水声探测技术简介

水声探测技术简介

随着海洋开发的日益深入，用于水下探测的相关技术越来越受到人们的重视。水声探测的关键技术有水声换能器和信号处理。

水声遥控系统框架、应用情况，发展情况近年来,由于军事和海洋开发的要求，人们开始越来越重视水下通信系统的研究与开发。由于电磁波在水中传播时衰减严重。而声波是人类迄今为止已知的唯一能在水中远距离传播的能量形式，所以海洋中检测、通信、定位和导航主要利用声波。

水声换能器

水声换能器是把声能和电能进行相互转换器件。在声纳中的地位类似于无线电设备中天线，是在海水中发射和接收声波的声学系统。其中把声能转换为电能的换能器叫作接收器或水听器；把电能转换为声能的换能器叫作发射器。有些声纳用同一只换能器来发射和接收音拐—些则使用分开的发射器和水听器。通常按换能器的机理把水声换能器分为5类。

动圈换能器载有信号电流的环形线圈在磁铁的环形缝隙中的恒定磁场里运动，线圈的运动传到与外壳相连的膜片上向外部介质辐射声波这种换能器被广泛用作水下宽带校准声源。

静电换能器当在—个介电媒质分开的表面充以不同电荷时，将互相吸引而产生力，当电荷变化使力改变时，可以使与它相连的膜片运动从而向外辐射声波，静电换能器在空气中有广泛应用，如电容传声器。但在水声中应用很少。

可变磁阻换能器它是静电换能器的磁学类比改变通电线圈中的电流引起磁

板面间缝隙中力的变化产生膜片的振动从而幅射声波。

磁致伸缩换能器它最适合于在声阻抗较高的介质如海水中工作，在水声中广泛应用。

压电换能器它可以由真正的压电材料如石英，也可以是由已极化的电致伸缩材料制成，如特种陶瓷，目前用的较多的是钦酸钡错。

信号处理

随着信号处理技术的迅速发展，特别是以数字信号处理器及其相关算法为技术支撑的数字滤波技术的出现，使得信号滤波处理的性能得到了大幅度的提高。在水声信号处理器的研制中，采用厂针对性的自适应滤波模块，应用现代数字信

号处理技术和相应的软件算法对海洋环境条件下的水声信号进行处理，从而克服了海洋环境噪声、自噪声及干扰信号，增强了被测信号的有效性，并顺利实现了海洋复杂环境条件下水声信号处理功能。自适应系统最大的特点是具有时变和白动调整性能。它可以通过自身与外界环境的接触来改善自身对信号处理的性能，而无需知道信号的结构和信号的实际知识，假如—个自适应滤波器输入的仅为有用信号，它可以调整为一个全通滤波器；若输人为有用信号并掺杂噪声，则町自动调整为一个带通滤波器。海洋环境条件恶劣．海洋环境噪声和传感器的自噪声，使得水下声信道的信号变得十分复杂，在水声传感器使用中，往往很难获得水声信号的统计特性，自适应信号处理方法恰好为传感器性能的提高提供了条件。自适应信号处理方法恰好为传感器性能的提高提供了条件。自适应滤波技术在水声信号处理器中的应用，不仅解决了对已知信号的自动滤波和跟踪，系统结构也更为简化，动态性能大为改善，而且还缩短了信号的处理时间，使信号实时处理变为了现实。

水声探测技术的应用进展

水声探测技术在海洋观测和水下目标探测中占有很重要的地位，是实现水下目标遥测的主要手段，但以前偏重于军事应用。随着冷战时代的结束，大量军事应用水声技术转向民用，海洋声探测技术将会得到较快的发展。目前，国际上比较成熟或正在发展的海洋声探测技术是海流剖面测鐾技术、声成像技术、鱼群探测技术、声层析技术、声学多波束测深技术及声通讯技术。合成孔径声呐是利用接收基阵在拖曳过程中对海洋中目标反射信号的时间采样，经延时补偿构成目标的空问图像。它以小孔径的基阵获得大孔径基阵才具有的分辨率，国际上一直到1992年才在技术上有所突破，并且出现了被动和主动两种工作方式的合成孔径声呐，1995年完成了实验样机。作用距离达到400m，分辫率达到l0cm。国外目前的发展趋势是提高分辨牢和作用深度。声层析技术是美国人于1979年提出来的概念，其原理类似于医疗器械CT，它通过溯量声速传播的时间来计算传播路径上的平均温度，通过测冒声在双声线传播的时问差来测量上升流、通量、涡流等动力参数AT0C计划利用了声层析中的测温方法，可以监测两点之间万公里级距离内的温度平均变化，从而监测气候波动与温度渡动之间的相关关系。我国已经参加了AToC计划。这是目前国际上很热门的一项研究计划和实验技术。水下

声多媒体通讯技术在水下声图像、数据及语音通讯中有重要应用价值，是很有开发前景的高技术，关键要解决的问题是增加传输距离，提高图像的分辨率，降低误码率。国外正在研究100km级的声数据传输技术。目前6km左右的声数据传输技术已成熟，并已商品化，波特率为1200，国内已开展了一些研究，取得较好

的成果。

海洋环境要比陆地环境更为复杂、更为恶劣、更为多变。在海洋环境下作业将遇到盐雾、海水、高压、台风、大浪等恶劣环境的干扰，长时间工作的水下仪器设备还要受到海洋附着生物的污损，海上试验仪器设备还可能受到渔民的干扰。这些环境条件都为海洋观测技术的发展增加了很多的风险．也增加了很多的困难。一台经室内检测和试验非常优良的仪器设备，投入海上使用时，会因细小的水密不良或盐雾对接插件的腐蚀，使全套仪器功能损失殆尽，变为“废铜烂铁”或根本不能工作，而这套仪器有可能投入数百万元的巨资，因此发展海洋高技术要有良好的经济支撑能力，会有较大的风险。另外，海洋环境的多变性，也增加了海洋技术发展的难度。如卫星遥感在陆地环境和资源遥感探测中已发挥了重大作用，地理信息系统(GIS）也已获得较为广泛的应用，但卫星遥感在海洋环境和资源遥感探测中的资料利用率却相当低，要在海洋上建海洋地理信息系统也是相当困难的事。因此，对海洋环境的监测往往要求实时连续监测，以期能较为真实地反映海洋环境，这也增加了海洋观测技术发展的难度。

水声测深技术作为用于水下探测的一种重要技术，主要用来测量水中物体的位置及形态和对水下地形的描绘。

QinetiQ蛙人探测声纳

声波是目前人类所知唯一能在水下远距离传播的能量形式，声纳利用水声技术探测水下目标和水下通信，水声技术是各国海军进行水下监视使用的主要技术，用于对水下目标进行探测、分类、定位和跟踪;进行水下通信和导航，保障舰艇、反潜飞机和反潜直升机的战术机动和水中武器的使用。随着现代声纳技术的发展和进步，新一代声纳具有更先进的探测性能和更远的探测距离，一些高科技声纳还具有相当高的分辨率，能够识别蛙人和可疑水下航体。

条带测探仪测量图

在现代海洋高新技术的介入和支撑下，水下地形声学探测技术获得了迅速的发展，现已成为世界各海洋国家在海洋测绘方面的重要研究领域之一，在探索洋底地貌、海战保障、建设海洋工程、开发海洋资源、发展海洋科学、维护海洋权益等方面都发挥了极为重要的作用。其发展大体经历了经典回声测深、旁视声呐扫测、多换能器扫测、多波束测深、相干声呐测深五个阶段。

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。

中国“蛟龙”号深海载人潜水器

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所谓的蛙人（frogmen），就是担负着水下侦察、爆破和执行特殊作战任务的部队，因他们携带的装备中有形似青蛙脚形状的游泳工具，所以称之为“蛙人”。长时间在水下游动而戴着面罩、备有脚蹼、橡皮衣、氧气筒等担负特殊任务的两栖部队。

我国海岸线长约1.8万公里，沿海多是经济发达的大城市和重要的军事港口，港口及近岸防御的压力巨大。声波是目前人类所知唯一能在水下远距离传播的能量形式，声纳利用水声技术探测水下目标和水下通信，水声技术是各国海军进行水下监视使用的主要技术，用于对水下目标进行探测、分类、定位和跟踪;进行水下通信和导航，保障舰艇、反潜飞机和反潜直升机的战术机动和水中武器的使用。声纳有效抵御来自水下的恐怖份子的袭击。随着国家安全组织的要求和现代军事扩展包括防御恐怖份子的袭击和打击恐怖主义，发展了对于水下战斗蛙人的抵御研究。

随着现代声纳技术的发展和进步，新一代声纳具有更先进的探测性能和更远的探测距离，一些高科技声纳还具有相当高的分辨率，能够识别蛙人和可疑水下航体。国外目前已经开发出许多新型的蛙人探测声纳，这些声纳可用于探测蛙人和其它作用。

以色列开发出新型蛙人探测声纳

2005年7月，以色列开发出新型蛙人探测声纳(DDS)。DDS是目前世界上能远距离探测封闭式呼吸蛙人的可靠系统，可在强烈的海洋噪音和混响条件下保持预警能力。对携带封闭式呼吸装置的蛙人，DDS的最小探测距离达到700m;对于携带开放式呼吸器的蛙人，DDS探测距离达到1000—2000m;对于有动力系统的蛙人运载器(SDV)，DDS探测距离能够延伸到1400—2000m。

DDS系统是由水面和水下设备组成，以一台计算机作为指挥控制设备，通过铺设在海底的光纤连接到海岸线不同水域和距离上的多个声纳节点，这些节点大多隐藏在海底礁石或是港湾进出口。DDS系统采用了相对很低的工作频率(60kHz)和更大的阵列，且运用信号处理算法用于自动探测、跟踪和分类。DDS系统发射阵采用垂直线列阵，接收阵的结构为水平阵列，像一个十字架，且每两组阵列背向安装。该系统可选择五种配置方案，覆盖360度、270度、180度或90度扇面的固定设备，及360度扫描阵列系统。该系统的抗反射特性依靠的是在垂直和水平方向上很窄的波束、归一化处理、编码脉冲、垂直发射波束中较少的旁瓣，和一个声纳预报模式预报探测距离。该系统能自动跟踪20个目标，提供距离、方向、深度和多普勒速度数据。该系统采用先进的图像处理技术，跟踪数据可合成为一张图，在计算机控制台上显示。

英国蛙人探测系统

奎奈蒂克公司于2005年9月向英国国防部交付了蛙人探测系统(DRS)。DRS 系统具有探测和导航功能，可用于支持濒海和两栖作战、海滩搜索、港口警戒、蛙人探测、内陆水系调查、考古等。探测主传感器是一部前视高频(500kHz)电子扫描声呐。一般情况下该声纳能够在230m距离上探测到一个-25dB的目标。导航系统采用长基线主动声学发射方式。需要在适当的位置在海底固定2—4个声波发射机应答器(工作频率为40一80kHz)，来进行可靠定位。通过该技术，导航误差可以控制在0.5m。最大导航距离可达到1200m。

蛙人探测系统—“冥府守门狗360”

QinetiQ公司的蛙人探测系统—“冥府守门狗360”，该系统能自动探测、分类和跟踪水下威胁，该系统声纳单元功能很强，能够在500m范围内对蛙人进行探测。该系统利用一个独立单元就可以覆盖360度范围，这些声纳单元悬挂在船舷两侧为舰船提供保护。同样可把许多单元部署在海床上，形成一道警戒线，以保护海港和航道的安全。根据这种布放方式，使系统的侦察范围延伸到了1000m之外。该声纳通过收集有效的目标回波可以在水下500m距离内识别出人类所特有的胸腔。操作员能区分水下目标是潜在的蛙人恐怖分子还是相似大小的哺乳动物(如海狮和海豚)。

QinetiQ蛙人探测声纳

美国的C一TECH蛙人探测声纳

美国C一TECH公司推出的CSDS一85Omni警戒声纳是其第三代高性能图像声纳安装在港Ll或舰船上用于探测携带开式或闭式呼吸器的水下蛙人、运载器及小潜艇等小日标。其提供的技术指标为:探测距离最远可达2000m;水平个向探测也可扇区扫描;垂直窄波束并可以电子俯仰;系统频率80kHz，高分辨率波束形成，目标自动检测及报警。

国内蛙人探测设备研究情况

目前困内在蛙人探测方面还没有成型产品，仍处于研究阶段。TRONKA声纳由中乌双方共同研制，该系统己在乌克兰获得专利。该系统基本组成包括:传感器、声速剖面仪，绞车、电源、显示器等。传感器采用的是压电磁感应的;声速音lJ面仪是用来测量系统所在处的声速，并根据该声速值由绞车调节系统的位置，以便得到更好的测量效果。显示器上实时显示声纳获得的图像，井给出日标的位置、声速和声线图等数据，同时通过信号处理后对目标进

行分类识别，最后在显示器上给出目标类别。TRONKA声纳系统的组成如下图所示。该系统己经在2008年奥运会帆船帆板比赛中进行了运行，提供水下反恐监于空服务。

TRONKA声纳系统采用的是高频探测技术，系统的工作频率为60kHz，监测宽度为800一1000m，水域纵深7—100m。声纳发射60kHz的声波，在水平方方向上360度，垂直方向上30度，以声纳系统为中心半径50m的区域内的目标都能探测到，传感器接收目标的回波，在显示器上显示目标的声纳图像:包括日标的

方位、距离、及系统所在点的声速、声线图等信息、，并判断目标类别，发出警报。

TRONKA声纳系统的组成

众所周知，随着地球人口的激增，陆上资源的匾乏，开发海洋的战略意义越来越重要，“海洋工程”已被列为与生物工程、核工程和航天工程同等地位的当今世界尖端科学技术，权威人士预言：21世纪是海洋的世纪。面对浩瀚无边的海洋，海底地形测量可谓是一切海洋工程活动的基础，而它最基本的任务，就是测量海水的深度，测绘海底地形图（水深图）。

众所周知，随着地球人口的激增，陆上资源的匾乏，开发海洋的战略意义越来越重要，“海洋工程”已被列为与生物工程、核工程和航天工程同等地位的当今世界尖端科学技术，权威人士预言：21世纪是海洋的世纪。面对浩瀚无边的海洋，海底地形测量可谓是一切海洋工程活动的基础，而它最基本的任务，就是测量海水的深度，测绘海底地形图（水深图）。

一、水下测深技术的发展

人类有记载的最原始的水下测量是用竹竿来测量水深,后来发展为用一端拴有重锤的绳索以及沿用至今的压力测深器。1820年前后,法国物理学家以钟为声源测得海水平均声速为1500m/s,从那时起,科技界都知道声音在水下传播要比空气中快。20世纪20年代,出现了回声测深仪。它是利用水声换能器垂直向水下发射声波并接收海底回波,根据回波传播的时间来确定被测点的水深。这种测深仪仅能测量船的航迹上的“点”，船未及区域是空白,因此不能获得精细的海底地形。由于其测量效率、地形分辨率和精度上的缺陷,已无法满足当代海洋开

发、海洋研究、海洋工程与海洋“专属经济区”划界等基础测绘日益增长的新需求,20世纪60年代,美国首先开发出第三代测深产品一多波束测深系统（也称“条带测深仪”）,这是当今世界上最先进的海底地形测绘设备。条带测深仪是一种多传感器的复杂综合系统,是现代信号处理技术、高性能计算机技术、高分辨显技术、高精度导航定位技术、数字化传感器技术及其他相关高新技术等多种技术的高度集成。自问世以来就一直以系统庞大、结构复杂和技术含量高、价格昂贵著称，世界上仅有美国、加拿大、德国、挪威等少数国家能够生产。1994年4月，国际海道测量组织IHO制定了新的海道测量标准，即IHOS-44标准，规定高级别的水深测量必须使用条带测深仪，这意味着条带测深仪取代回声测深仪已经成为世界范围内不可逆转的潮流。

二、我国条带测深技术的现状

直至20世纪90年代初，我国在条带测深技术领域仍属空白。为适应海洋活动的新形势，改变我国海洋测绘技术落后的现状，“八五”期间，国家将条带测深仪列为重点攻关项目，委托哈尔滨工程大学研制。经过艰苦的努力，哈尔滨工程大学突破了多项关键技术难点,，终于在1998年8月研制成功条带测深仪并通过技术鉴定。该产品已正式装备我国现代化海洋测量船，其总体技术达到了20世纪90年代国际同类产品先进水平，大大缩小了我国与世界海底地形测绘技术强国的差距，条带测深仪的研制成功可谓是我国测深技术的一次重大的革命。

哈尔滨工程大学的前身是中国人民解放军军事工程学院（哈军工），是首批进人“211工程”建设的全国重点高校之一，拥有国家级水声技术国防科技重点实验室，其水声工程学科是国家重点学科，技术力量雄厚，拥有各种先进的专业仪器设备。自1992年起就开始了条带测深技术的研究,该项目前期投人经费已经达到人民币700万元。1999年6月条带测深仪项目获得中船总科技进步一等奖。

三、条带测深仪的工作原理

条带测深仪是利用安装于船底或拖体上的声基阵向与航向垂直的海底发射超宽声波束，接收海底反向散射信号，经过模拟/数字信号处理，形成多个波束，同时获得海底条带上几十个甚至上百个采样点的水深数据。其测量条带覆盖范围为水深的2-8倍，与现场采集的导航定位及姿态数据相结合，绘制出高精度、高分辨率的数字成果图。与单波束回声测深仪相比,条带测深仪具有测量范围大、

测量速度快、精度高和效率高的优点。它把测深技术从点、线扩展到面，并进一步发展到立体测深和自动成图，特别适合大面积的海底地形探测。条带测深仪使海底探测经历了一个革命性的变化,深刻地改变了海洋学领域的调查研究方式及最终成果的质量。

四、条带测深仪的应用

条带测深仪具有广阔的应用领域：

1、大面积扫海测量

内容包括我国大陆架测量，与周边国家的海洋专属经济区（EEZ）划界等。我国拥有300万平方公里的海洋国土，若使用传统的回声测深方法测量，需要150年时间，而用条带测深仪测量，仅需15年就可完成。提高效率近10倍。

2、海洋工程

港口、海上石油平台等工程建设的基础在海底，铺设海底电缆需要在海底挖沟，并对铺设好的电缆进行掩埋和质量检查,这些作业的完成都需要对海底地形进行细致的勘查，使用条带测深仪能够对施工作业区进行全覆盖测量,获得高质量的海底地形信息。

3、海底资源调查

寻找海底矿物是海底资源调查的重要内容，海底矿物的形成有其独有的机理,。例如，稀有金属锰结核都分布在大洋深处平坦海域，钻结核则是因海底火山喷发而形成，而海底火山的特征是其顶部为一个平台。为了寻找潜在矿区，必须首先获取相关的地形特征信息，这就需要对海底地形进行高分辨力的全覆盖测量，条带测深仪是最理想的测绘仪器。

4、水库测量

库容量是水库管理和水资源分配的重要依据,陆地上水土流失现象会使水库淤积，库容量减小，蓄洪能力下降；大坝附近泥沙淤积量超过警戒线时，会影响水库的正常运行，甚至危及大坝的安全，所以必须经常对水库进行测量。水库选址通常在山区，地形复杂，并且，库容测量的技术要求高，只有条带测深仪才能够满足其需要。

5、河道测量

我国是一个河流众多的国家，水路运输是全国交通网的重要组成部分，但是，目前通航河流的总里程只有8万公里，还有大量的资源没有开发利用，迫切需要进行勘查。即便是已经通航的河流，由于河道的变化快，也需要经常测量。如浙江省的雨江，每年都要进行测量。利用条带测深仪的宽波束很容易测量出河道的剖面。顺流而下就能够完成全河道测量。

6、抗洪抢险我国是一个水患频繁的国家，而且，由于森林植被的破坏，洪涝灾害发生区域有逐年扩大的趋势，每年都会造成重大的经济损失,条带测深仪在检查堤坝隐患，监测洪水流量等方面可以发挥重要作用。此外，洪水还会对水中建筑物造成危害。例如，洪水对铁路桥梁桥墩的冲刷可能导致桥梁坍塌,造成重大事故，因此需要对桥墩的冲刷情况进行监测，目前使用的测量仪器是回声侧深仪，测量船必须紧靠桥墩测量,容易发生碰撞，危及人员和桥梁的安全，而条带测深仪因其具有旁测能力，可以在远处进行测量，从而可以避免事故的发生。

7、军事领域

马岛战争和海湾战争的历史经验告诉我们，现代战争往往是从海上开始的。为了在未来高技术战争中掌握海上战场的主动权，利用和平时期做好海上战场准备很有必要。条带测深仪是进行水下战场准备最基础、最有效的工具。随着我军战略思想的改变，海军向远洋发展，条带测深仪在军事领域的应用将更加广泛。

8、考古领域

水下考古在我国还是一门年轻的学科，我国近海沉睡着大量的古代沉船，但是因为缺少相关的高科技手段，只能听凭国外的冒险家掠夺，极大地伤害了我们的民族自尊心。80年代我国成立了第一支水下考古队，2001年6月首次动用各种高科技设备在云南省抚仙湖进行水下遗址考古调查，哈尔滨工程大学研制的条带测深仪参加了这次考古活动。首次探测到水下遗址的地形，并生成了直观的三维水下立体地形，考古专家根据条带测深仪提供的水下遗址地形判断出古城的位置、结构和主要建筑群的位置，为考古工作提供了巨大的帮助，被公认为是极有价值的水下考古高科技设备。据专家评论：水下考古引人条带测深仪，就如同当年考古界引入碳/8检测年代的方法，具有里程碑的意义。

我们期待着，哈尔滨工程大学的条带测深仪能够广泛应用到水下测绘工作中去，为我国的水下测绘事业做出更大的贡献。

“蛟龙号”是由七〇二所等单位研制的载人潜水器，2010年5月31日在江阴启航，随向阳红09海试船驶入南海进行3000米级海试，成功书写了中国载人深潜新的神话。8月26日，“蛟龙号”深海载人潜水器在南海取得3000米级海试成功，最大下潜深度达到3759米。这标志着我国成为继美、法、俄、日之后第五个掌握3500米以上大深度载人深潜技术的国家。

中国“蛟龙”号深海载人潜水器

项目介绍

载人潜水器是国家863计划支持的项目，国家海洋局是项目组织部门，中国大洋协会是项目牵头单位，总装工作由中船重工七〇二所承担，中船重工众多研究院所参与研制。经过历时七载的联合攻关，终于实现了耐压结构、生命保障、远程水声通讯、系统控制等关键技术的突破。“蛟龙号”载人潜水器的研制成功，提升了我国在深海技术领域的国际影响力，增强了中国海洋科技界走向深海的信心。在研制过程中，广大科技工作者形成了“严谨求实、团结协助、拼搏奉献、勇攀高峰”的载人潜器精神。

性能参数

“蛟龙号”载人潜水器速度为最大2.5节，巡航1节；载员3人；最大潜深7000米；生命支持系统，正常：3×12人时，应急：3×84人时；正常水下工作时间12小时。

技术特点

一是在世界上同类型的载人潜水器中具有最大下潜深度7000米，这意味着该潜水器可在占世界海洋面积99.8%的广阔海域使用；二是具有针对作业目标稳

定的悬停定位能力，这为该潜水器完成高精度作业任务提供了可靠保障；三是具有先进的水声通信和海底微地形地貌探测能力，可以高速传输图象和语音，探测海底的小目标；四配备多种高性能作业工具，确保载人潜水器在特殊的海洋环境或海底地质条件下完成保真取样和潜钻取芯等复杂任务。

安全保障

可抛掉压铁、机械臂紧急上浮

“'蛟龙号’具有稳定接近海底、自动航行和悬停定位等功能，可以和母船进行高速语音、文字、图像等实时传输。我们自行研制的电池容量很大，可以保证潜水器的能量来保障作业时间。”与其他国家的载人深潜器比较，徐芑南认为“蛟龙号”具有上述特点。正像进入太空离不开航天器一样，开发利用深海则离不开深海装载装备。拥有大深度载人潜水器和具备精细的深海作业能力，是一个国家深海技术竞争力的综合体现。有了载人深潜器，科学家可以直接参与到深海前沿科学研究。

但载人深潜的风险不小。如何保障人员安全呢？

“深潜器有点类似探空气球的原理，我们每次都带了压铁下去，有问题就抛掉。如果遇到电缆缠绕等问题，还可以抛弃机械臂、电池等，把所有能抛掉的设备都扔掉，确保安全上浮。这都是写在安全预案里的。”叶聪说。

此外，作为安全预案，深潜器还能保证在水里比预定作业时间多待3天，并有相关保障。[2]

项目评价

这个我国自行设计、集成创新、拥有自主知识产权的世界首个7000米载人潜水器，可承载一名潜航员和两名科学家，在大深度超常环境下进行资源勘查、科学考察和其它深海特定作业，可使我国深海活动能力覆盖世界99%以上的洋底，这也是目前世界上下潜能力最深的载人潜器。

研究意义

在同类型潜水器中设计下潜深度最大

载人深潜试验遵循“由浅入深、循序渐进、安全第一”的原则，海上试验将分阶段逐步达到最大设计深度7000米。2009年，我国在南海成功进行了20次

下潜，最大下潜深度达1109米。由此，中国成为继美国、俄罗斯、日本和法国之后世界上第五个具备1000米深度载人深潜能力的国家。

用于海底地质探测可传输图像和语音

“蛟龙号”的总设计师徐芑南介绍说，“蛟龙号”载人深潜器具有针对作业目标稳定的悬停定位能力，具有先进的水声通信和海底微地形地貌探测能力，可以高速传输图像和语音，探测海底的小目标。“蛟龙号”上还配备多种高性能作业工具，确保它在特殊的海洋环境或海底地质条件下完成保真取样和潜钻取芯等复杂任务。据介绍，未来“蛟龙号”的使命包括运载科学家和工程技术人员进入深海，在海山、洋脊、盆地和热液喷口等复杂海底有效执行各种海洋科学考察任务，开展深海探矿、海底高精度地形测量、可疑物探测和捕获等工作，并可以执行水下设备定点布放、海底电缆和管道的检测以及其他深海探询及打捞等各种复杂作业。

典型应用

载人潜水器的几次典型应用

1960年1月23日，由美国人D·华尔顿和深潜器发明

丁·毕卡第乘坐第一代载人潜水器“曲斯特”（Trieste），在世界最深渊——太平洋马里亚纳海沟下潜，下潜深度达10916米（海沟最深点为11034米），夺得了下潜深度的冠军。当时的潜水器在技术上还比较原始。

1966年美国在西班牙的Palamers海域失落了一颗氢弹，由“阿尔文”号（Alvin）潜水器与CURV无人遥控潜水器配合，把它从856米的深处打捞出水。

1968年10月潜水器“阿尔文”从母船“鲁鲁”号（Lulu）上起吊时，不慎沉没，1969年8月由“阿鲁明纳”（Aluminant）载人潜水器和打捞船“密执安”号相互配合，将“阿尔文”从1538米水深处打捞起来。

潜水器“深探”（DeepQuest）于1970年曾把坠落在太平洋1037米水深的一架海军飞机打捞出水。[2]

全球第五个潜入3500米的国家我国继美、法、俄、日之后第五个掌握大深度载人深潜技术科技部和国家海洋局26日在京联合宣布，我国第一台自行设计、自主集成研制的“蛟龙号”深海载人潜水器3000米级海试取得成功，最大下潜深度达到3759米。这标志着我国成为继美、法、俄、日之后第五个掌握3500

米以上大深度载人深潜技术的国家。突破3700米水深记录中国科学技术部、国家海洋局2010年8月26日在北京联合宣布，中国第一台自行设计、自主集成研制的“蛟龙号”载人潜水器3000米级海试取得成功。“蛟龙号”最大下潜深度达到3759米，超过全球海洋平均深度3682米，并创造出水下和海底作业9小时零3分的记录。

为推动中国深海运载技术发展，为中国大洋国际海底资源调查和科学研究提供重要高技术装备，同时为中国深海勘探、海底作业研发共性技术，中国科技部于2002年将“蛟龙”号深海载人潜水器研制列为国家高技术研究发展计划(863计划)重大专项，启动“蛟龙号”载人深潜器的自行设计、自主集成研制工作。“蛟龙号”载人潜水器设计最大下潜深度为7000米，工作范围可覆盖全球海洋区域的99.8%。

在国家海洋局组织安排下，中国大洋协会作为业主具体负责“蛟龙号”载人潜水器项目的组织实施，并会同中船重工集团公司702所、中科院沈阳自动化所和声学所等约100家中国国内科研机构与企业联合攻关，攻克了中国在深海技术领域的一系列技术难关，经过6年努力，完成载人潜水器本体研制，完成水面支持系统研制和试验母船改造，完成潜航员选拔和培训，从而具备开展海上试验的技术条件。

从2009年8月开始，“蛟龙号”载人深潜器先后组织开展1000米级和3000米级海试工作。2010年5月31日-7月18日，“蛟龙号”载人潜水器在中国南海3000米级海上试验中取得巨大成功，共完成17次下潜，其中7次穿越2000米深度，4次突破3000米，最大下潜深度达到3759米，超过全球海洋平均深度3682米，并创造水下和海底作业9小时零3分的记录，验证了“蛟龙号”载人潜水器在3000米级水深的各项性能和功能指标。

在短短11个月内，中国载人深潜试验完成了从零到3700米水深的重大跨越。专家称，这一海试成功实现了中国深海装备技术的跨越式发展，标志着中国继美、法、俄、日之后成为世界上第五个掌握3500米以上大深度载人深潜技术的国家。此次海上试验还充分验证潜水器的功能和各项技术指标，为资源调查和科学研究的实际应用以及更大深度试验奠定坚实基础。

背景资料

深海潜水器是海洋技术开发的前沿与制高点之一，体现着一个国家的综合技术力量。目前美国、法国、俄罗斯、日本拥有世界上仅有的五艘6000米级深海载人潜水器。这些装备到达的范围遍及海洋的大陆坡、海山顶、火山口、洋脊以及6000米的洋底，在地质、地球化学、地球物理和海洋生物等方面取得了大量的重要发现。

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。