1.前言

 

  20世紀(jì)末， 科學(xué)家在海底發(fā)現(xiàn)了另一個(gè)大洋世界— — —“黑色大洋” ， 富含礦物質(zhì)的流體在其中流動(dòng)著， 驅(qū)動(dòng)著礦物質(zhì)的傳遞和界面交換， 形成各類大洋礦產(chǎn)， 并維持著由極端條件生物所組成的深部生物圈。黑色大洋的發(fā)現(xiàn)， 拓展了人類對(duì)地球形成與演化和地球生命起源的認(rèn)識(shí)領(lǐng)域。從此，人們不斷的加快了對(duì)海洋的探測(cè)，各種海洋探測(cè)技術(shù)相應(yīng)的產(chǎn)生。海洋物探技術(shù)的發(fā)展不僅具有顯著的科學(xué)研究意義，在海洋能源的開(kāi)采利用和海洋軍事和安全中都要很重要的意義和位置。

 

  2.海洋定位技術(shù)

 

  高精度的定位技術(shù)的是海洋探測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)，海洋定位包括海面船只和探測(cè)系統(tǒng)的定位和海下探測(cè)系統(tǒng)的定位，海下探測(cè)系統(tǒng)的高精度定位尤其重要。

 

  水面定位技術(shù)由于衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的發(fā)展已經(jīng)比較成熟，目前的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)有美國(guó)的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐盟的Galileo系統(tǒng)和中國(guó)的北斗系統(tǒng)，其中GPS的技術(shù)最成熟，精度最高。

 

  水下定位主要測(cè)定水下探測(cè)系統(tǒng)相對(duì)水面母船的位置，如側(cè)掃聲納系統(tǒng)、 海底照相系統(tǒng)、海底攝像系統(tǒng)等拖體系統(tǒng)，水下機(jī)器人，海底箱式取樣器、多管取樣器、電視抓斗、潛鉆、熱液保真采樣器，及海底土工原位測(cè)試儀等等。測(cè)定水下探測(cè)系統(tǒng)相對(duì)水面母船的位置，結(jié)合水面船只的全球定位數(shù)據(jù)，就可將水下探測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確位置歸算到大地坐標(biāo)系上。水下定位系統(tǒng)主要有超短基線定位系統(tǒng)、短基線定位系統(tǒng)、長(zhǎng)基線定位系統(tǒng)，及超短基線定位系統(tǒng)與長(zhǎng)基線定位系統(tǒng)組合系統(tǒng)，短基線定位系統(tǒng)目前已很少使用。超短基線定位系統(tǒng)由聲基陣、聲標(biāo)、主控系統(tǒng)和外部設(shè)備等組成，聲基陣置于船底或船舷，聲標(biāo)裝在水下探測(cè)系統(tǒng)上，測(cè)定聲標(biāo)與聲基陣不同水聽(tīng)器之間的距離和聲脈沖到達(dá)的相位差來(lái)確定聲標(biāo)相對(duì)于聲基陣的位置。根據(jù)船載部分與水下應(yīng)答器之間的交聯(lián)方式，系統(tǒng)有聲學(xué)應(yīng)答方式、電信號(hào)觸發(fā)方式和同步鐘等三種方式。系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)是可以進(jìn)行長(zhǎng)距離海底目標(biāo)連續(xù)跟蹤定位， 操作簡(jiǎn)單； 缺點(diǎn)是定位精度較低， 作用距離較短， 作業(yè)水深較淺。長(zhǎng)基線定位系統(tǒng)通過(guò)測(cè)定母船與聲標(biāo)的距離，水下設(shè)備（安置聲標(biāo)）與聲標(biāo)、母船的距離，及水下設(shè)備與各聲標(biāo)的距離，最終確定水下設(shè)備相對(duì)母船的位置。系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是定位精度高，適于在小范圍內(nèi)（幾十平方公里）精確定出水下設(shè)備。水下GPS系統(tǒng)包括 GPS智能浮標(biāo)（GIB）、控制站及水下應(yīng)答器。浮標(biāo)下掛水聽(tīng)器，由四個(gè)浮標(biāo)組成基陣，通過(guò)水面天線與控制系統(tǒng)鏈接。應(yīng)答器置于水下運(yùn)載器上， 應(yīng)答器內(nèi)裝有聲波發(fā)生器。浮標(biāo)在聲波發(fā)生器約500m范圍內(nèi)，就能精確探測(cè)到聲波信號(hào)。測(cè)定應(yīng)答器發(fā)射與水聽(tīng)器收到聲脈沖信號(hào)之間的時(shí)間差，測(cè)出浮標(biāo)和水下目標(biāo)之間的相對(duì)位置，利用差分 GPS 精確測(cè)定浮標(biāo)的精確位置，從而得到水下目標(biāo)的精確定位。定位數(shù)據(jù)可在控制站與浮標(biāo)之間無(wú)線傳輸交換。

 

  3.海洋重磁測(cè)量技術(shù)

 

  海洋重力測(cè)量在全球的廣泛開(kāi)展，積累了海量的測(cè)量數(shù)據(jù)，在資源勘查和科學(xué)研究等方面起到了極大的作用。海洋重磁的長(zhǎng)足發(fā)展很基于衛(wèi)星測(cè)高技術(shù)，因?yàn)樾l(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)目前是海洋重力數(shù)據(jù)的重要的數(shù)據(jù)來(lái)源，如今，衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)密集覆蓋了全球大洋， 高精度的衛(wèi)星定軌和大氣2海洋環(huán)境改正給出了足夠精度和分辨率的海洋大地水準(zhǔn)面起伏，而由其恢復(fù)出的重力場(chǎng)的精度和分辨率已接近于海上船測(cè)數(shù)據(jù)的水平。

 

  衛(wèi)星、航空器和海洋船只等所采集到的海洋地磁測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)于直接尋找海底磁性礦產(chǎn)問(wèn)題具有不可替代的作用（管志寧等，2002）。海洋磁測(cè)在發(fā)現(xiàn)海底各種掩埋、廢棄的鐵磁性物質(zhì)方面非常有效，如戰(zhàn)爭(zhēng)遺留在海底的炸彈、水雷、沉沒(méi)的艦船和海底管線，甚至水下考古發(fā)現(xiàn)等。由于偵察潛艇的潛航與隱蔽（反潛技術(shù)）和水雷的布設(shè)（水下探查技術(shù)）與認(rèn)識(shí)地磁場(chǎng)的關(guān)系十分密切，使得海洋地磁勘查在軍事方面的應(yīng)用也凸顯出重要性。海洋地磁場(chǎng)的測(cè)量與研究越來(lái)越得到各方面的重視，海洋磁測(cè)技術(shù)的發(fā)展也非常迅速。

 

  4.海底聲學(xué)探測(cè)技術(shù)

 

  聲波在海水中的傳播優(yōu)于電磁波和可見(jiàn)光，目前的海底探測(cè)主要還是依賴于聲學(xué)探測(cè)技術(shù)（李啟龍，2000）海洋地震勘探及其數(shù)據(jù)處理是傳統(tǒng)性的海底聲學(xué)技術(shù)，也是研究海底構(gòu)造與海洋巖石圈深部結(jié)構(gòu)和尋找海底礦產(chǎn)的主力技術(shù)。多波束測(cè)深、側(cè)掃聲納測(cè)圖和淺層剖面測(cè)量則是近數(shù)十年快速發(fā)展起來(lái)探測(cè)海底淺層結(jié)構(gòu)信息的技術(shù)，這些技術(shù)已經(jīng)在當(dāng)代海洋工程、海洋開(kāi)發(fā)、海洋研究、海底資源勘查等方面發(fā)揮出極其重要的作用。

 

  4.1 海洋地震探測(cè)技術(shù)

 

  海洋地震勘探主要利用地震波在海底地層巖石中的傳播規(guī)律，來(lái)研究海底以下地質(zhì)構(gòu)造，推斷巖體物性，勘查海底資源。地震勘探法是目前海底探查應(yīng)用最廣、成效最高的地球物理技術(shù)。20世紀(jì)以來(lái)，海底地震迅速發(fā)展，主要表現(xiàn)在采集系統(tǒng)的高集約化、采集技術(shù)的多樣化、探測(cè)技術(shù)的多元化、數(shù)據(jù)處理解釋技術(shù)的飛速發(fā)展。  20世紀(jì) 年代末至今，隨著三維、四維、高分辨率和多波多分量地震探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了三分量檢波器、四分量檢波器、渦流檢波器、高性能壓電檢波器。隨著無(wú)線電定位和衛(wèi)星定位在地震勘探中廣泛應(yīng)用，海洋地震數(shù)據(jù)的采集也從最初的三船法、 雙船法發(fā)展目前主要采用的單船法。同時(shí)探測(cè)維數(shù)也從最初的二維發(fā)展到目前的三維地震探測(cè)，甚至?xí)r移探測(cè)，即四維地震探測(cè)。海洋地震探測(cè)技術(shù)從反射探測(cè)技術(shù)、折射探測(cè)技術(shù)發(fā)展到目前的多波多分量地震探測(cè)技術(shù)。多波多分量地震探測(cè)與通常采用的單一縱波探測(cè)技術(shù)相比，所能提供的地震屬性（如時(shí)間、速度、振幅、頻率、相位、偏振、波阻抗、吸收、復(fù)分量等）信息成倍增加，并能衍生出各種組合參數(shù)（如差值、比值、乘積、幾何平均值、求取的彈性系數(shù)等）。利用這些參數(shù)估算地層巖性、孔隙度、裂隙、含氣性等比只用單波具有更高的可靠性。勘探地震數(shù)據(jù)的處理包括數(shù)值計(jì)算和對(duì)地殼結(jié)構(gòu)的成像；地震數(shù)據(jù)的解釋則趨向于可視化技術(shù)的運(yùn)用。

 

  4.2 海底淺層聲探技術(shù)

 

  海底淺層聲探測(cè)有多波束測(cè)深、 側(cè)掃聲納和淺層剖面探測(cè)等， 工作原理基本相似， 只是由于探測(cè)目標(biāo)的不同而有所區(qū)別。使用的聲波頻率和強(qiáng)度也存有差異，一般高頻用于探測(cè)中、 淺海水深或側(cè)掃海底形態(tài)，低頻用于探測(cè)深海水深或淺層剖面結(jié)構(gòu)。高頻能提高分辨率，而低頻則能提高聲波的作用距離和穿透深度，目前有很多系統(tǒng)采用雙頻或多頻探頭結(jié)構(gòu)，以提高全海域的探測(cè)能力。  多波束測(cè)深系統(tǒng)是一種由多個(gè)傳感器組成的復(fù)雜系統(tǒng)。它不同于單波束測(cè)深系統(tǒng)， 在測(cè)量斷面內(nèi)可形成十幾個(gè)至上百個(gè)測(cè)點(diǎn)的條幅式測(cè)深數(shù)據(jù)，幾百個(gè)甚至上千個(gè)反向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)，能獲得較寬的海底掃幅和較高的測(cè)點(diǎn)密度，極大地改進(jìn)了海底數(shù)據(jù)采集的速度；由于測(cè)量波束較窄，并采用先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)和精密的聲線改正方法，系統(tǒng)可確保探測(cè)精度和波束腳印的坐標(biāo)歸位計(jì)算精度。因而，多波束測(cè)深系統(tǒng)具有全覆蓋、高精度、高密度和高效率的特點(diǎn)，在海底探測(cè)的實(shí)踐中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，多波束測(cè)深系統(tǒng)日益受到海底測(cè)量同行的認(rèn)可。多波束測(cè)深系統(tǒng)可以分為聲波反射—散射和聲波相干兩種類型，大部分多波束系統(tǒng)基于聲反射—聲散射原理， 少數(shù)基于聲波相干原理。目前后者的波束數(shù)較多（1000—4000束），具有有較大的覆蓋率（10—20倍），但探測(cè)頻率較高（60Hz），測(cè)量水深較淺（600）；前者的波束數(shù)一般在120個(gè)左右， 覆蓋率為3—705倍。在淺水區(qū)，聲波相干多波束系統(tǒng)的性能指標(biāo)明顯優(yōu)于聲波反射—散射多波束系統(tǒng)，但目前在深海勘測(cè)中主要還是使用聲波反射—散射多波束系統(tǒng)。

 

  側(cè)掃聲納技術(shù)運(yùn)用海底地物對(duì)入射聲波反向散射的原理來(lái)探測(cè)海底形態(tài)，側(cè)掃聲吶技術(shù)能直觀地提供海底形態(tài)的聲成像，在海底測(cè)繪、海底地質(zhì)勘測(cè)、海底工程施工、 海底障礙物和沉積物的探測(cè)，以及海底礦產(chǎn)勘測(cè)等方面得到廣泛應(yīng)用。根據(jù)聲學(xué)探頭安裝位置的不同，側(cè)掃聲納可以分為船載和拖體兩類。船載型聲學(xué)換能器安裝在船體的兩側(cè)， 該類側(cè)掃聲納工作頻率一般較低(10KHz以下），掃幅較寬。探頭安裝在拖體內(nèi)的側(cè)掃聲納系統(tǒng)根據(jù)拖體距海底的高度還可分為兩種：離海面較近的高位拖曳型和離海底較近的深拖型。高位拖曳型側(cè)掃系統(tǒng)的拖體在水下100m左右拖曳， 能夠提供側(cè)掃圖像和測(cè)深數(shù)據(jù)，航速較快（8kn）。多數(shù)拖體式側(cè)掃聲吶系統(tǒng)為深拖型，拖體距離海底僅有數(shù)十米，位置較低，航速較低，但獲取的側(cè)掃聲納圖像質(zhì)量較高，側(cè)掃圖像甚至可分辨出十幾厘米的管線和體積很小的油桶等，最近有些深拖型側(cè)掃聲納系統(tǒng)也開(kāi)始具備高航速的作業(yè)能力，10kn航速下依然能獲得高清晰度的海底側(cè)掃圖像。

 

  淺地層剖面測(cè)量系統(tǒng)是探測(cè)海底淺層結(jié)構(gòu)、海底沉積特征和海底表層礦產(chǎn)分布的重要手段，它具有與多波束測(cè)深和測(cè)掃聲納相類似的工作原理，其區(qū)別在于淺層剖面系統(tǒng)的發(fā)射頻率較低，產(chǎn)生聲波的電脈沖能量較大，發(fā)射聲波具有較強(qiáng)的穿透力，能夠有效地穿透海底數(shù)十米的地層。淺層剖面測(cè)量與單道地震探測(cè)也很類似， 但分辨率要高得多，有的系統(tǒng)在中、淺水探測(cè)的分辨率甚至可以達(dá)到十余厘米。20世紀(jì)40年代推出最原始的海底剖面儀，上世紀(jì)60-70年代出現(xiàn)商品設(shè)備，由于當(dāng)時(shí)技術(shù)基礎(chǔ)的限制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜信號(hào)的處理、地層的高分辨探測(cè)和自動(dòng)成圖，地層探測(cè)結(jié)果只能繪在熱記錄紙帶上，不能長(zhǎng)期保存。海底探測(cè)要求淺層剖面測(cè)量系統(tǒng)既能擁有較高的地層穿透深度，又能具有較高的地層分辨率。

 

  5.海洋探測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

 

  目前，海洋能源具有很大的開(kāi)發(fā)潛力，據(jù)估計(jì)，南海的石油資源量可達(dá)400億噸，全部或部分在我國(guó)斷續(xù)國(guó)界線內(nèi)的南海大陸架和大陸坡的含油氣盆地。因此海洋能源的探測(cè)至關(guān)重要。地球物理探測(cè)手段是油氣勘探中最為重要的手段，也是目前我們應(yīng)用最為廣泛的手段。其中，以地震勘探為主要方法。地震勘探是利用人工方法激發(fā)地震波，來(lái)定位礦藏(包括油氣、礦石、水、地?zé)豳Y源等)、確定考古位置、獲得工程地質(zhì)信息。地震勘探所獲得的資料，與其他的地球物理資料、鉆井資料及地震資料聯(lián)合使用，并根據(jù)相應(yīng)的物理與地質(zhì)概念，能夠得到相關(guān)構(gòu)造巖石類型分布的信息。海上作業(yè)都通過(guò)一條船拖著幾千米的拖纜，拖纜可以從船尾放人海中，通過(guò)氣槍或者電火花震源激發(fā)，利用水聽(tīng)器接收來(lái)自地下的信息，從而指導(dǎo)油氣勘探。

 

  另外，由于能源的短缺，海洋能源成為各國(guó)爭(zhēng)奪的焦點(diǎn)，因而引起了很多領(lǐng)土爭(zhēng)端問(wèn)題，例如釣魚島位于東海大陸架的東部邊緣，距臺(tái)灣島120km，東西距日本沖繩和中國(guó)大陸200海里。釣魚島歷來(lái)就是中國(guó)的領(lǐng)土，明代就被列為中國(guó)的防衛(wèi)范圍。釣魚島是我國(guó)臺(tái)灣省的附屬島嶼，從海底地形和地質(zhì)構(gòu)造看，它同臺(tái)灣諸島一樣屬于大陸型島嶼，與日本琉球群島的海洋型島嶼性質(zhì)不一樣。中日甲午戰(zhàn)爭(zhēng)以前，日本政府也承認(rèn)釣魚島是中國(guó)的領(lǐng)土。甲午戰(zhàn)爭(zhēng)后釣魚島被日本占領(lǐng)。二戰(zhàn)結(jié)束后，日本將釣魚島交予美國(guó)托管。20世紀(jì)60年代，聯(lián)合國(guó)、美國(guó)等研究機(jī)構(gòu)及日本先后對(duì)東海及釣魚島周圍海域進(jìn)行了調(diào)查并確認(rèn)該處石油蘊(yùn)藏量140～150億噸。日本政府見(jiàn)油起貪，宣布對(duì)釣魚島“重新?lián)碛兄鳈?quán)”。在日本政府的慫恿下，日本右翼勢(shì)力更是企圖強(qiáng)行霸占釣魚島，而且多次在釣魚島問(wèn)題上挑起事端。因此，為了保證我國(guó)領(lǐng)海的安全，不僅要建立一支強(qiáng)大的海軍，還要探測(cè)敵對(duì)的行動(dòng)的監(jiān)視和探測(cè)，多波束聲吶測(cè)深系統(tǒng)等地球物理方法能夠?yàn)闈撏щ[蔽和導(dǎo)航提供精確的數(shù)據(jù)，在保衛(wèi)我國(guó)海洋安全方面發(fā)揮著重要的作用。