有分辨率高、声纳阵小、能耗小,更适宜于装在水下载体上等优点。

但是,常规测深侧扫声纳存在两个主要问题:一是正下方的测深精度相当差,二是不能测量从不同方向同时到达的回波,使得声纳不能在多途信号严重或者地形复杂的情况下使用。

从常规测深侧扫声纳(BSSS)发展而来的高分辨率测深侧扫声纳(HRBSSS),则很好地克服了上述两个问题。“我们建立了一套针对于高分辨率测深侧扫声纳的信号处理方法,称之为多子阵海底自动检测———子空间拟合法。使声纳能够有效区分不同方向同时到达的回波,区分海底回波和其他多途信号,还能自动检测和跟踪海底,使声纳能在存在多途信号和地形复杂的水域工作,明显提高了声纳的分辨率,增大了作用距离,增强了适用性,扩大了使用范围。”刘晓东说。

应用前景:加速资源开发

海洋控制着全球的气候和天气,操纵了全球的热传递和水循环,海底的沉积物保存了生物进化、大陆位置变化和过去的全球气候变化的记录,是认识地球的“百科全书”,最引人注目的是海底丰富的矿藏资源。

人类对海洋的探索一刻也没有停止过,世界各国利用二十世纪末的海洋高技术对海洋进行了资源勘探,已陆续发现了深海丰富的资源品种及其陆地上无法相比的储量,例如多金属结核、富钴结壳、热液硫化物、天然气水合物和深海生物基因等。我国已向联合国申请并获得了7.5万平方公里多金属结核区的开采权。国际海底管理局正在制定勘探开发富钴结壳与热液硫化物的规章制度,因此世界各国都在加紧研发高技术的装备,一等有关公约出台,以期捷足先登。

这些高技术装备用处的一部分就是对矿区特定海底场所(包括在黑烟冒出的热液处)详细测绘以及对富钴结壳矿区小范围的地形观察。此外,国内外海洋石油界的研究表明,由于对海底测量的精度不够,海底油管敷设不当,造成石油泄漏的影响远超过失事油轮产生的污染。所有这些都需要获得高分辨率的地形地貌。

朱维庆说,该声纳系统的出现,正好满足了海洋工程、海洋矿产资源开发和油田区域地形测量的需要,同时还可以应用于航道和港湾地形的测量、海底地形匹配导航系统等领域,而且它最适宜用于拖曳体、水下机器人、遥控潜水器、载人潜水器和船上。

关键字:声纳  立体探测  分辨率

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2013/0912/article_7819.html
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