第18卷第3期1999年9月
海洋技术
OCEAN T ECH NOLOGY
Vo1.18,No.3
Sept,1999
我国海洋探测技术五十年发展
的回顾与展望(二)
朱光文
(国家海洋局海洋技术研究所,天津300111)
摘要
今年是中华人民共和国成立五十周年。本文综述我国海洋探测技术五十年发展的主要成就,展望我国海洋探测高技术的近期发展。本文涉及的海洋探测技术包括:海洋环境自动观测技术、海洋遥感技术、水声技术、水下工程探测技术、海洋地质和地球物理勘探技术。
关键词:海洋探测技术成就展望
中图分类号:P71文献标识码:A
3水声技术
311概况
声波在海水中的传播特性显著优越于电磁波和可见光,因而水声探测成为水下遥测的主要手段和海洋高技术的主要研究领域。历史上的两次世界大战充分展示了水声技术在军事上的重要性,因而长期以来,除了助航和鱼探仪器外,水声技术的每一项进展都几乎限制在军事应用和军事保密范围内。随着海洋经济和海洋开发事业的发展,民用水声技术得到迅速的发展,成熟的军事水声技术逐渐向民用转移,促进了民用水声技术的发展。水声技术在海洋环境遥测、海洋资源探测、海底地形地貌的测绘、水下移动载体的导航和定位、水下多媒体通讯等方面都有广泛的应用。
50年代后期,我国一些高等院校和科研单位就开始研究海洋声学和水声技术,并着手培养这方面的专业人才,技术上处于仿制阶段。从60年代起逐步走上自力更生发展水声技术的道路。
60年代,以中国科学院声学研究所为主力,研究了极相关和数字多波束形成技术、以时间压缩相关器为基础的脉冲压缩技术等新技术,并研制了300多台(套)水声仪器。1965年,在国家科委海洋组主持下,提出了通过采用新材料、新元件、新工艺和新技术,实现水声仪器标准化、系列化、通用化和积木化的发展目标。
收稿日期:1999-01-12
2海洋技术第18卷
70年代,中国科学院声学所研制了全数字声呐,发展了FFT信号分析等多种声信号处理技术和设备,提高了声呐设备的多通道实时处理能力,并研制成自适应波束形成计算机,为设计实用声呐自适应波束形成设备创造了条件。同期,国家海洋局第三海洋研究所、中国科学院海洋所,中国科学院东海研究站等单位相继研制了声速仪、多普勒海流计、海底地貌仪、浅地层剖面仪及水声指令应答器等水声仪器设备的试验样机。
80年代以来,尤其是改革开发以来,随着换能器技术、计算机技术、微电子技术、快速数字信号处理技术及软件技术的发展,水声技术的各个方面都取得了很大进展,重点是地层剖面探测、高分辩率成像、高精度测深、多普勒测流、数据和图象传输及高精度定位。这期间,浅地层剖面仪和深地层剖面仪在技术上取得突破,发展成两种实用的地层剖面仪,而且在超浅水浅地层剖面探测技术方面处于国际领先水平。
80年代中期以后,重点配合水下机器人或潜器的研制任务,发展了具有导航、搜索、观测、识别及避碰功能的多功能声呐系统。在多波束测深和中浅海侧视声呐方面也取得了实质性的进展,研制了试验样机。在水下目标检测方面发展了成像声呐。水声导航定位和多媒体声通讯技术方面也有长足的进步。并先后研制了声学测波仪、声学海流计等多种海洋环境监测仪器设备。
为提高水声仪器设备的实时信号处理能力、测量精度、分辩率、作用距离及智能化水平,中国科学院声学所、哈尔滨工程大学、哈尔滨工业大学等单位对现代水声探测的一些关键技术进行了研究,在多波束形成技术、自适应技术、卡尔曼滤波技术、人工神经网络声图像目标识别技术、抗多途干扰技术、声图像解释和建摸技术、多媒体声信号传输技术及高速信号处理技术等方面都取得了不同程度的进展。
在换能器基阵及水听器研制方面也取得了较大进展,重点是研制小型、大功率、宽带发射换能器和小体积、高分辩率的水听器。研制了郎子万振子、复合棒/弯曲振动/弯张式等各种结构的换能器。高分子/压电陶瓷复合材料和新型压电高分子材料PVDF已应用于水听器的研制。PVDF薄膜水听器、复合材料水听器及光纤水听器等都取得不同程度的进展。
总体上看,国内水声技术,尤其是直接为海洋资源开发服务的水声技术和水声仪器设备与国外先进国家相比还有一定的差距,还缺少有市场竞争力的和实用可靠的水声高技术产品。合理规划,优势互补,重点发展,市场竞争,是水声技术发展应采取的技术政策。
312海底地形地貌和地层探测技术
对海洋深度的声探测基于回声测距原理。向海底传播的声脉冲遇到海底界面将产生反射,测得海底反射回波的到达时间t就可确定水深。地形探测实质上是测深。回声测深仪的最大贡献是在大洋水深调查中发现了世界大洋中部的洋中脊。国内以上海无线电22厂为主研制和生产了各种类型的回声测深仪,其中2202型万米测深仪在7kn航速时最大测深10000m,在测量深度1000m以上时其测深误差为?0.5%;测量深度100m以内时其测深误差为?1m;他们利用时变增益控制技术和声速修正方法,使回声测深仪具有海底地形地貌探测能力。测深精度和对地形的分辨力取决于测深仪的波束指向性、垂直分辩力、测深仪载体所处的实际水深和起伏修正及声速误差修正等因素。海底地形测绘精度取决于回声测深仪的测深精度。为了提高测深精度和垂向分辨力,解决指向性角与视场的矛盾,用于海底地形的精密测绘,60年代起,国外发展了多波束测深技术,并逐渐形成商品。
多波束测深系统给出的不是一点的水深,而是一条带的水深,提高了测量精度和测量效
率。高测量效率和宽测量范围是多波束测深系统的两大主要特征。多波束测深仪的收、发换能器通常布设于船底平面,构成T 型或 型线列阵,收、发线列阵形成相互正交的扇状指向性波束。测深系统的合成方向性是收、发方向性的乘积。由于合成波束照射的海底区域极窄,因而提高了地形探测的分辨力。早期使用的声呐是通过基阵机械旋转实现对海洋空间的搜索,称为探照灯式声呐。现代的声呐利用计算机技术和波束形成技术实现了空间预形成多波束。多波束系统为解决全向搜索提供了唯一的有效途径,解决了基阵指向性角与视场的矛盾,提高了测量分辨力、测深精度及测量效率。
80年代,中国科学院声学所研制了861型小型多波束测深声呐试验样机。圆片换能器的波束宽度为3b ,它在马达驱动下在某平面内扫描,在与航向垂直的平面内,在?45b 内,至少可测量30个水深点;声呐可有圆扫、扇扫和侧扫三种工作方式,最大工作水深300m,要求航速小于5kn,曾应用于港口、海上施工区的水下地形测量。/八五0期间,多波束条带测深技术列人国家重点科研项目。1997年,哈尔滨工程大学陈非凡等人研制成功了基于海底声波散射原理的多波束声呐条带测深系统,总开角126.87b ,波束总数48个,最大扫海宽度为工作水深的4倍,测深范围10~1000m,适于近海水下地形探测,已进行了一次海上试验。
90年代,为满足国内深海大洋锰结核调查和海洋国土海底地形精密测绘的需要,从国外引进了多波束测深系统,因而在多波束测深系统应用技术方面有很大的进步。美国的Seabeam 系统的典型指标为:波束开角2b @2b ,总开角120b ,波束数量122个,测深范围10~11000m,深度分辨率优于1m;横向扫描范围达水深的3.4倍,并且有船纵横摇和颠簸对换能器影响的补偿、声线弯曲补偿及边缘波束深度测量校正等功能。多波束系统的高分辨率、大扫描范围和功能很强的后处理软件,配合船上的高精度GPS 定位及航向和姿态测量仪器设备,进行高精度的海底地形和微地貌的测绘,进行准实时大比例尺的海底三维立体彩色拼图。军用的seabeam 系统波束开角达1b @1b ,总开角150b ,波束总数达151个。
国内在多波束测深技术方面与先进国家相比有较大差距,还未进入实用阶段,还未形成商品生产能力。
海底地貌的测量采用侧扫声呐,其测量原理是基于海底地物对入射波的后向散射。从60年代侧扫声呐问世以来,海底地形、地貌的测量就从测深仪所能完成的单线走航测量扩展到海底底面的测量。侧扫声呐能直观地提供海底地貌声图像,在海底测绘、工程地质勘探、海底电缆和输油管道铺设、港口航道疏浚、海底障碍物和沉积物探测方面都得到广泛的应用。由于侧扫声呐的探测能力与地貌图像质量有关,因而通常在曳航状态下工作,并且航高一般控制在h
[1/5R max ,其中R max 是侧扫声呐的最大探测斜距。
国内在80年代中期由华南工学院的林振镳等人研制成功SGP 型高分辨力侧扫声呐,其中SGP-3型侧扫声呐的工作频率为190kH z 和160kHz,系统包括主机、电视图象处理单元、数字化记录器、磁带记录仪和拖鱼,作用距离最大400m(分档),采用乘积阵和加法阵两种处理方法便于波束变换。测量结果由电视屏幕实时显示和磁带记录及计算机处理。系统曾应用于中日海底电缆铺设、过江管道工程勘测、东海和南海地质调查及挖泥船丢失耙头的搜索。1986年曾安装在5海人1号6水下机器人上,用于目标搜索和定位。南海试验表明,系统可清晰显示机器人两侧100m 范围的海底地貌。1996年,中国科学院声学所魏建江等人研制成功了CS-1型侧扫声呐系统,其特点是:信噪比高,作用距离远,声图清晰,同时记录航行参数,采用可读写光盘存储数据。作用距离指标超过所有同类双频侧扫声呐指标,进入世界同类产品先进行3 第3期 我国海洋探测技术五十年发展的回顾与展望(二)
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列。仪器最大工作水深300m,作用距离2@500m或2@100m(500kHz),测高频率200kHz。国内目前深海大洋调查用侧扫声呐依靠进口。
地层剖面探测基于声波穿透地层剖面后的反射和散射特性。反射特性用于确定地层剖面的分层结构;散射特性用于反演地层介质的物理性质。目前主要用取样分析和仪器测量相结合的方法确定介质的物理性质,利用经验公式确定分层的厚度。穿透深度和分辨力是技术上要解决的一对矛盾。地层剖面仪广泛应用于水下工程底质和地质环境的调查和勘测。
80年代中期,中国科学院声学所东海研究站张叔英、华乐荪等人研制成功DDC1-1和GPY两种型号的地层剖面仪。DDC-1型地层剖面仪适用于大陆架和深海大洋区的地质环境调查,地层穿透深度1000m以上,地层分辩率10~30m。1984年,中国科学院东海研究站与国家海洋局第二海洋研究所合作,开展大洋锰结核调查,利用DDC-1型地层剖面仪在太平洋实测,首次探测到6700m深的环球海沟,而且发现沟底沉积厚度达500m,引起海洋沉积专家的高度重视。GPY用于浅地层剖面探测,其特点是:在工作频带内指向性好,后辐射小,隔抗性能优良,发射余响短。对地层最大穿透达90m,可分辨地层厚度为0.1~0.3m,工作水深2~ 300m。该仪器曾成功地应用于太湖底质调查、长江底质调查、湛江港航道调查,其中在湛江港调查中为港口建设节省了约1.3亿元的/炸礁0费。GPY中应用的时变滤波技术和多次迭加技术是地层回波处理技术的新发展,具有独创性,而且在浅水浅地层剖面探测技术方面处于国际领先地位。
/八五0期间,中国科学院东海研究站研制成功了D&Z声参量多频海底测绘系统,适用于海底地形和海底表层地质构造的测绘及海底掩埋小目标和航道浮泥探测。张叔英等人提出了穷举搜索策略和模糊集两种建立专家系统的方法,可以根据地层剖面记录特征识别各类沉积物的类别,有相当高的置信度。同期,中国科学院东海研究站与交通部水运规划设计院合作,研制了PGS型中地层地质剖面仪。地层穿透深度:粗纱25~30m,淤泥100~400m;地层分辨率:表层0.15~0.30m,深处0.5~0.20m;工作水深:2~200m;工作频带:300H z~10kH z。该仪器特别适合于粗砂和砾石较厚的地层剖面探测,1991年10月通过国家鉴定和验收。1993年共完成剖面测线长700多km,是目前港口工程建设中较受欢迎的仪器,其声学系统的设计优于国际同类产品,声源部分出口芬兰。1993年由海军大连舰艇学院主编的/浅地层剖面仪声图集0通过技术鉴定。
1995年,中国科学院声学所陈洲等人研制成功脉冲压缩式浅地层剖面仪(PCSBP),又称CHIRP浅地层剖面仪。它能同时提高地层穿透深度和地层分辩率,其定量化测量特性特别适合于定量研究海底介质的各种特性,它可以与侧扫声呐协同作业。调频带宽:2.7~ 6.7kHz;脉冲宽度:5~40ms;分辨率:0.3m;最大地层穿透深度(软泥):50m;最大工作深度:6000m。PCSBP曾安装在/6000m无缆自治洋底探测系统0上,并在太平洋夏威夷附近海域成功地进行了深海试验,在5300m的深度上获得了高质量的浅剖声图,无/鬼影0和余振干扰。技术指标达到了国际先进水平,填补了该项技术的国内空白,其中宽带换能器的校准方法具有独创性。
深海大洋调查和我国专属经济区和大陆架调查和测绘通常都是综合性的调查,采用声学、光学及定位仪器组成船载测量系统和深海拖曳系统,并配上取样设备,同时作业,完成水深、地形、地貌、地层剖面及地质调查和测绘。但国内的仪器设备可靠性差,而且功能单一,不适于现代综合调查和勘测作业的需要。因此,国内市场对外开放以后,海洋调查和勘测仪器设备主要使用外国产品。中国大洋协会1995年从美国引进了深拖系统,包括侧扫声呐、浅地层剖面、深
海电视和深海照相。目前深拖系统的水下定位问题还没有很好解决。
在国家863计划/九五0期间设立的820主题中,/海底地形地貌和地质构造探测技术0列为820-01专题。其研究目标是:以多波束系统全覆盖探测技术、侧扫和视像技术、高精度差分GPS 技术为核心,形成地形地貌探测、高分辨侧扫、沉积层高分辨地震探测、双船地震探测及海底地震仪探测等技术集成,加之图形技术,自动成图技术、智能解释技术的开发,形成时空多维的海洋地学探查技术系列,为我国专属经济区和大陆架勘测提供成套高新技术,为海区划界提供重要依据。
313 海洋资源开发中的水声探测技术
水声技术在海洋渔业、海洋油气资源开发及海底锰结核资源勘查中有广泛的应用。几十年来,国内在这方面取得了不少的成就。
在水声助渔技术方面,50年代各种探鱼仪的广泛应用结束了单凭经验捕鱼生产的历史。探鱼仪的普遍使用是渔业生产时代变革的重要标志。在拖网渔业中,利用声探测设备调查渔业资源,掌握鱼群信息,发现可供捕捞的渔场,测定拖网的水下姿态和进网鱼量。卫星遥感技术的发展对确定大面积渔场和及时的渔汛预报起了重要作用,但捕捞作业还需要声学探鱼仪器的配合,而且海洋鱼群密度及生态规律的探测还要依靠水声技术。垂直鱼探仪、多波束水平探鱼声呐、回波积分式鱼量计等是声学探鱼的主要仪器设备。
50年代,主要从国外引进鱼探仪。60年代以后国内研制、生产和广泛应用鱼探仪。70年代以来,渔业机械仪器研究所、厦门水产电子厂、中国科学院声学研究所等单位先后研制和生产了TCG-500型大功率垂直鱼探仪、S-3型水平鱼探仪、STY-1型机械扫描声呐、YS-1型多波束渔用声呐和动窗显示式垂直鱼探仪。由上海无线电22厂定点生产的761型多波束渔用声呐主要用于围网渔船和拖网渔船。该声呐有12个波束,在90b 以内的扇面内对鱼群进行搜索、跟踪,并可测出鱼群的距离和运动方向。上海海洋渔业公司设计和生产的TCLC-201型彩色双频垂直探鱼仪已安装在多条渔轮上助渔作业,它能把回波信号强弱分成8个等级,用8种不同颜色来鉴别鱼群与浮游生物,显示鱼群的大小和密度,还可显示探测海域海底地形地貌。中船总715所有关人员对鱼探仪的作用距离预报方法进行了研究,提出了近期(1~2天)和长期(1年)作用距离预报方法,有一定的使用价值。
80年代初,中国水产科学研究院渔业工程研究所研制了水声遥测跟踪鱼类装置,用于研究鱼类回游和生态习性,与标志放流方法相比具有明显的经济优势,既经济又省时,他们利用该装置连续3年进行长江中华鲟和巩河水库四大家鱼跟踪试验,效果良好。80年代末黄海水产所利用/北斗0号船的Simrad EK400+Gd 回声探鱼一积分系统对黄海海区的沙丁鱼分布进行了系统的研究,得到很好的结果。Simrad 公司研制和生产的声学水生物资源评估系统在技术上处于国际领先水平,黄海水产所进行的应用研究,加深了国内对声学探鱼和鱼量统计技术的认识。国内在鱼群探测和积分鱼量计算技术方面与先进国家相比还有较大差距。
水声技术在海洋油气资源勘探和开发中有广泛的应用。在海洋油气资源开发中的应用主要有声学动态定位、井口重入、声波测井、沉物探测、油气平台结构件的无损检测及油气流量计量等方面。钻井船的声学动态定位主要采用短基线定位方法,在恶劣海况下实际动态定位精度可达钻井船所在水深的1%~2%。海上勘探和开采油气资源时,封存井口的重找和钻头准确地重入井口是一项关键技术,井口和钻头之间的定位精度在几十厘米以内,通常采用短基线和超短基线相结合的井口重入系统或井口重入声呐系统。重入声呐具有搜索、井口目标定位5 第3期 我国海洋探测技术五十年发展的回顾与展望(二)
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及钻头离井高度测量功能。声波测井仪用于连续测定整个井壁内部的地质构造。沉积物探测声呐用于油气勘探和开采作业过程失落或布放海底各类目标的寻找。利用水下构件缺陷变形时的声发射可以在材料和构件工作状态下完成动态无损检测和定位(声发射技术)。国内海洋油气钻探和开采技术及设备主要使用国外的技术和设备,因此,直接为油气资源开发服务的水声技术的应用研究工作做得不多。
在深海大洋矿产资源勘察中,要采用多波束测深系统、侧扫声呐、浅地层剖面仪、多频声探测系统、水下照相和电视摄像系统、取样设备及高精度差分定位系统等多种探测手段协同作业,才能取得好的效果。声学设备是大面积勘查的主要手段,现场取样和照相可以为声图象的定量解释提供依据。多频声探测系统(M BSP)在大面积锰结核勘查中发挥了重要作用。该系统由国家海洋局海洋技术研究所的廖云和等人提出频率参数设计,由美国雷声仪器公司研制,工作水深6000m,具备测深、深海浅地层剖面探测、锰结核粒径和覆盖率探测等多种功能,发射频率为3.5kH z、7kH z、12kH z、18kHz。1986年在北太平洋深海矿产资源勘查中试用,实测结果和取样结果对比,其符合率为75%。
314水声定位和目标探测
在水下定位技术面,发展了长基线、短基线和超短基的水下声定位系统,且均已在实际中应用。
80年代初,国家海洋局海洋技术研究所结合千米潜标测流系统的研制任务研制了声学应答释放器,开发了超短基线水下目标定位技术;随后结合渤海输油管线铺设任务开发了长基线水下声定位技术;在/七五0科技攻关任务中,结合4000m测流潜标系统任务,研制了ZQS1-1型超短基线水下声学定位系统,其作用距离大于5000m,工作水深4000m,测距准确度小于斜距的1%,测向准确度优于?5b,水下工作时间大于120天。80年代中后期,海军海洋测绘研究所与国家海洋局海洋技术研究所合作,研制成功了超短基线和长基线相结合的XDH-15型海洋大地测量水声定位系统,最大作用距离3400m,测距误差2~3m,测向误差优于?5b,检测概率>85%,该项成果获国家科技进步三等奖(1991)。同期,中国科学院声学研究所研制了OCEANO长基线系统和CDW-A超短基线定位声呐;哈尔滨船舶工程学院研制了长基线和短基线定位系统。北京大学吴明德等人用声速修正迭代算法对短基线双曲定位垂直水下定位仪进行分层修正,使定位精度提高到0.5m。
90年代初,哈尔滨工程大学田坦等人研制成功高精度水下高速运动体三维轨迹测量系统,不用稳定平台可修正基阵位置误差及其姿态,并利用同步信标,在导航定位中达到2.5%的测量精度。国家海洋局海洋技术研究所孙思萍等人与中船总710所合作,采用声学超短基线定位原理,研制了船用拖体水声跟踪三维定位系统,在舰船航速为7~12kn情况下,对水下拖体的跟踪定位精度优于?0.8b,最大作用距离1100m;目前该所郭纪捷等人正在研制深海3000m深拖系统的定位技术。
80年代中期以来,随着水下机器人和潜器技术的发展为机器人水下运动和作业所需要的导航、定位、搜索目标及通讯技术得到迅速发展。中国科学院声学所先后研制成功多种多功能声呐系统。1M831高分辨彩色图像声呐用于水下机器人引导搜索海底地貌、寻找水下目标;o采用高分辨谱估计、单片机控制扫描及自适应时变增益等技术,研制成多普勒三维测速声呐,测速精度0.2%~0.5%;?为中国第一艘无人无缆深海机器人/探索者0号研制了声学系统,使机器人具有搜索、观测、导航和水下信息传输功能。系统包括多普勒声呐、侧扫声呐和测
距声呐,采用声像压缩、解压技术和数字信号处理技术(DSP)实现了水下信息的快速传输,有独创性;?测深探潜仪,集测深、探潜、测冰和测波于一体,多台计算机协同工作,实现了数据的实时快速处理和声速梯度修正。?高分辨谐波图像声呐,具有导航、搜索、目标识别等功能,用基波声场解决目标的远距离搜索,以谐波声场解决目标的近距离识别。该声呐成像速度快、低噪、低磁、分辨率高,适于潜水器使用。
同期,哈尔滨工程大学水声研究所研制了一种实时水下声图像的获取、处理和自动识别系统。针对水下声图像存在的分辨率低、对比度差、边缘模糊不请、伴有强的噪声和混响等弱点,他们在硬、软件方面采取了一系列措施。系统的硬件由海蝙蝠图像声呐(SEABAT )、T MS320C30数字信号处理器、Tranputer 并行处理系统及微机等组成;软件部分采用Occam 语言和并行C 语言及现代数字图像处理和人工神经网络等高新算法。SEABAT 是一种目前世界上较先进的多波束实时成像声呐,视角90b ,量程200m 。该系统的工作频率为455kHz,距离测量精度为5cm,60个波束,水平接收波束宽度为1.5b (相对每一个波束而言)。该系统可以实时跟踪水下目标,实时处理声图像,并对目标进行分类和识别,用于水下目标的检测、定位、识别及海底资源的探测。该系统曾成功地应用于松花江沉船打捞任务。该所研制的移频(FS)水声遥控系统,采用移频编码技术,可有效抗多途对译码的影响,误码率接近0,1500m 以内解码率大于0.9,近距离大于0.96。
/九五0期间,/合成孔径声呐成像技术0列为国家863计划818-04专题,由中国科学院声学所和中船总715所共同承担。其目标是研究由船拖曳作业的合成孔径声呐(SAS)成像技术,用于高分辨率水下目标的探测。其技术指标为:作用距离大于400m,分辩率[10cm,换能器工作深度[250m,拖曳速度\1.5m/s 。
在水声工程技术研究方面,数字多波束形成技术、声图像解释和建摸技术、自适应技术、卡尔曼滤波技术、人工神经网络声像目标识别技术、图像和数据传输技术等方面都取得了较大的进展。
中国科学院声学研究所在研究时域数字多波束形成技术中,综合应用并行流水线、数字滤波、升采样、最优加权等技术,得到高精度延时补偿;在声像解释和建摸技术研究中,提出了若干新的水声图像处理方法,并针对无缆水下机器人的具体要求,研制了声图像处理系统,具有声图像压缩和障碍物识别等功能。
哈尔滨工程大学研究了水下智能机器人的视觉信息处理和理解技术,开发了适合于声图像特点的数字形态学图像处理和人工神经网络声图像目标识别等技术,用于实时高分辨声图像获取、识别与跟踪;在水下声图像传输技术研究中,设计了有特色的编码、解码、纠错码技术,实现了声图像的长距离传输;他们发展了patternk 编码技术,使水声通讯、导航、定位遥测系统能在复杂海洋环境下工作,不受海洋多途干扰的困扰,通信速率达到350bit/s,误码率达10-4
,作用距离比传统技术提高30%,达数十公里;船载跟踪定位中采用分裂阵自适应技术,使距离提高到10km,精度6%~1%。
青岛海洋大学用移频数字编码技术研制成/声码指令器0,使水下声学应答释放系统更加安全可靠。厦门大学研究M FSK 数字相关)互相关积累技术,使25n mile 内的水下通信误码率达到2%。
在国家自然科学基金和863相关项目的支持下,有关单位在水下多媒体通信方面取得了较大进展。水声遥测的数据传输速率已达到1.6kbit/s,在水深8~20m 的浅海声信道中传输7 第3期 我国海洋探测技术五十年发展的回顾与展望(二)
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距离达到8km;数字语音通讯的速率达到12Kbit/s,最远通讯距离达到10km,语音清晰;视频图像传输速率为6Kbit/s,最远传输距离达到10km;水声通讯机的信息传送速率达到1200bit/ s,误码率10-4,工作距离24km。
4水下工程探测技术
411概况
本节论述直接为海洋水下工程服务的各种海洋探测、探查、救助、打捞、安装、铺设、维修、排障等方面的水下工程探测技术的进展和成就,不涉及海洋开发本身的水下工程技术的进展和成就,例如不涉及海洋油气钻探和开采本身的平台建造、钻井、采油及水下运输方面的技术进步和成就。潜水器或水下机器人作业系统和饱和潜水技术是当前水下工程探测技术的研究重点和今后水下工程探测技术的主要发展方向。由于直接潜水和常压潜水在军事和海洋资源开发中的重要性,各国都在积极发展潜水技术。军事需要和海洋资源开发推动了海洋水下工程探测技术的发展。我国70年代初开始潜水器技术的研究,70年代末开始饱和潜水技术的研究。几十年来在水下工程探测技术方面取得了很多成就。
在潜水器方面,中国科学院沈阳自动化研究所、上海交通大学、中国船舶工业总公司下属的研究所和企业相互合作,先后研制了救生、打捞和观察等不同类型的潜水器。具有时代特征的标志性成就主要有:11986年6月研制成功的能与失事潜艇对接并实现人员和物资干转移的救生型潜水器;o1987年9月研制成功的海人一号无人遥控潜水器(ROV);?1995年8月研制成功的最大工作水深6000m的无缆自治水下机器人。
目前,我国有载人潜水器5艘,无人有缆潜水器(ROV)10艘,无人无缆潜水器(AUV)2艘。潜水器技术总体上达到国际90年代初的水平。
在饱和潜水方面,交通部、石油部海洋水下工程科学研究院、交通部上海海上救助打捞局和海军医学研究所等单位先后开展了饱和潜水技术的研究和水下作业系统的研究。国内已有300m的船用饱和潜水系统,有500m和300m两种室内饱和潜水和巡回潜水模拟试验设备。
华中理工大学、哈尔滨工程大学、哈尔滨工业大学等单位开展了智能机械手、海水动力系统及水下作业系统的技术研究和工程试验。
在上海、大连等地已建设具有国际水平的水下工程环境条件模拟实验室。促进了水下工程技术的发展。
总体上看,50年来,以潜水器为代表的水下工程技术取得了很大进步,进入了世界先进行列,基本满足国内水下工程的实际需要,但从水下工程技术的国际市场看,我国的水下工程技术和高技术产品还缺乏国际市场竟争力。
412潜水器技术
潜水器是可移动水下探测和水下作业工程装备的统称,通常包括载人潜水器、有缆与无缆无人遥控潜水器和机器人、单人常压潜水服和潜水作业系统。潜水器可以在水下和海洋深处直接进行海洋探测、观测、取样及工程作业,因而在海洋探测和海洋工程技术中发挥了重要作用,潜水器技术成为海洋高技术的重要领域和主要研究方向之一。
潜水器所能完成的任务包括:直接进行海洋生物、物理、化学和地质等科学考察活动;勘测
海底地形、地貌和采集海底样品;支援海洋油气的勘探、开采、输送和储存等水下工程;铺设、安装、保养和维修水下管路和线缆;检测和排除水下仪器设备的故障;潜艇救生和其他军事用途。潜水器本身实际上是一种水下活动平台,只有安装或携带各种器具时才能完成相应的任务,潜水器本身的定位、通讯等还需要得到母船的支持。
1971年我国开始潜水器的研制。上海交通大学朱继樊等人与武昌造船厂等单位合作研制深潜救生潜水器。这类潜水器在国际上属于第四代潜水器,不仅具有潜水员水下出入的能力,而且还可以在水下与潜艇或其它水下结构物对接,进行人员或物资的干转移。美国1964年开始研制这种潜水器,耗资4亿多美元,1979年5月完成了人类历史上第一次两艘潜艇水下对接;日本1986年1月完成了这种潜水器的海上试验,干转移了两名人员。因此,我国潜水器的研制虽然起步晚,但起点很高。1986年6月,我国第一艘救生潜水器研制成功,并在南海水域完成了水下与一艘坐沉海底的/失事0潜艇的对接试验,将人员从/失事0潜艇通过对接裙在常压下干转移到深潜救生艇内,然后安全送到水面母船,从而创造了我国潜水艇下潜深度600m 的新记录,并标志着我国深潜技术已跨入世界先进行列,成为世界上极少数几个掌握潜艇水下对接技术并实现人员干转移的国家之一。该项成果荣获1989年度国家科技进步一等奖。该艇全长15m,排水量35t,艇员4人,水下最大航速4kn;艇上装有水下电视、声成像声呐、定位声呐及机械手等装备,能兼作海洋调查和海底勘探;每次对接可救生22人,200m 水深以内可以开舱湿救6名人员。同期,中船总710所与武昌造船厂合作,建造了为鱼雷试验场打捞沉雷用的专用载人潜水器,潜深150m,装备专用机械手。
1987年9月,中国科学院沈阳自动化所、上海交通大学等单位合作研制的我国第一艘无人遥控潜水器/海人一号0(HR01)通过中国科学院主持的技术鉴定。HR01进行了两次海上试验,下潜深度199m 。该潜水器总长2.7m,空气中重量2100kg,设计最大工作水深200m,通过脐带电缆输送信息和动力,有4个以液压为动力源的推进器,可以无级调速以控制潜水器运动;潜水器装有水下电视、机械手和定位声呐等设备,可以进行水下观测和简单水下作业。HR01的研制成功证明了我国已基本掌握设计和制造无人遥控潜水器(ROV)的技术。
1985年,国家经委投资,在上海交通大学建立/无人遥控潜水器0研究和发展中心,并着手研制为海上油气开采用的作业型ROV 。为提高研制工作起点和直接参加南海石油开发作业的投标,上海交通大学与加拿大国际潜水工程公司合作,共同设计和研制了SJT-10型和SJT -40型作业ROV 及SJT -5型观测用袖珍型ROV 。SJT-40潜水器长2.1m ,空气中自重1100kg,工作深度400m,前进速度大于3kn,横向速度不小于1.2kn,在水下具有自动定深和定航向能力,装有多功能机械手,配有水声定位系统和微光电视等设备。该潜器1987年6月交付使用,在南海石油平台水下作业一年多,完成了很多高难作业,受到中、外石油公司的高度评价。SJT-5型ROV 在空气中重量仅12kg ,工作水深150m,装有彩色水下摄象机。同期,上海交通大学为水利电力部海河水利委员会研制了水库大坝检查专用ROV,工作水深60m,可在水上对监测目标进行监视或录像。
1989年,中船总武汉船舶设计研究所与武昌造船厂等单位合作,研制成功多功能载人潜水器/鱼鹰1号0。该潜水器具有水下探测和打捞、水下钻探、平台维修、电缆铺设等功能,在母船牵引下作业,工作深度160m,水下自持力72h 。该潜水器填补了国内多功能潜器的空白。同期,中国科学院沈阳自动化研究所研制成功Recon-IV-SLA 型ROV 和/金鱼0号系列水下机器人(AUV)。其中Recon-IV-SLA 型ROV 装备彩色和黑白电视摄像机、数字磁罗盘、9 第3期 我国海洋探测技术五十年发展的回顾与展望(二)
10海洋技术第18卷
作用距离100m的成像声呐、多自由度的机械手等探测仪器设备。/金鱼0号水下机器人几何尺寸仅150mm@500mm@485mm,主要用于水下摄影、调查、生物考察、构造物检查及辅助水下捕捞和潜水员作业,也可应用于水产养殖。
1994年,中国科学院沈阳自动化研究所、中国船舶工业总公司、上海交通大学等单位合作,以蒋新松为首席,在国家863计划自动化领域经费支持下,研制成功我国第一台无缆水下机器人/探索者0号(AE1000)。该机器人工作深度为1000m,活动半径12n m ile,续航力6h,最大前进速度4kn,巡航速度2kn,可对水下失事目标进行观察、拍照和录象,能自动回避障碍,有水声通讯能力,可将数据和图像无线传输至水面监控平台;水下信息系统由水声设备控制单元、自动驾驶单元和控制单元组成,水上水下的通讯由水声通讯机完成,传输速率4800bit/s。该项研究达到水下机器人(AUV)90年代初的国际先进水平。1995年8月,中国科学院沈阳自动化所与俄罗斯合作,研制成功我国第二台无缆水下机器人/CR-010号,并在太平洋水下5200m处进行了成功的深海试验。该机器人的工作深度达6000m,最大航速大于4kn,下潜速度大于0.5kn,续航力6h。该机器人的研制成功使我国具有除海沟以外的占全世界海洋97%面积的海域进行详细探测的能力。
同期,中船总702研究所、709研究所等单位合作研制成功/8A40型水下机器人。这是一台重型缆控作业水下机器人,工作深度600m,前进最大速度3kn,空气中自重1.84t,配有水下摄像机和成像声呐等探测设备,配有5自由度锚定机械手和6自由度主从式作业机械手及多种作业工具,应用于水下施工、海底管道铺设、沉物打捞、油气平台工程等水下作业。
由于人有无可比拟的智慧、精明的眼睛和灵巧的双手,因而由潜水员直接进入水下执行机械手难以胜任的复杂任务是必不可少的。目前世界上200m以浅的水下工程中85%的工作量是由潜水员来完成的。在有各种先进设备保证条件下,人类已至少能在450m以内进行水下安全作业,承担水下探摸调查、水下救援、打捞、标本采集、工程施工、设备安装、水下设施的安全性检测和维修、无人遥控潜水器的排障及解除水下羁绊等大量工程任务,在海况恶劣、水下能见度差、水下情况不明等复杂环境下,应变能力极强的优秀潜水员往往起到关键作用。因此直接潜水和单人常压潜水仍然是水下工程探测和水下工程作业技术的重要发展方向。
单人常压潜水服亦属于潜水器范畴。它无需进行增压或减压可以迅速下水或出水,它也能方便地沿着通道或在海底行走,透明的头盔使潜水员具有清晰的能见度和广阔的视野,轻便的作业工具可以完成预定的观测、维修、救援及排障任务。80年代中期,广州救捞科学研究所研制成功一种钛质单人常压潜水服(KZF-1),它在空气中的自重为308kg,在水中为25kg,可下潜深度为300m。1987年5月在南海实验时,其载人下潜深度为121m。同期,中国船舶科学研究中心研制成功QSZ-1型单人常压潜水服,其最大工作深度是300m,总高度为2m,在空气中重487kg,在水中重28kg,由装在潜水服里的两套单独的呼吸系统提供生命支持,生命支持持续时间为36h,紧急呼吸时间为3h,设有两个通过脐带电缆的通讯通道。1991年,该中心与武汉机械厂合作,又研制成功QSZ-2型单人常压潜水服,高2.1m,重150kg,作业水深300m;装有4个垂直和水平推进器,既可在水下行走,也能在水中/遨游0;可以有人穿戴作业,也可无人作业。
在中国大洋协会资助下,长沙矿山机械研究所近年对深海采矿爬行式海底作业车进行了研究,并在行走底盘技术方面有所创新。
潜水器的发展与国民经济建设和国防建设的需要密切相关,潜水器属技术密集的高技术
研究范畴,它涉及机械、自动控制、计算机、人工智能、水声工程、机器人等多种技术领域,是现代多种高技术的有机集成和再创造,所以它的发展与国家的科技水平和工业基础密切相关。科技界和企业界的密切合作是潜水器技术发展的成功之路。集中优势力量,形成我国潜水器高技术产业,发展在国际市场上有竞争力的潜水器商品或技术,是今后发展的主要目标。413 直接潜水技术
直接潜水是指非常压潜水。按照潜水员在高气压下暴露的时间长短,它包括常规潜水和饱和潜水两大类。直接潜水技术包括潜水生物医学、潜水装具装备和水下作业技术三大部分。潜水生物医学研究的目标,是在保证潜水员安全条件下如何提高潜水深度和下潜速度、如何延长水下停留时间和缩短安全减压时间及如何快速诊断和治疗潜水疾病。潜水装具和潜水装备是直接为潜水员进入深水作业环境服务的各种安全保护和防范系统或器具。水下作业技术是潜水员直接产生作业效果或效率的各种器具、工艺和技术。
轻装饱和潜水是直接潜水技术的发展方向。对于轻装潜水,使用氧气的潜水深度不能超过10m;使用空气的不能超过40m ;使用氦氧混合气的一般不超过120m;配带面罩或头盔型潜水呼吸器及相应的加热潜水服,潜水深度目前可达500m 左右。直接潜水的主要障碍是高分压氮对人体的麻醉作用,因此潜水员出水前要缓慢减压。在饱和状态下,潜水员体内溶解的氮或氦气处于饱和状态,因而减压时间就不会随潜水员在水下停留时间的延长而增加,而且潜水员可以像鱼一样在一定深度范围内巡回潜水,因此轻装饱和潜水是直接潜水重点发展的高技术。
我国的饱和潜水技术研究起步于1977年。在军事需要、打捞日本沉船/阿波丸0号、海洋石油勘探开发等多种因素的推动下,海军、交通部、石油部及有关科研院校共同参与饱和潜水技术的研究。1977~1979年,有关单位联合进行了9批54人次的氮氧饱和潜水实验,其中最大饱和深度达50m,最长饱和时间达26天;进行深度50~75m 的空气巡潜263人次,其中反复巡潜97人次,并从实验室模拟过渡到实海试验,在南海64m 水深的海底最长巡潜时间达217m in,相当于常规潜水时间的8.7倍(同等深度)。巡潜试验的成功标志我国当时的氮氧饱和潜水的深度、饱和暴露时间及空气巡潜的时间和深度限等方面已跨入世界先进行列。
1988年,交通部、石油部海洋水下工程科学研究院与美国汉密尔顿研究所联合进行了25m 氮氧饱和和80m 氮氧巡回潜水实验,在饱和居住的5天时间内进行了15次50~75m 、总时间为23h 的空气巡潜试验,对发展中美合作饱和潜水技术研究、推进我国饱和潜水技术的进步起到积极作用,对我国近海大陆架救助打捞和资源开发有重要应用价值。
80年代中后期,交通部系统的一套300m 和一套250m 饱和潜水模拟舱群投入运行,并配备了国内研制的舱压氧分压计算机自控设备和氦气回收净化设备;研制了一套300m 潜水钟及配套的深潜水呼吸器头盔、面罩和加热式潜水服;海军医学研究所的500m 饱和潜水模拟舱群建成并投入运行。
1991年4月,交通部上海海上救助打捞局研制的我国第一套直接应用于海洋水下工程作业的船用300m 饱和潜水系统通过技术鉴定,它标志着我国深海饱和潜水技术已从陆上模拟试验阶段进入海洋开发的实用阶段。该系统由中、美两国合作设计,国产化率达60%左右,并获中国ZC 和美国ABS 认可证书。系统由水下运载舱、环境控制装置、生命维持装置、起吊设备、中央控制室、气体净化回收装置组成,该系统的建成提高了我国饱和潜水作业国际市场的竞争力。1995年,根据中美双边技术合作协议,中美科学家利用我国的300m 饱和潜水模拟舱11 第3期 我国海洋探测技术五十年发展的回顾与展望(二)
12海洋技术第18卷
进行了氮氧饱和)氦氮氧巡回的饱和潜水模拟实验。研究的主要内容是:(氦、氮、氧)三元混合气巡潜作业的安全时限;三元混合气巡潜需减压作业的减压停留站的深度及时间;三元混合气巡潜后的饱和减压程序,包括前期减压和主减压程序。实验结果表明,所选用的巡回潜水方案和饱和减压方案是安全实用的,可以应用于海上饱和潜水作业。
414水下作业技术和机具
无论是水下观测、探测,还是水下工程安装、维护、排障和打捞,仅仅有潜水器或饱和潜水员还是不行的,还必须要有相配套的和合适的水下作业技术和机具,才能实现预期的目标。现代水下作业系统是一个复杂的系统,除了活动平台以外,还有起视觉、听觉、感觉、触觉等功能的水下照相、水下电视、各种声呐和机械手,还有锯、钳、锤、焊等各种作业工具。
70年代初到80年代中期,上海交通大学、青岛海洋大学、电子部1411所等单位先后研制了水下激光电视,应用于水库、码头、桥墩及其它水下构造物的扫描检查,在东海打捞/阿波丸0沉船等海事活动中起了重要作用。中国科学院声学所研制了水下通讯机,在水深7m时,通话距离大于300m,最大使用深度60m,用于潜水作业。随后,交通部、石油部海洋水下工程科学研究院等单位先后研制了各种潜水作业或水下机器人作业的各种工具和作业水深300m以浅的便携式水下电视。
机械手是水下机器人(潜水器)必不可少的核心组成部分,在结构上通常为关节式,不包括手抓一般具有6个自由度。现有的水下机械手可分为速度控制型、位置跟踪型(主从操纵型)和带力反馈装置(FFB)型三种。早期的水下机械手都是速控型,完成简单的海底样品抓取作业所花的时间要比直接用手抓取多一百倍。实用水下机械手的局限性有三个方面:1水下机器人借助水下电视摄象机作业,就像用一只眼进行二维视野的观测,这种作业的协调配合与人的眼和手的配合相比其协调性要差得多;o机器人装置的两只机械手只能分别使用,不能像人那样两手同时协调配合作业;?多数机械手都没有感觉和触觉,抓取作业时其力不可控,对工作物有破坏性。陆用工业机器人直接完成简单的重复性作业是很方便的,而遥控水下机器人(ROV)使用主从式速控机器手,借助水下电视,实现远距离操作则非常困难,效率很低且不准确。一般主从式遥控机械手比示教再现式程控机械手的作业时间要长5~10倍,而不带力感装置的机械手比带力感装置的机械手作业时间要长一倍。因此,发展智能型水下机器人和智能型机械手是海洋高技术研究的重要内容。
华中理工大学、哈尔滨工程大学、哈尔滨工业大学等单位从事水下机械手的研制。1989年,华中理工大学研制成功我国第一只打捞机械手,并装备在国内研制的/鱼鹰-1号0多功能潜水器上,在试运行期间即已成功地完成3t多重失效鱼雷的打捞回收任务。90年代初,他们又研制成功工作水深600m的两种作业机械手(6自由度)和定位机械手(5自由度),主要特点是:作业能力强,举力/重量比大,抗冲击性能好,控制功能完善,使用方便。近年来该校又展开了海水液压水下作业机具的研制。1992年研制出国内首台单柱塞式海水泵样机;1996年研制出压力为6.3MPa、流量为100L/min的轴向柱塞式海水泵及相应的压力和流量控制阀等关键部件,为开发海水液压动力工具打下了良好基础。在国防科工委的资助下,哈尔滨工程大学研制成功SIWR-ò型水下机器人作业系统。该系统由水下作业机械手、作业工具库、工具自动换接系统及控制系统等部分组成。该项研究成果处于国内领先水平,在水下作业工具自行换接及自动工具库技术方面达到国际先进水平。
(未完待续)
Review and Prospect for the M arine Survey T echnology
Development in the Past 50Years of China
Zhu Guangw en
(I nstitute of Ocean T echnology ,T ianj in ,300111)
Abstract
T his year is the 50th anniversary of the founding of the People .s Republic of China.The main achievements of the marine survey technology development in the past 50years are re -view ed,and its near future is prospected in this paper.Some marine survey technologies are dis -cussed including automatic marine environmental observation,ocean remote sensing,marine a -coustics,underwater survey,g eological oceanography and g eophysics ex ploration.
Key words marine survey technology,review ,prospect
水下电视
在水下应用和重现水下景物影像的电视系统。主要由电视摄像机、水下照明灯、电视接收机、控制器、电缆等构成。电视摄像机和照明灯在水下,电视接收机和控制器安装在水上。水下环境复杂,通常需要的附属设备有深度计、方位指示器、声学测距仪等。按使用深度可分为浅海型和深海型两种,绝大多数是用于300m 以内的浅海型。按工作方式可分为轻便式、固定式、拖曳式和自航式等。水下电视是水下调查和观察的工具,在海洋工程、海洋科学研究及军事方面均广泛应用。在海洋工程方面,用于检查海洋开发设施和其他水下工程建筑的质量,对水下作业进行检查和控制,选择水下施工地点,以及进行水沉物搜索和打捞等。在海洋科学研究方面,用于考察海洋生物的生存状况和生活情况,调查海底地貌形态和地质结构,以及进行水下考古研究等。在军事方面,用于观察水下武器试验、防险救生、水下侦察、海道测量和舰船修造等。水下电视的首次应用,就是用于军事方面的。1947年美国在比基尼珊瑚岛上进行原子弹爆炸试验时,首次应用水下电视观察原子弹爆炸产生的冲击波对军舰的水下部分、水下军事工程建筑和海底表面的影响。13 第3期 我国海洋探测技术五十年发展的回顾与展望(二)
第七章海流观测 海水运动=乱流（湍流）+波动+潮流+常流 海水运动：如何加以区分？ 进行海流观测时，要按一定的时间间隔持续观测一昼夜或多昼夜，所得到的结果是常流和潮流运动的合成。对一昼夜或多昼夜获得的资料，经过计算，可将这两部分分离开来。水平方向周期性的流动称为潮流，其剩余部分称为常流、余流或通称为海流。 7.1 海流观测的意义 1、直接为国防、生产、海运、交通、渔业、建港等服务 2、海流影响区域海洋学和全球的气候 >海流决定营养盐分布（上升流） >海流对气候的变化有重要的影响 7.2 海流计简介 海流观测用到的仪器有： 机械旋浆式海流计、电磁海流计、声学多普勒海流计、光学式海流计、电阻式海流计、遮阻涡流海流计 1、机械旋浆式海流计 据旋浆叶片受水流推动的转数来确定流速，用磁盘确定流向。根据这类仪器记录部分的特点，大致可分为厄克曼型、印刷型、照相型、磁带记录型、遥测型、直读型、电传型等旋浆海流计 （1）厄克曼海流计 无水深限制，不能测弱流，不能连续观测 （2）印刷型海流计 能够记录一段时间内平均流速和瞬时流向 （3）照相型海流计 测量值记录在耐压壳内的胶上。胶卷一般用宽16mm，长15m，可记录6000幅图片，该仪器的测量深度为150m，自记工作时间达30天 （4）磁录式海流计 将测量数据以二进制编码方式记录在磁带上，磁盘，存储器，记录量大，观测时间长 （5）遥测海流计 双频道的无线电遥测装置，包括装在浮标上的传感器和装在船上或岸上的接收装置。流速与流向根据自记仪纸带上记录脉冲频率和相对位置而进行测定，适合短期现场实时观测 （6）直读式海流计 流速流向测量的电信号均经电缆传递到显示器。测量数据直观、材料整理方便、观测速度快、适合短期现场多层次观测，费用低 2、电磁海流计 包括： （1）电磁场电磁海流计（表层，深层） 优点：可以走航自记。水下部件结构简易，可靠性高。 缺点：由于它与地球垂直磁直强度有关，不能再赤道附近使用，只适用于地磁垂直强度大于0.1奥斯特的海区 （2）人造磁场电磁海流计 S4型的电磁海流计，其外形是球形，很好地解决了仪器倾斜对测流的影响，其主要特点是：精度高，测量值可靠，体积小，操作简便，无灵活部件，，对流场无影响 3、声学多普勒海流计
激光检测技术研究现状与发展趋势 提要：激光检测学科发展现状在光电检测领域，利用光的干涉、衍射和散射进行检测已经有很长的历史。由泰曼干涉仪到莫尔条纹，然后到散斑，再到全息干涉，出现了一个个干涉场，物理量（如位移、温度、压力、速度、折射率等）的测量不再需要单独测量，而是整个物理量场一起进行测量。自从激光出现以后，电子学领域的许多探测方法（如外差、相关、取样平均、光子计数等）被引入，使测量灵敏度和测量精度得到大大提高。用激光检测关键技术(激光干涉测量技术、激光共焦测量技术、激光三角测量技术)实现的激光干涉仪、激光位移传感器等，可以完成纳米级非接触测量。可以说，超精密加工技术将随着高精密激光检测技术的发展而发展；在此基础上，提出了激光测量需解决的关键技术及今后的发展方向。 1.测量原理 1.1激光测距原理 先由激光二极管对准目标发射激光脉冲。经目标反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器，因此它能检测极其微弱的光信号。记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间，即可测定目标距离。
1.2激光测位移原理 激光发射器通过镜头将可见红色激光射向被测物体表面，经物体反射的激光通过接收器镜头，被内部的CCD线性相机接收，根据不同的距离，CCD线性相机可以在不同的角度下“看见”这个光点。根据这个角度及已知的激光和相机之间的距离，数字信号处理器就能计算出传感器和被测物体之间的距离。 2.激光测量系统的应用 激光功率和能量是描述激光特性的两个基本参数，激光功率计和能量计是最常用的两类激光测量仪器。随着激光技术的不断发展，对激光测试技术和测量仪器提出了更高要求。由于调Q和锁模激光的出现和应用，要求测量的激光功率已从毫瓦、瓦、千瓦、兆瓦直到千兆瓦以上。激光能量也从毫焦尔逐渐跨过千焦尔。脉冲激光的持续时间也由毫秒、微秒、毫微秒、而缩短至微微秒量级。光谱范围也从紫外、可见、红外扩展到近毫米波段。激光精密测量和某些生物医学方面的研究和应用(如眼科治疗、细胞手术器等)的发展，对激光测量的精度也提出了非常高的要求。 2.1激光非球面检测技术 长期以来，非球面检测技术一直制约着非球面制造精度的提高，尤其对于高精度非球面的检测。规的非球面检测方法如刀口阴影法、激光数字干涉法及接触式光栅测量法等，对于检测工件表面来说都有一定的局限性。原子力显微镜是利用纳米级的探针固定在可灵敏操控的微米级尺度的弹性悬臂上，当针尖很靠近样品时，其顶端的原子与
海底探测技术调研报告 课程名称海洋地质概论 课程学期12-13第1学期 课程教师广雪徐继尚马妍妍 学生专业2010级信息与计算科学 学生文波 学生学号 1 2012年12月02日
海底探测技术调研报告 文波1摘要：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。海底探测技术汇集了各科领域的最高技术成果，它包括了调查平台、海上定位、海底地形探测、地球物理探测、海底取样、海底观测、遥感技术等几大类。一艘先进的海洋地质考察船实际上是一个综合海底探测系统。本文主要总结现代海底探测技术以及其分类，国外海底探测技术的对比，并进行总结分析。 关键字：调查平台科学考察船海上定位海底地形探测地球物理探测海底取样海底观测遥感技术 0引言 探索海底对人类而言是如此神秘而又诱人，只有发展了海底探测技术，这种渴望才能变成现实。人类对海底认识的每一次飞跃，都必然得到新技术和新方法的支持。回声探测技术的应用导致对海底认识的第一次飞跃；用于反潜作战的磁力仪改装成的海洋磁力仪之后，发展了海洋磁测技术，终于识别出洋中脊两侧互为镜像的线性地磁异常带，为海地扩找到了证据，吹响了地质学革命的号角；集现代石油钻探之大成及海洋定位与船舶稳定性于一体的深海钻探技术，全面证实了板块学说，保证了地学革命的成功；采用深海钻探技术和长柱状岩芯新技术，揭示了海洋沉积物中包含的丰富古海洋环境信息，导致了新兴的交叉学科----古海洋学的形成，成为世纪之交地球科学中最有活力的领域，是“全球变化研究”
的重要组成部分。 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。 1 调查平台 包括科学考察船、HOV、AUV、ROV等，这里主要介绍科考船。 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
海洋探测 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，探测石油资源的储量、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 （1）在海洋表面进行调查的科学考察船、月动浮标站； （2）在水下进行探测的各种潜水器； （3）在空中进行监测的飞机、卫星等。 科学考察船 海洋科学调查船担负着调杳海洋、研究海汁的责任，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、开藏等)、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，为匹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，就可得到海面混度的情况，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 潜水器 潜水器既是深海探测的土具，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。
?绪论 ?什么是海与洋? 海与洋的根本区别是什么？ ?海底地形可分为哪几个主要部分？ ?为什么说海洋是生命的摇篮，也是生命的源泉? ?什么是海洋技术?海洋技术包括的主要内容有哪些? ?为什么海洋开发中需要发展海洋高技术? ?到目前为止，人类对海洋的开发历经了哪几个阶段？ ?第一章 ?概括现代立体化海洋调查和探测技术的主要技术设备？?说明“挑战者”号海洋科学者察船所取得的重大意义？ ?阐述海洋调查船的主要特点？ ?阐述海洋调查船的类型及用途？ ?简述与调查船有关的技术及发展动向 ?海洋浮标的分类？ ?海洋浮标的技术组成？ ?海洋遥感技术包括哪几部分？各部分又分为哪几类？各有哪些特点？ ?遥感信息处理的目的和方法？ ?遥感技术在海洋中的应用有哪些？ ?第二章 ?高压潜水和常压潜水各有什么优缺点？ ?什么是常规潜水？什么是饱和潜水？
?什么是重潜水？什么是轻潜水？ ?什么是载人潜水器？什么是无人潜水器？ ?简述水下机器人及其作用？ ?简述无人有缆潜水器和无人无缆潜水器各有什么特点？?简述潜水员的减压病？ ?什么是水声技术？它包括哪些技术？ ?什么是声纳系统？它包括哪些内容？ ?简述主动声纳、被动声纳工作原理？ ?简述水声通讯技术？目前广泛应用的水下通讯设备有哪些？ ?简述海洋声层技术？ ?海洋仪器有哪几种分类方式？按照这些分类方式各分为哪几种？ ?简述海洋仪器的发展特点？ ?简述颠倒温度计工作原理？ ?第3~4章 ?简述油气形成的主要阶段？ ?海底矿产资源勘探方法中的间接方法主要包括哪些? ?海洋石油的储藏装置有哪些? ?海底矿产资源勘探方法中的直接方法主要有哪些?取样的方法有哪些? ?什么是干酪根?
题目：光电探测器的原理及国内外研究现状 学生姓名：学号： 院（系）：专业：
光电探测器的原理及国内外研究现状 摘要 概述了光电探测器的分类和基本原理，并从材料体系的选择和器件的主要应用等方面阐述了光电探测器国内外研究现状，预测了硅基雪崩光电探测器在军事和激光雷达等方向的应用前景。 关键词：光电探测器；硅基雪崩光电探测器；激光雷达 Principle and Research Statue at Home and Abroad of photoelectric detector Abstract Described the basic principle and assortment of the photoelectric detector. The domestic and abroad research statue from the aspects of material selection and device main applications is summarized. At last the application prospects of silicon-based avalanche photodetector are predicted, such as research on military and laser radar. Keywords: phoroelectric detector；silicon-based avalanche photodetector；laser radar
1 引言 光电探测器的发展历史比较悠久，已有上百年的研究历史。由于这种器件在军事和民用中的重要性，发展非常迅速。随着激光与红外技术的发展，材料性能的改进和制造工艺的不断完善，光电探测器朝这集成化的方向发展。这大大缩小体积、改善性能、降低成本。此外将光辐射探测器阵列与CCD 器件结合起来，可以实现信息的传输也可用于热成像领域。 因此，进一步研究光电探测器是一项重要课题，本文章就从原理及国内外最新的研究状况探索光电探测器领先应用。 2 光电探测器入门 2.1 光电探测器的发展历史 最早用来探测可见光辐射和红外辐射的光辐射探测器是热探测器。其中，热电偶早在1826年就已发明出来【1】。1880年又发明了金属薄膜测辐射计。1947年制成了金属氧化物热敏电阻测辐射热计。1947年又发明了气动探测器。经过多年的改进和发展，这些光辐射探测器日趋完善，性能也有了较大的改进和提高。但是，与光子探测器相比，这些光辐射探测器的探测率仍较低，时间常数也较大。从五十年代开始人们对热释电探测器进行了一系列研究工作，发现它具有许多独特的优点，因此近年来有关热释电探测器的研究工作特别活跃，发展异常迅速。热释电探测器的发展以使得热探测器这个领域大为改观，以致有人估计热释电技术将成为发展电子——光学工业的先导。 应用广泛的光子探测器，除了发展最早、技术上也最成熟、响应波长从紫光到近红外的光电倍增管以外，硅和锗材料制作的光电二极管、铅锡、Ⅲ～Ⅴ族化合物、锗掺杂等光辐射探测器，目前均已达到相当成熟的阶段，器主要性能已接近理论极限。 1970年以后又出现了一种利用光子牵引效应制成的光子牵引探测器。其主要用于CO 2 激光的探测。八十年代中期，出现了利用掺杂的GaAs/AlGaAs材料、基于导带跃迁的新型光探测器——量子阱探测器。这种器件工作于8～12μm波段，工作温度为77K。 2.2 光电探测的分类及原理 光电探测器能把光信号转换为电信号。根据器件对辐射响应的方式不同或者说器件工作的机理不同，光电探测器可分为两大类：一类是光子探测器；另一类是热探测器。 光电探测器的工作原理是基于光电效应【2】。热探测器是用探测元件吸收入射辐射而产生热、造成温升,并借助各种物理效应把温升转换成电量的原理而制成的器件。最常用的有温差电偶、测辐射热计、高莱管、热电探测器。一般来说，热探测器的接收元由于表面涂黑它的光谱响应是无选择性的，它只受透光窗口光谱透射特性的限制，因此主要应用于红外区和紫外区，但它的响应率较低、响应速度慢、机械强度低，近来由于热电探测器和薄膜器件的发展，上述缺点已有所改进。 光子型探测器，利用外光电效应制成的光子型探测器是真空电子器件，如光电管、光电倍增管和红外变像管等。这些器件都包含一个对光子敏感的光电阴极，当光子投射到光电阴极上时，光子可能被光电阴极中的电子吸收，获得足够大能量的电子能逸出光电阴极而成为自由的光电子。在光电管中，光电子在带正电的阳极的作用下运动，构成
1、平均海平面：一段时间里水位高度观测结果平均值的平静的理想海面，为水深0米的基面。 大地水准面：与平均海水面相合的特殊重力等位面。可被想象成延伸至陆地且在任何地方皆与重力线方向垂直。 深度基准面：又称为高程基准面。是地面点高程或海底点水深的统一起算面，通常以大地水准面作为高程基准面。对于一个国家来说，一般根据一个验潮站的潮汐资料所求得的平均海水面作为国家高程基准面。我国是使用青岛验潮站多年潮汐资料推求的平均海水面，作为中国高程基准面。优点是：陆地——近岸，测绘基面统一，测绘图中。地形相对高差与真实地形一致。缺点是：实际水深受潮汐、风浪等因素的影响，图示水深仅能作为航船参考使用。 理论深度基准面：为适应航海的需要，用于海图的深度基准面，是当地的理论最低潮面，短周期平均海平面。比国家高程基准低约2.4米。缺点：不能真实地反映地形高差；无法与陆地地形衔接 85国家高程基准：根据青岛验潮站1952年－1979年（28年）间19年的潮汐资料推求的平均海水面，作为新的中国高程基准面。水准原点高程：72.260米 海洋地质调查：海洋地貌、海洋沉积和海底构造调查的统称 海洋调查技术分类： 海上定位、表层取样和柱状取样、海底钻探， 水下电视和摄影、深潜装置观测， 测深、旁侧声纳扫描、浅地层剖面测量， 海洋重磁测量、海洋地震电缆测量和海底地热流测量等 海洋调查平台的种类：调查船、AUV、ROV、浮标、潜标 地质调查（geological survey） 泛指一切以地质现象（岩石、地层、构造、矿产、水文地质、地貌等）为对象，以地质学及其相关科学为指导，以观察研究为基础的调查工作。 海底地质调查 底质取样技术：海底表层取样、海底浅表取样、海底钻探取样 原位测试技术：从获取的方式来看，包括重力测量、地热测量、放射性测量 海底监测技术 海底探测技术：重力测量、磁力测量、电法勘探、地震勘探（海底声学探测）、地热测量、放射性测量 地震勘探技术：利用机械波在介质中传播性质的变化（速度、方向、强度）探知介质结构和性质的方法 声波勘探技术：利用声波在介质中传播性质的变化（速度、方向、强度）探知介质结构和性质的方法 反射系数：反射波振幅与入射波振幅的比值， R>0 －－－介质2的声阻抗>介质1的声阻抗 入射波与反射波的相位相同R<0 －－－介质2的声阻抗<介质1的声阻抗 入射波与反射波的相位相反声波的扩散反射： 2211 2211 Ar RAi V V R V V ρρ ρρ = - = +
海洋探测与调查课程教学大纲 课程代码：69121070 课程中文名称：海洋探测与调查 课程英文名称：Ocean Exploration and Survey 学分：3.0 周学时：2.5-1.0 面向对象： 预修要求：大学物理、高等数学、海洋技术导论、海洋实验技术 一、课程介绍 （一）中文简介 本课程旨在介绍在海洋探测与调查中常用仪器及方法。课程内容主要由四部分组成：（1）传感与测量基础知识和基本概念，（2）多种传感器的原理、信号转换及应用，（3）海洋调查的主要原理方法、仪器设备，（4）海洋调查数据的处理和分析方法。 （二）英文简介 The purpose of this course is to introduce knowledge on target detection and survey in ocean. The curriculum mainly consists of four parts: (1) basic knowledge and basic concepts on sensors and measurement, (2) working principles of different sensors, signal conversion and the applications, (3) main principles, apparatus, equipment for ocean hydrographic survey, (4) marine survey data processing and analysis. 二、教学目标 （一）学习目标 海洋探测与调查技术是海洋技术的重要组成部分，主要包括传感与检测技术、海洋调查方法两大方面内容。 传感与检测技术是自动化学科的重要组成部分。通过相关内容的学习，学生应该掌握工程检测中常用的传感器、以及运用这些传感器测量诸如压力、温度、位移、物位、转速和振动等参数的方法。在传感器技术方面具有一定的知识，了解工程检测中常用传感器的结构、
光电探测技术发展概况 学号：20121226465姓名：熊玉宝 摘要:本文扼要论述光电探测技术重要性，并简要地介绍了光电探测技术的几种主要方法及发展趋势。 关键词:光电；探测；技术 光电探测技术是根据被探测对象辐射或反射的光波的特征来探测和识别对象的一种技术，这种技术本身就赋予光电技术在军事应用中的四大优点，即看得更清、打得更准、反应更快和生存能力更强。 光电探测技术是现代战争中广泛使用的核心技术，它包括光电侦察、夜视、导航、制导、寻的、搜索、跟踪和识别多种功能。光电探测包括从紫外光（0.2～0.4μm）、可见光（0.4～0.7μm）、红外光（1～3μm，3～5μm，8～12μm）等多种波段的光信号的探测。 新一代光电探测技术及其智能化，将使相关武器获得更长的作用距离，更强的单目标/多目标探测和识别能力，从而实现更准确的打击和快速反应，在极小伤亡的情况下取得战争的主动权。同时使武器装备具有很强的自主决策能力，增强了对抗，反对抗和自身的生存能力。实际上，先进的光电探测技术已成为一个国家的军事实力的重要标志。 现代高技术战争的显著特点首先是信息战，而信息战中首要的任务是如何获取信息。谁获取更多信息，谁最早获取信息，谁就掌握信息战的主动权。光电探测正是获取信息的重要手段。微波雷达和光电子成像设备常常一起使用，互相取长补短，相辅相成，可以获取更多信息，可以更早获取信息。前者作用距离远，能全天候工作；后者分辨率高，识别能力和抗干扰能力强。无论侦察卫星、预警卫星、预警飞机还是无人侦察机往往同时装备合成孔径雷达和CCD相机、红外热像仪或多光谱相机。为改进对弹道导弹的预警能力，美国正在研制的天基红外系统（SBIRS）拟用双传感器方案，即一台宽视场扫描短波红外捕获传感器和一台窄视场凝视多色（中波/长波红外、长波红外/可见光）跟踪传感器，能捕获和跟踪弹道导弹从发射到再入大气的全过程。美国已经装备并正在不断改进的CR-135S眼镜蛇球预警机，采用可见光和中波红外像机，能精确测定420km外的导弹发射，确定发动机熄火点，计算出它的弹道和碰撞点。最近在上面加了一台远程激光测距机，其作用距离可达400km。美国海军也在为战区弹道导弹防御
论文题目： 光电技术在生物医学中的应用——现状与发展 学院 专业名称 班级学号 学生 2013年12月19日
摘要： 简要介绍光电技术在生物医学应用中的发展概况，从基因表达与蛋白质——蛋白质相互作用研究方面，重点讨论了生物分子光子技术的特点与优势，阐明基于分子光学标记的光学成像技术是重要的实时在体监测手段，最后简要讨论了医学光学成像技术在组织功能成像和脑功能成像中的应用原理。 关键词：光电技术，医学诊断与治疗，分子光子学，医学成像
1.生物医学光子学发展简介 光电技术在生物医学中的应用实质上就是生物医学光子学的研究畴。生物医学光子学是近年来受到国际光学界和生物医学界广泛关注的研究热点。在国际上一般称为生物医学光子学或生物医学光学。 光子学以量子为单位，研究能量的产生、探测、传输与信息处理。光子技术在生物与医学中的应用即定义为生物医学光子学，其相应产业涉及人类疾病的诊断、预防、监护、治疗以及保健、康复等。研究容包括:光子医学与光子生物学，X-射线成像，MRI ，PET等。近年来，生物医学光子学在生物活检、光动力治疗、细胞结构与功能检测、对基因表达规律的在体观测等问题上取得了可喜研究成果，目前正在从宏观到微观多层面上对大脑活动与功能进行研究。美国《科学》杂志在最近儿年已发表相关论文近20篇。随着光子学技术的发展，生物医学光子学将在多层次上对研究生物体特别是人体的结构、功能和其他生命现象产生重要影响。 在国际上已经成立了国际生物医学光学学会(International Biomedical Optics Society)，简称IBOS。IBOS每年与国际光学工程学会(SPIE)联合举办学术会议。国外 学术交流方面，作为生物医学工程和光学工程领域重要国际会议的“生物医学光学国际学术研讨会”(International BiomedicalOptics Symposium，简称BIOS)每年在美国和欧洲各举办一次。在国，国家自然科学基金委员会生命科学部与信息科学部联合发起并承办的全国光子生物学与光子医学学术研讨会已经举办了六届。在第六届学术会议上发表学术论文75篇，论文摘要27篇。 从光电技术(或光子技术)在生物医学中的应用现状可以看到，光子医学与光子生物学的研究和应用围是广泛而且深入的，并正在形成有特色的学科和产业。例如，由于生物超微弱发光与生物体的细胞分裂、细胞死亡、光合作用、生物氧化、解毒作用、肿瘤发生、细胞和细胞间的信息传递与功能调节等重要的生命过程有着密切的联系，基于生物超微弱发光的生物光子技术在肿瘤诊断、农业、环境监测、食品监测和药理研究等方面己经得到应用。 下面主要从生物分子光子技术和医学光学成像技术两个方面介绍当前的研究现状 与发展趋势。
国内外海底探测技术调查报告 摘要：海底探测对人类来说一直是一个巨大的挑战与机遇，从之前的单一的探测到如今的多元化多方法的高科技探测，都表明各国对海洋的重视，而对于海洋的探测汇集了各个领域最高的技术成果。对于海底探测来讲：海底地形探测海底取样海底观测遥感技术是比较关键的几个方面，一般先进的海洋地质考察船就是一个综合的海底探测系统。 关键字：调查平台科学考察船海底地形探测海底取样海底测量 引言：探索海底有着巨大的诱惑力，只有发展了海底探测技术，才能以此来从中获取我们能获得的利益。人类对海底认识的每一次飞跃，都必然得到新技术和新方法的支持。回声探测技术对于认识海底打开了新的一扇窗；海洋磁测技术，让人类终于识别出洋中脊两侧互为镜像的线性地磁异常带，为海地扩张找到了证据；深海钻探技术集现代石油钻探之大成，全面证实了板块学说，保证了地学革命的成功；采用深海钻探技术和长柱状岩芯新技术，揭示了海洋沉积物中包含的丰富古海洋环境信息，导致了新兴的交叉学科----古海洋学的形成，成为世纪之交地球科学中最有活力的领域，是“全球变化研究”的重要组成部分。 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。 1 海洋调查船 海洋科学调查船有着海上实验室，与海上调查平台等多种身份。海洋调查船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、
什么就是海与洋？二者的根本区别就是什么？ 海与洋就是地球上广大连续的咸水水体的总称。 海洋的中心主体部分称为洋,边缘附属部分称为海,海与洋彼此沟通组成统一的世界大洋。海就是各大洋的边缘区域,附属于各大洋。 海底地形可分为哪几个主要部分？ 按照海洋的深浅与海底起伏形态,海底地形大体上分为:大陆边缘、大洋盆地与大洋中脊。水下特殊环境有何主要特点？ 水下特殊环境主要有以下特点: 1、水中含氧量少 2、高压区域 3、黑暗世界 4、低温场所 5、动荡境地 6、水下通信困难 7、海洋仪器腐蚀或失效 什么就是海洋技术？海洋技术包括的主要内容有哪些？ 海洋技术就是一门主要研究为海洋科学调查与海洋开发提供一切手段与装备的新兴学科,就是当代最重大的新技术领域之一,几乎涉及当代所有的科学技术, 包括以下方面的内容: 海洋调查技术 海洋资源开发 海洋环境监测、预报与环境保护等三个主要方面的工具、仪器设备与方法 到目前为止,人类对海洋的开发历程经历了哪三个阶段？ 回顾历史,到目前为止,人类对海洋的开发历程大体上可分为三个阶段: 岸边原始开发阶段 对海洋资源进行广泛调查阶段 近代对海洋资源进行有计划的开发阶段。 现代海洋调查与探测技术包括哪些内容,有何特点。 海面:调查船、浮标站 海下:水声技术、潜水技术、水下实验室 空间:飞机与卫星遥感 构筑了一个立体化的调查探测网络 现代海洋调查与探测正在向海面、水下、空中与空间发展,出现立体化的调查趋势。 海洋资源开发技术主要包括哪些方面内容？ 包括海洋水产养殖技术,海洋油气开发技术,海底采矿技术,海水淡化技术,海洋能开发技术,海洋旅游资源开发技术,海洋生物、化学、药物资源开发技术。(来自百度百科) 什么叫海洋调查船？海洋调查船按调查任务来分有哪些类型？海洋调查船有哪些主要特点？ 海洋调查船:海洋调查最基本的运载工具,就是专门从事海洋科学调查的船只。它就是运载海洋科学工作者亲临现场,应用专门仪器设备直接观察海洋,采集样品与研究海洋的工具。 按照调查任务: 1、综合调查船 2、专业调查船 3、特种海洋调查船 海洋调查船的主要特点:
中国海洋大学本科生课程大纲 课程属性：公共基础/通识教育/学科基础/专业知识/工作技能，课程性质：必修、选修 一、课程介绍 1.课程描述： 海底探测技术是依托现代科学技术产品，实现海底信息获取的技术方法。该课程的讲授，可有效提高学生海洋调查的动手能力和独立科研能力。课程系统介绍了海底探测设备的工作原理、作业程序和工作方法。课程内容主要包括海底探测原理、海洋声学探测解译方法、探测解译范例剖析及方案设计3个组成部分。该课程的教学，为学生以后的教学实习和科研工作做好了探测方面的知识贮备。 2.设计思路： 本课程以获取海底信息的方法为主线，结合海洋地质知识，通过实际数据资料的处理与分析，以及作业方案的讨论与编制，使同学们将掌握的地质理论知识与探测方法联系起来，具备了其他实习和科研工作所需的探测方面的先期知识，再通过生产实习和毕业设计阶段的实际动手训练，可实现海底探测技术方法从理论到实际动手作业完整链条的教学训练。 3. 课程与其他课程的关系 先修课程：海洋地质学、GPS测量与数据处理。 后置课程：海洋地质调查与资料处理技术、海洋测绘与3S技术综合实习、多波束 - 5 -
处理软件实习、浅剖处理实习等。。 二、课程目标 通过学习，使学生了解海洋调查设备的结构、工作原理和操作，初步掌握海洋地质调查的工作方法和工作程序，掌握海洋声学调查资料的分析和处理原则，培养学生从事海洋地质调查和研究的实际动手工作能力，满足后续教学和科研实习对学生探测方面的知识需求。通过本课程教学，学生应具备如下能力： （1）、了解海底探测技术的应用领域和发展动态； （2）、掌握海底探测设备的工作原理和操作，提高海洋地质调查实际工作能力（3）、了解海底声学调查现场作业方法和工作程序，提高野外科考控制能力； （4）、初步掌握海底声学探测资料的处理和解译，提高地质考察科研和分析能力； （5）、初步掌握海洋地质调查和工程勘察技术方案的制定原则，提高解决海洋地质具体问题的能力。 三、学习要求 海底探测技术课程计是一门涉及到测绘学、地质学、地理学、海洋学和地震设备的多学科综合性的课程，要求学生在校期间应具有多方面的知识结构和较熟练的专业技能，而且要有一定的社会知识，只有这样才能制定出科学可行的技术方案和合理的工作预算，更好地满足社会对人才的需求。要达到以上学习目的，学生必须： （1）按时上课,上课认真听讲，积极参与课堂讨论、作业典型案例分析。本课程将包含较多课堂讨论和动手演练。 （2）收集实际工作资料，独立思考，保质保量的按时完成课下作业。 （3）根据个人学习计划，有针对性地提出问题，制定实施方案（甚至标书），不断 - 5 -
海洋资源与技术复习思考题及答案
什么是海与洋？二者的根本区别是什么？ 海和洋是地球上广大连续的咸水水体的总称。 海洋的中心主体部分称为洋，边缘附属部分称为海，海与洋彼此沟通组成统一的世界大洋。海是各大洋的边缘区域，附属于各大洋。 海底地形可分为哪几个主要部分？ 按照海洋的深浅和海底起伏形态，海底地形大体上分为：大陆边缘、大洋盆地和大洋中脊。 水下特殊环境有何主要特点？ 水下特殊环境主要有以下特点： 1.水中含氧量少 2.高压区域 3.黑暗世界 4.低温场所 5.动荡境地 6.水下通信困难 7.海洋仪器腐蚀或失效 什么是海洋技术？海洋技术包括的主要内容有哪些？ 海洋技术是一门主要研究为海洋科学调查和海洋开发提供一切手段与装备的新兴学科，是当代最重大的新技术领域之一，几乎涉及当代所有的科学技术，包括以下方面的内容： 海洋调查技术
海洋资源开发 海洋环境监测、预报和环境保护等三个主要方面的工具、仪器设备和方法 到目前为止，人类对海洋的开发历程经历了哪三个阶段？ 回顾历史，到目前为止，人类对海洋的开发历程大体上可分为三个阶段： 岸边原始开发阶段 对海洋资源进行广泛调查阶段 近代对海洋资源进行有计划的开发阶段。 现代海洋调查和探测技术包括哪些内容，有何特点。 海面：调查船、浮标站 海下：水声技术、潜水技术、水下实验室 空间：飞机和卫星遥感 构筑了一个立体化的调查探测网络 现代海洋调查和探测正在向海面、水下、空中和空间发展，出现立体化的调查趋势。 海洋资源开发技术主要包括哪些方面内容？ 包括海洋水产养殖技术，海洋油气开发技术，海底采矿技术，海水淡化技术，海洋能开发技术，海洋旅游资源开发技术，海洋生物、化学、药物资源开发技术。（来自百度百科） 什么叫海洋调查船？海洋调查船按调查任务来分有哪些类型？海洋调查船有哪些主要特点？
海洋技术概论复习资料 一、概括现代立体化海洋调查和探测技术的主要技术设备？ 1、在海面进行调查和探测的技术装备有调查船、浮标站； 2、从空中和空间进行调查和探测的技术装备有飞机、卫星； 3、在水下进行调查和探测的有潜水器、水下试验室和水声技术。 二、说明“挑战者”号海洋科学者察船所取得的重大意义？ 它第一次使用颠倒温度计测量了海洋深层的水温；在362个点上进行了生物标本的采集；测量了海底地形、地质；测量了环流、海水透明度、海洋动植物，分析了海水盐度；在大西洋中发现了锰结核。这次调查证明了人类对海洋知之甚少，它对近代海洋学的创立起了重要的作用。被称为近代海洋科学的“奠基性调查”。 三、阐述海洋调查船的主要特点？ (1)装备有执行考察任务所需要的专用仪器装置、起吊设备、工作甲板、研究实验室和能满足全船人员长期工作和生活需要的设施，有与任务相适应的续航力和自持能力。 (2)船体坚固，有良好的稳定性和抗浪性。 (3)具有良好的操纵性能和稳定的慢推进性能.海洋调查船只经济航速一般为12—15节，但常需使用主机额定低速以下的慢速进行测量和拖网。 (4)有准确可靠的导航定位系统.现代海洋调查船多装有以卫星定位为中心的组合导航定位系统。系统使用计算机控制，随时可以提供船位的经纬度，精确度一般为o．1海里，最佳可达o．4m。 (5)具有充足完备的供电能力。船上的电站要能满足工作、生活的电气化设备、精密仪器、计算机等所需要的电力和不同规格的稳压电源。 四、阐述海洋调查船的类型及用途？ 1、近海调查船：船体小、吃水浅、航区小、续航力低，只装备浅水调查用的仪器设备； 2、远洋调查船：船体大、吃水深、航区广、续航力长，装备着深水调查用的仪器
光电检测作为光学与电子学相结合而产生的一门新兴检测技术，主要包括光信息获取、光电变换、光信息测量以及测量信息的智能化处理等，具有精度高、速度快、距离远、容量大、非接触、寿命长、易于自动化和智能化等优点，在国民经济各行业中得到了迅猛的发展和广泛的应用，如光扫描、光跟踪测量，光纤测量，激光测量，红外测量，图像测量，微光、弱光测量等，是当前最主要和最具有潜力的光电信息技术。本文从光电检测技术本身特点出发，分析其发展现状及发展趋势。 一、光电检测技术的概述 光电检测技术是光学与电子学相结合而产生的一门新兴检测技术。它主要利用电子技术对光学信号进行检测，并进一步传递、储存、控制、计算和显示。光电检测技术从原理上讲可以检测一切能够影响光量和光特性的非电量。它可通过光学系统把待检测的非电量信息变换成为便于接受的光学信息，然后用光电探测器件将光学信息量变换成电量，并进一步经过电路放大、处理，以达到电信号输出的目的。然后采用电子学、信息论、计算机及物理学等方法分析噪声产生的原因和规律，以便于进行相应的电路改进，更好地研究被噪声淹没的微弱有用信号的特点与相关性，从而了解非电量的状态。微弱信号检测的目的是从强噪声中提取有用信号，同时提高测系统输出信号的信噪比。 光电检测的系统机构比较简单，分为信号的处理器，受光器，光源。在实际检测过程中，受光器在获得感知信号后，就会被反映为不同形状、颜色的信号，同时根据这些器件所处在的不同位置，就能够将他分为反射型与透过型的两种比较的模式。光电检测的媒介光应当是自然的光，例如白炽灯或者萤光灯。特别是随着这些技术的发展，光电技术也取得的非常好发展。由于投光器在发出光后，会以不一样的方式触摸这些被检测物中，直到照射到检测系统中的受光器中，同时受光器在此刺激下，会产生一定量的电流，这就是我们常说的光敏性的原件，实际生活中应用比较广泛的有三极管、二极管。 光电检测技术主要包括光电变换技术、光信息获取与光信息测量技术以及测量信息的光电处理技术等。光电检测技术将光学技术与电子技术相结合实现对各种量的测量，它具有高精度、高速度、远距离、大量程、非接触测量等特点。 二、光电检测技术的发展现状
国内外海底探测技术调研报告 摘要：21世纪是海洋开发和利用的时代。各国均加大了对海洋的关注和投资，深海探测技术得到迅速发展。空中的定位系统，海上的调查平台，各类探测仪器和设备领域取得一系列重大进展和新发现。本文将主要从大众关注的定位系统、海洋调查船、测深技术、钻探技术、深潜技术阐述，并对比国内外的发展状况。 关键词：深海探测技术；定位系统；海洋调查船；钻探技术；测深技术；深潜技术 1.海上定位系统 准确的导航定位对于建立海底地形、沉积物正确的空间关系和准确的动图是必不可少的。现今全球四大核心卫星导航系统分别是美国的GPS系统、欧洲的伽利略系统、俄罗斯的格洛纳斯系统以及中国的北斗导航系统。 美国的全球定位系统（Global Positioning System）简称GPS，是由美国陆海空三军于二十世纪七十年代联合研制的定位系统。它由24颗卫星组成（图1），军民两用。民用精度约为10米，军用精度为1米。不论任何时间，任何地点，至少有 4 颗以上的卫星出现在我们的上空。4颗卫星可以确定三维坐标，三颗卫星可以确定平面坐标。 俄罗斯的“格洛纳斯”系统，目前有24颗卫星正常工作，军民两用，组网时间比GPS 更早，由于苏联解体建设进度大大减慢。如今精度在10米左右，“格洛纳斯”系统完成全部卫星的部署后，其卫星导航范围可覆盖整个地球表面和近地空间，定位精度将达到1.5米以内。 欧洲的“伽利略”系统，中国于2003年参与投资研制。有30颗卫星组成，定位误差不超过1米，主要为民用。预计将会于2014年开始运作，但由于欧盟内部分歧与资金问题，完工时间尚不能确定。 中国的“北斗”系统，是中国自行研制的全球卫星定位与通信系统（BDS），是继美全球定位系统（GPS）和俄GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统。由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成（图2）。“北斗一号”精确度在10米之内，而“北斗二号”可以精确到“厘米”之内。2011年12月27日起，开始向中国及周边地区提供连续的导航定位和授时服务。2012年12月27日起，向亚太大部分地区正式提供连续无源定位、导航、授时等服务，然后逐步扩展为全球卫星导航系统。 可见，在定位方面，我国已经处于国际领先地位。 图1 GPS卫星系统图2 “北斗”系统 2.海上探测平台 海洋调查船是进行科学调查的平台和必要工具，它的建设、管理与一个国家海洋事业的
一、水下探测技术发展现状 光在水中传播，接收器接收的光信息主要由3 部分组成：从目标反射回来并经水介质光在水中传播，接收器接收的光信息主要由3 部分组成：从目标反射回来并经水介质吸收、散射损耗后的成像光束；光源与目标之间水介质散射的影响图像对比度的后向散射光；目标与接收器之间水介质散射较小角度并直接影响目标细节分辨率的前向散射光。与大气成像技术相比，水下成像技术的研究重点就是减小水介质所具有的强散射效应和快速吸收功率衰减特性对水下通信、成像、目标探测所造成的影响。目前主要有几种成像技术在实际中得到应用且达到较好的工作效果，它们的工作原理和技术特点如下所述。 1 同步扫描成像 同步扫描技术是扫描光束(连续激光)和接收视线的同步，利用的是水的后向散射光强相对中心轴迅速减小的原理。该技术采用准直光束点扫描和基于光电倍增管的高灵敏度探测器的窄视域跟踪接收。如图1，激光扫描装置器使用窄光束的连续激光器, 同时使用窄视场角的接收器, 探测器与激光扫描装置分开放置，这样使得被照明水体和接收器视场的交迭区域尽量减少, 从而让后向散射光尽量少地进入接收器中,再利用同步扫描技术, 逐个像素点探测来重建图像，有效地提高成像的信噪比和作用距离。 美国Westinghouse 公司为美国海军生产的一种机械同步扫描SM2000 型水下激光成像系统, 其成像距离是普通水下摄像机的3 ～5 倍，有效视场可达70°，在30m 作用距离上可分辨25mm
量级的图像。该系统的有效视场大约为距离选通技术的5 倍, 成像质量(即分辨率)也比距离选通好。 图1： 2、距离选通技术 距离选通技术是利用脉冲激光器和选通摄像机，以时间的先后分开不同距离上的散射光和目标的反射光，使由被观察目标反射回来的辐射脉冲刚好在摄像机选通工作的时间内到达摄像机并成像。如图2，采用脉冲激光源照明目标，接收端使用距离选通门，在照射的短脉宽激光的光从目标返回前，相机快门一直关闭，信号光抵达时，快门才打开，这样使得接收器几乎同时接收到整个视场内所有景物的反射光。在该系统中, 非常短的激光脉冲照射目标物体，照相机快门打开的时间相对于照射目标的激光发射时间有一定的延迟, 并且快门打开的时间很短, 在这段时间内, 探测器接收从目标返回的光束, 从而排除了大部分的后向散射光。 此种方法对解决由海水中的悬浮颗粒引起的后向散射问题很有力。系统的距离分辨率由激光脉冲宽度和探测器选通门宽度决定，宽
什么是海与洋？二者的根本区别是什么？ 海和洋是地球上广续的咸水水体的总称。 海洋的中心主体部分称为洋，边缘附属部分称为海，海与洋彼此沟通组成统一的世界大洋。海是各大洋的边缘区域，附属于各大洋。 海底地形可分为哪几个主要部分？ 按照海洋的深浅和海底起伏形态，海底地形大体上分为：大陆边缘、大洋盆地和大洋中脊。 水下特殊环境有何主要特点？ 水下特殊环境主要有以下特点： 1.水中含氧量少 2.高压区域 3.黑暗世界 4.低温场所 5.动荡境地 6.水下通信困难 7.海洋仪器腐蚀或失效 什么是海洋技术？海洋技术包括的主要容有哪些？ 海洋技术是一门主要研究为海洋科学调查和海洋开发提供一切手段与装备的新兴学科，是当代最重大的新技术领域之一，几乎涉及当代所有的科学技术，包括以下方面的容： 海洋调查技术 海洋资源开发 海洋环境监测、预报和环境保护等三个主要方面的工具、仪器设备和方法 到目前为止，人类对海洋的开发历程经历了哪三个阶段？ 回顾历史，到目前为止，人类对海洋的开发历程大体上可分为三个阶段： 岸边原始开发阶段 对海洋资源进行广泛调查阶段 近代对海洋资源进行有计划的开发阶段。 现代海洋调查和探测技术包括哪些容，有何特点。 海面：调查船、浮标站 海下：水声技术、潜水技术、水下实验室 空间：飞机和卫星遥感 构筑了一个立体化的调查探测网络 现代海洋调查和探测正在向海面、水下、空中和空间发展，出现立体化的调查趋势。 海洋资源开发技术主要包括哪些方面容？ 包括海洋水产养殖技术，海洋油气开发技术，海底采矿技术，海水淡化技术，海洋能开发技术，海洋旅游资源开发技术，海洋生物、化学、药物资源开发技术。（来自百度百科） 什么叫海洋调查船？海洋调查船按调查任务来分有哪些类型？海洋调查船有哪些主要特点？