來源：溪流之海洋人生公眾號（ID：xiliu92899），作者：路曉磊等。

海洋是人類資源的寶庫，蘊含豐富的海水、能源、礦產(chǎn)和生物等資源。人類在對海洋進行基礎研究、資源開發(fā)、工程建設和軍事行動等的過程中，通常需要獲取相應海域的海底信息作為基礎資料，而先進的海底探測技術裝備是快速和準確獲取海底信息的關鍵。海底探測技術裝備涉及范圍非常廣，包括聲學、光學、磁力、重力、地震、熱流、放射性觀測、原位觀測和鉆探觀測等以及拖網(wǎng)、抓斗、柱狀采樣器和箱式采樣器等。與可見光和電磁波相比，聲波在海水中的衰減更慢、傳播距離更遠，因此海底聲學探測是目前獲取海底信息最常用的方式之一。

一

海底聲學探測技術裝備

多波束測深聲吶、側掃聲吶、淺地層剖面儀和合成孔徑聲吶是近幾十年來快速發(fā)展的海底聲學探測高新技術裝備。

• 多波束測深聲吶：利用回聲測深原理探測水下深度和地形的裝備；與單波束測深聲吶相比，其探測面積更大，效率和精度更高。

  
  

• 側掃聲吶：工作原理與多波束測深聲吶相同，主要作用是探測海底地貌和水下目標物。主要優(yōu)點是探測面積大，且對特殊外形的水下目標識別能力強，廣泛應用于水下探測、路由調查和水下考古等領域。

  
  

• 淺地層剖面儀：利用聲波探測水下淺地層剖面結構和構造的裝備，主要應用于海底管線調查、海洋地質勘查、海洋工程建設和水下掩埋物探測等領域。

  
  

• 合成孔徑聲吶：新型的高分辨率水下成像聲吶，基本原理是利用小尺寸的聲基陣勻速直線運動來虛擬大孔徑基陣，從而提高橫向分辨率。與普通側掃聲吶相比，其主要優(yōu)點是分辨率與聲吶頻率和探測距離無關。

二

多波束測深聲吶

對多波束測深技術的研究始于20世紀60年代美國海軍的軍事科研項目，世界上首臺多波束測深聲吶誕生于20世紀70年代，是在回聲探測儀的基礎上發(fā)展起來的。多波束測深聲吶每次發(fā)射聲波都能獲得上百個海底被測點的水深數(shù)據(jù)，可快速和準確地繪制海底地形地貌圖。多波束測深技術將以前的點、線探測擴展到面探測，并進一步擴展到三維立體探測，大大促進了海底地形探測的效率和質量。

經(jīng)過近半個世紀的發(fā)展，多波束測深技術取得極大進展，其研發(fā)和應用都已達到很高的水準。目前世界較先進的多波束測深聲吶產(chǎn)品主要包括挪威Kongsberg公司的EM系列、德國L3ELAC公司的SeaBeam系列、丹麥Reson公司的Seabat系列、美國R2Sonic公司的SONIC 系列以及德國ATLAS公司的Fansweep系列和Hydrosweep系列等。

按照探測深度的不同，多波束測深聲吶可分為淺水型、中水型和深水型三種類型：

• 淺水型多波束測深聲吶：其物理尺寸一般較小，即使船只較小也能便于安裝。目前國際先進的淺水型多波束測深聲吶產(chǎn)品主要有Seabat7125、EM2040和SONIC2024等。國家海洋局北海海洋技術保障中心購置有2套Seabat7125，此外EM2040已配裝“向陽紅03”號科考船，SONIC2024已配裝“科學”號科考船。

• 中水型多波束測深聲吶：主流產(chǎn)品主要有EM710和EM712、SeaBeam3030和SeaBeam3050以及Seabat7160等，我國EM710已配裝“嘉庚”號科考船，EM712已配裝“東方紅3”號科考船。

• 深水型多波束測深聲吶：物理尺寸較大，主要有嵌入式安裝、貼裝（加裝導流罩）和Gondola安裝3種安裝方式。目前深水型多波束測深聲吶可選擇的產(chǎn)品不多，主流產(chǎn)品主要有EM122、Sea Beam3012、HydrosweepDS和Seabat7150等。我國EM122已配裝“向陽紅06”號、“向陽紅19”號、“嘉庚”號和“東方紅3”號等科考船，SeaBeam3012已配裝“向陽紅01”號、“向陽紅03”號和“科學”號等科考船。

我國多波束測深聲吶研究始于20世紀80年代中期，首臺實驗樣機由中國科學院聲學研究所和天津海洋測繪研究所于20世紀80年代末聯(lián)合研制成功，首臺聲吶產(chǎn)品由哈爾濱工程大學和天津海洋測繪研究所于1998年聯(lián)合研制成功。21世紀以來，在國家“863”計劃等項目的支持下，哈爾濱工程大學、中國科學院聲學研究所、中國船舶重工集團公司第715研究所和浙江大學等單位研究設計了多款樣機和產(chǎn)品。目前我國淺水型多波束測深聲吶已完成多款產(chǎn)品的研制，而深水型多波束測深聲吶還處于實驗樣機階段，未形成產(chǎn)品化。

多波束測深聲吶的發(fā)展趨勢主要包括：

• 通過研究和應用新技術和新算法，進一步提高精度和分辨率。如，相干聲吶技術已越來越受到科研單位和部分廠商的重視，HydrosweepDS 即利用了該技術。但目前業(yè)界對該技術還存在疑慮，國內也未有應用實例。

• 集海底地形探測、地貌探測、水體數(shù)據(jù)采集和底質分類等更多功能于一體。

• 在實現(xiàn)高精度和高分辨率的同時，進一步減小換能器的尺寸，實現(xiàn)裝備的小型化和集成化。

三

側掃聲吶

側掃聲吶技術的萌芽最早可追溯到“二戰(zhàn)”后期，于20世紀50年代開始民用。世界首臺側掃聲吶系統(tǒng)由英國海洋研究所于20世紀60年代研制成功，美國、法國和挪威等也陸續(xù)推出多款產(chǎn)品。目前世界較先進的側掃聲吶產(chǎn)品主要包括美國L3Klein公司的Klein系列（如Klein3900、Klein5000V2和Klein5900等）以及美國EdgeTech公司的EdgeTech4200-MP和EdgeTech4215P等。

按照換能器安裝位置的不同，側掃聲吶可分為船載型和拖體型兩種類型。

• 船載型側掃聲吶：換能器安裝于船體兩側，其掃幅較寬。

• 拖體型側掃聲吶：更為常見，按照拖體與海底之間的距離，其還可分為高位拖曳型和深拖型兩種。高位拖曳型的拖體距海面較近，拖曳作業(yè)速度快，航速可達8節(jié)；深拖型的拖體距海底較近，一般低速拖曳航行，但能獲得質量更高的聲學圖像，且目前一些深拖型側掃聲吶也可實現(xiàn)高速探測，如Klein5000型和Klein3000型航速10kn仍可獲取高質量的海底圖像數(shù)據(jù)。

我國側掃聲吶研究始于20世紀70～80年代，代表產(chǎn)品有華南理工大學的SGP型側掃聲吶和中國科學院聲學研究所的CS-1型側掃聲吶等。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，側掃聲吶技術已較成熟，但其有兩個缺點：

• 只能獲取海底相對起伏的數(shù)據(jù)，而無法獲取精確的水深數(shù)據(jù)；

• 橫向分辨率取決于聲吶基陣的尺寸。

基于此，側掃聲吶的發(fā)展趨勢主要包括：

• 發(fā)展測深側掃聲吶技術，以同時獲取精確的海底地貌和海底地形；

• 發(fā)展合成孔徑聲吶技術，以獲取更高分辨率的圖像。

四

淺地層剖面儀

淺地層剖面儀誕生于20世紀40年代，至60～70年代實現(xiàn)產(chǎn)品化。受限于當時的技術水平，其信號處理能力較弱、分辨率較低且無法自動成圖，只能將探測圖像繪制在熱敏記錄紙帶上，保存時間不長。20世紀90年代后，隨著電子、聲學、計算機和信號處理等技術的不斷突破，淺地層剖面儀在理論和實踐上都取得快速發(fā)展。

按照聲學換能器安裝位置的不同，淺地層剖面儀可分為船載型和拖體型兩種類型：

• 船載型淺地層剖面儀：產(chǎn)品主要有挪威Kongsberg公司的TOPAS PS18和美國Sy Qwest公司的Bathy2010。其中，TOPASPS18的性能和穩(wěn)定性在同類產(chǎn)品中較領先，可實現(xiàn)全海深探測，已配裝在我國“大洋一號”“向陽紅01”號、“向陽紅03”號、“向陽紅14”號、“嘉庚”號、“東方紅3”號和“科學”號等科考船，Bathy2010已配裝在“向陽紅09”號科考船。

• 拖體型淺地層剖面儀：產(chǎn)品主要有美國EdgeTech公司的EdgeTech3200XS和EdgeTech3100P、挪威Kongsberg公司的TOPAS120和TOPAS40以及Benthos公司的ChirpⅢ等。

我國淺地層剖面儀研究始于20世紀70年代，目前淺地層剖面儀技術已趨于成熟，國外的參量陣技術已發(fā)展到較高的程度，相關產(chǎn)品已經(jīng)市場檢驗，而國內相關技術和產(chǎn)品仍須進一步完善。

五

合成孔徑聲吶

合成孔徑技術最早起源于雷達成像領域，于20世紀60年代末進入聲吶領域。20世紀90年代前主要是理論探討和初步試驗階段，國際上只有少數(shù)研究機構進行了實驗研究；90年代后，合成孔徑聲吶研究成為水聲研究的熱點之一，歐洲、美國和新西蘭等先后研制出相關樣機和產(chǎn)品。目前典型產(chǎn)品主要包括法國IXBULE公司的Shadows、挪威FFI公司的Hisas、法國Thales公司的T-SAS和美國EdgeTech公司的4400SAS等，我國引進過2套Shadows合成孔徑聲吶。

我國合成孔徑聲吶研究始于20世紀90年代。在國家“863”計劃的支持下，中國科學院聲學研究所和中國船舶重工集團公司第715研究所于1997年聯(lián)合研制成功合成孔徑聲吶湖試樣機；2005年我國首部具有自主知識產(chǎn)權的合成孔徑聲吶海試成功。

目前國內處于領先地位的產(chǎn)品為蘇州桑泰海洋儀器公司的合成孔徑聲吶系列產(chǎn)品，相關技術已達到國際先進水平。目前合成孔徑聲吶技術仍是國際水聲高新技術研究的熱點之一，是成像聲吶的發(fā)展趨勢。但由于相關技術仍處于發(fā)展階段，系統(tǒng)復雜性較高，性能不夠穩(wěn)定，相關成熟產(chǎn)品還不多。

六

結  語

隨著科學技術的不斷進步，海底聲學探測技術裝備日新月異，產(chǎn)品性能已達到很高水平。國產(chǎn)技術裝備距世界先進水平仍有較大差距，主要表現(xiàn)為：

• 海底聲學探測技術裝備基本處于集成創(chuàng)新階段，核心關鍵技術研發(fā)落后，可靠性低于進口產(chǎn)品，只能主打低端市場；如全海深多波束等高端裝備全部依賴進口，遠洋科考船上配備的先進海底聲學探測裝備也以進口為主。

• 由于海洋技術裝備的研發(fā)周期長、需求有限、投資大且風險高，企業(yè)參與的積極性不高，主要研究機構為高校和研究院所，未形成需求驅動，產(chǎn)業(yè)化水平低，技術研發(fā)與市場機制未能有效結合，且用戶購買意愿低。
  

因此，提出三點建議：

• 以軍民融合為紐帶，突破關鍵技術及其集成，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，發(fā)展具有自主知識產(chǎn)權的高精尖海底聲學探測技術裝備；

• 圍繞海洋強國建設和“一帶一路”建設，制定國家層面的發(fā)展規(guī)劃，做好頂層設計；

•  積極推進產(chǎn)、學、研深度融合，以企業(yè)為主體，以市場為導向，大力扶持、培育和孵化海洋裝備高新技術中小型企業(yè)，發(fā)揮企業(yè)在成果轉化中的主體作用，通過給予政策支持和適當激勵，提高企業(yè)的積極性。