深水區(qū)海底勘察裝備技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

魏巍，馬媛，蘇東甫

(1.國(guó)家海洋局南海勘察中心 廣州 510300； 2.中國(guó)海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 青島 266001；3.國(guó)家海洋局海洋咨詢中心 北京 100860)

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深水區(qū)海底勘察裝備技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

魏巍1，2，馬媛1，蘇東甫3

(1.國(guó)家海洋局南海勘察中心 廣州 510300； 2.中國(guó)海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 青島 266001；3.國(guó)家海洋局海洋咨詢中心 北京 100860)

深水海域的工程開發(fā)、綜合管理及權(quán)益維護(hù)，需要海底勘察裝備技術(shù)先行；文章從水下聲學(xué)定位、動(dòng)力定位、海底淺層高分辨勘察、海底取樣與測(cè)試等4個(gè)方面進(jìn)行了海底勘察裝備技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀描述，并指出了其發(fā)展趨勢(shì)。

深水海域；裝備技術(shù)；海底勘察

按照國(guó)際慣例，一般將水深不超過400 m的水域稱為常規(guī)水深海域，400～1 500 m之間為深水海域，大于1 500 m為超深水海域[1]。深水海域空間廣闊、位置重要、資源豐富，已成為世界科技創(chuàng)新的前沿和油氣工業(yè)的熱點(diǎn)。歐、美等發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)在北海及墨西哥灣等海域開展較長(zhǎng)時(shí)間的深水資源開發(fā)，挪威以深水高端海洋產(chǎn)業(yè)為核心建立國(guó)家創(chuàng)新體系，日本也開始積極采取行動(dòng)，日本石油資源開發(fā)公司及三菱材料公司等出資設(shè)立的日本海洋掘削公司，JFE控股公司及IHI公司等出資的日本海洋聯(lián)合公司(Japan Marine United Corporation)等將展開合作，共同開發(fā)用于深水海底油田及氣田裝備。對(duì)于我國(guó)而言，深水海域構(gòu)成了我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的戰(zhàn)略接替區(qū)，深水海域的勘察、研究、開發(fā)與利用，對(duì)促進(jìn)我國(guó)海洋經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展、維護(hù)海上國(guó)家領(lǐng)土主權(quán)、保障海洋戰(zhàn)略通道安全、提高防災(zāi)減災(zāi)能力具有重要意義。

海洋深水區(qū)域是地球表層較晚認(rèn)識(shí)的部分，人類對(duì)于深水區(qū)及超深水區(qū)的知識(shí)絕大部分來(lái)自最近半個(gè)多世紀(jì)。深水海域自然環(huán)境較常規(guī)水深海域復(fù)雜，尤其深水海底靜水壓力大、地形變化劇烈、工程條件惡劣且多變、地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)，因此，深水海域的工業(yè)開發(fā)，需要對(duì)深水海域的海底進(jìn)行全面、深入與全過程的勘察與研究。而海底勘察裝備技術(shù)是海洋高技術(shù)體系的重要組成部分，是進(jìn)行海洋勘察、工程開發(fā)、綜合管理的重要基礎(chǔ)，體現(xiàn)著國(guó)家海洋科技水平與競(jìng)爭(zhēng)力。因此，海洋深水區(qū)域的開發(fā)戰(zhàn)略，需要裝備技術(shù)先行。

1 水下聲學(xué)定位裝備技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

水下聲學(xué)定位技術(shù)是實(shí)現(xiàn)水下探測(cè)系統(tǒng)精確定位和海底高精度探測(cè)的基礎(chǔ)[2]，為勘察海底各類平臺(tái)與裝備提供高精度導(dǎo)航定位信息。水下聲學(xué)定位系統(tǒng)基本采用聲脈沖群定位技術(shù)(tone burst ranging techniques)，通常依據(jù)激發(fā)信號(hào)的聲學(xué)單元的距離劃分為超短基線(<10 cm)、短基線(20～50 m)、長(zhǎng)基線(100～6 000 m)。長(zhǎng)基線的定位精度最高，但造價(jià)最高，短基線的精度次之，但要得到高的精度，基陣布設(shè)受到很大的限制;超短基線的精度比短基線略低，但使用方便靈活、應(yīng)用廣泛[3]。

現(xiàn)國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)主要水下聲學(xué)定位設(shè)備來(lái)自于挪威Kongsberg Simrad公司、法國(guó)OCEANO Technologies公司(原MORS公司)、法國(guó)IXSEA公司、英國(guó)的Sonardyne公司、美國(guó)的ORE公司等。挪威Kongsberg公司產(chǎn)品涵蓋了超短基線、短基線和長(zhǎng)基線3種類型，其研究開發(fā)有近30 a的歷史，有一系列成熟的產(chǎn)品投入軍方及民用。法國(guó)OCEANO Technologies公司于1997年推出的POSIDONIA 6 000長(zhǎng)程超短基線定位系統(tǒng)，工作水深6 000 m，最大作用距離 8 000 m，在6 000 m水深、30°開角范圍內(nèi)， 測(cè)距精度為0.5%斜距，詢問頻率為8～14 kHz，應(yīng)答頻率為14～18 kHz。法國(guó)IXSEA公司推出的GAPS系統(tǒng)是一套無(wú)需標(biāo)定的便攜式超高精度超短基線(USBL)系統(tǒng)，它將慣性導(dǎo)航與水下聲學(xué)定位完美地結(jié)合在一起，并融入了GPS定位技術(shù)，可同時(shí)對(duì)多個(gè)水下目標(biāo)(ROV、AUV、拖魚)精確定位，并可提供高精度的姿態(tài)及航向數(shù)據(jù)，工作頻率20～30 kHz，工作距離 4 000 m 內(nèi)，水下定位精度為斜距的0.2%。

水下聲學(xué)定位裝備技術(shù)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國(guó)防建設(shè)的基本技術(shù)，在海洋工程開發(fā)、海洋調(diào)查研究、海洋軍事活動(dòng)方面廣泛應(yīng)用，大大提高了海底勘察的位置精度。

2 動(dòng)力定位裝備技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

動(dòng)力定位系統(tǒng)(dynamic positioning system，DPS)是一種閉環(huán)的控制系統(tǒng)，可不借助錨泊系統(tǒng)的作用，不斷檢測(cè)載體的實(shí)際位置與目標(biāo)位置偏差，再根據(jù)外界風(fēng)、浪、流等外界繞動(dòng)力的影響計(jì)算出船舶恢復(fù)到目標(biāo)位置的推進(jìn)力，并使各推力器產(chǎn)生相應(yīng)的推力，從而使載體保持在所需位置，一般由位置測(cè)量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、動(dòng)力與推進(jìn)系統(tǒng)3部分構(gòu)成[4]。位置測(cè)量系統(tǒng)是指獲得船舶相應(yīng)運(yùn)行參數(shù)的傳感器系統(tǒng)，動(dòng)力與推進(jìn)系統(tǒng)負(fù)責(zé)為船舶提供足夠的電力和有效的機(jī)動(dòng)性，控制器根據(jù)測(cè)量船位與期望值的偏差，計(jì)算位置調(diào)整所需的推力。動(dòng)力定位系統(tǒng)越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于海上作業(yè)船舶(勘察船、半潛船等)、海上平臺(tái)(浮式生產(chǎn)系統(tǒng)系泊等)、水下潛器(ROV)，幾乎所有深水勘察船、鉆井船等都裝備了動(dòng)力定位系統(tǒng)。

第一代動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)源于20世紀(jì)60年代，在第一批動(dòng)力定位船舶中，最成功最著名的是“格洛馬挑戰(zhàn)者”號(hào)船舶，該船幾乎遍歷全球海洋深水區(qū)域，采集總長(zhǎng)度超過6 km的巖心，為海底擴(kuò)張理論提供了大量堅(jiān)實(shí)的證據(jù)。

第二代動(dòng)力定位系統(tǒng)于20世紀(jì) 70 年代初開始形成，與第一代動(dòng)力定位系統(tǒng)相比，主要特點(diǎn)是采用了卡爾曼濾波等現(xiàn)代控制技術(shù)，位置傳感器則由單一型發(fā)展成聲學(xué)、3自由度的綜合型系統(tǒng)。

第三代動(dòng)力定位系統(tǒng)于20世紀(jì)80年代初開始形成的，主要采用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。經(jīng)過多年的發(fā)展，動(dòng)力定位系統(tǒng)的魯棒性、靈活性、功能性和操作的簡(jiǎn)易性均提高到新的水平。其中典型的有 Kongsberg公司的SDP11系列，Navis公司的NavDP 4000系列，L3公司的 NMS 6000系列。這些動(dòng)力定位系統(tǒng)均具有開放性的結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)船舶位置和航向的高精度保持。目前，DP系統(tǒng)可以在2級(jí)流、6級(jí)風(fēng)的海況下實(shí)現(xiàn)0.35 m的位置定位精度，0.1°的艏向保持精度和1 m的航跡保持精度。

根據(jù)設(shè)備可靠性和冗余度，動(dòng)力定位系統(tǒng)可分為3級(jí)。中國(guó)船級(jí)社(CCS)的DP船級(jí)符號(hào)為DP-1、DP-2和DP-3。動(dòng)力定位系統(tǒng)的核心是控制技術(shù)，它標(biāo)志著動(dòng)力定位系統(tǒng)的發(fā)展水平，未來(lái)動(dòng)力定位系統(tǒng)將進(jìn)一步改進(jìn)控制技術(shù)，減小或消除系統(tǒng)模型不精確性以及反饋系統(tǒng)帶來(lái)的誤差，并進(jìn)一步進(jìn)行多推力裝置間的推力優(yōu)化問題，不斷降低造價(jià)，提高性能。

3 海底淺層高分辨勘察裝備技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

由多波束測(cè)深、側(cè)掃聲吶掃描、高分辨率淺層剖面探測(cè)技術(shù)共同組成了近數(shù)十年快速發(fā)展起來(lái)的探測(cè)海底淺部結(jié)構(gòu)信息的技術(shù)。它們工作原理基本相似，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)度也有差異。一般高頻用于探測(cè)海底面形態(tài)，低頻用于探測(cè)海底淺層剖面結(jié)構(gòu)[2]。尤其以其中的多波束測(cè)深與海底淺地層高分辨率多道地震探測(cè)裝備技術(shù)為代表，在海底勘察中廣泛應(yīng)用，提供了豐富、海量、細(xì)致的海底信息數(shù)據(jù)。

多波束測(cè)深系統(tǒng)是一種高效的海底地形測(cè)繪設(shè)備，可提供全覆蓋的海底表層聲學(xué)信息，按測(cè)深能力可劃分為便攜式極淺水系統(tǒng)(10 m以淺)、淺水多波束(10～600 m)、中水多波束(30～7 000 m)、深水多波束(100 m至全海深)。多波束測(cè)深技術(shù)萌芽于20世紀(jì)50—60年代，70—80年代迅猛發(fā)展，90年代進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用，21世紀(jì)以來(lái)取得了突破性的進(jìn)展；多波束測(cè)深技術(shù)是聲學(xué)、電子和計(jì)算機(jī)等高科技最新成就的集成，它的發(fā)展與成熟對(duì)聲學(xué)探測(cè)技術(shù)的發(fā)展具有劃時(shí)代的意義。近年來(lái)，以Kongsberg公司EM122 深水多波束測(cè)深系統(tǒng)為代表的第四代產(chǎn)品已經(jīng)出現(xiàn)，多采用多ping技術(shù)、寬帶技術(shù)、近場(chǎng)自動(dòng)聚焦和水體顯示等技術(shù)，穩(wěn)定性更好，工作效率更高，并發(fā)展融合側(cè)掃聲吶圖像、水柱信息、底質(zhì)分類數(shù)據(jù)等海底聲學(xué)信息能力。圖1給出了多波束測(cè)深系統(tǒng)的工作示意圖。

圖1 多波束測(cè)深系統(tǒng)工作示意圖

海底淺地層高分辨率多道地震探測(cè)是海洋油氣開發(fā)和海洋工程建設(shè)地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)中最為重要的手段之一。該系統(tǒng)主要包括地震震源系統(tǒng)、地震信號(hào)接收系統(tǒng)及導(dǎo)航定位輔助系統(tǒng)3部分，其中，高分辨率多道地震拖纜是整個(gè)海洋工程多道地震勘探系統(tǒng)的核心，決定了整個(gè)系統(tǒng)的性能，而地震拖纜的道間距又是拖纜系統(tǒng)核心指標(biāo)，道間距越小，橫向分辨率越高，理論上，從偏移時(shí)間剖面上可分辨地下尺度大于一個(gè)CDP間距(半個(gè)道間距)的地下地質(zhì)體[5]。“十一五”期間，國(guó)家海洋局第一海洋研究所聯(lián)合國(guó)內(nèi)優(yōu)勢(shì)單位研發(fā)了可用于遠(yuǎn)海深水的高分辨率多道數(shù)字地震拖纜系統(tǒng)，適用水深300～3 000 m、地層穿透深度300 m、6.25 m道間距、垂向分辨率優(yōu)2 m的深水分辨率多道數(shù)字地震拖纜系統(tǒng)[6]。近年來(lái)，國(guó)外提出了深拖式多道地震探測(cè)技術(shù)[7]，荷蘭Geosource公司推出了1～3.125 m可定制道間距的高分辨率多道地震拖纜系統(tǒng)。

4 海底取樣與測(cè)試裝備技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

克服海水阻隔，獲取海床的底質(zhì)類型和海底淺表地層土的物理力學(xué)性質(zhì)，地質(zhì)取樣(sam-pling)和原位測(cè)試(insitutest)是現(xiàn)今最為有效且直接的方法手段，地質(zhì)取樣是通過取樣器取出一定深度的泥土樣品，然后在室內(nèi)進(jìn)行專門的土工試驗(yàn)，以獲得海底土層的土力學(xué)參數(shù)；原位測(cè)試則是將力學(xué)傳感器置于一鋼桿的前端，在力的驅(qū)動(dòng)下，貫入海底土層中，通過測(cè)量傳感器上受到土體的阻力等來(lái)直接獲得土體的土力學(xué)參數(shù)[8]。

圖2中所示的常規(guī)取樣設(shè)備(從左至右依次為抓斗取樣器、多管取樣器、重力取樣器和振動(dòng)取樣器)，以其作業(yè)成本低，對(duì)船舶、絞車、海況等條件要求不高等優(yōu)點(diǎn)，至今仍是海底勘察不可替代的專用設(shè)備。與此同時(shí)，重力活塞式保真取樣器、深水巖心取樣鉆機(jī)、孔中取樣，以及錐形觸探(cone)、T形觸探(T-bar)和球形觸探(ball)等原位測(cè)試裝備技術(shù)都已取得廣泛應(yīng)用。圖3為2011年我國(guó)在南海3 960 m水深海域獲取的海底保溫保壓水合物及隨鉆取樣的樣品[9]。

海底取樣設(shè)備的更新與改進(jìn)，可加快海洋資源勘探與海底勘察的效率和準(zhǔn)確度，節(jié)約成本，獲得良好的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益。

圖2 常規(guī)海底取樣設(shè)備

圖3 海底

5 發(fā)展趨勢(shì)

5.1 裝備技術(shù)繼續(xù)呈指數(shù)增長(zhǎng)

深水海底勘察裝備技術(shù)是高科技的舞臺(tái)，不僅是一個(gè)國(guó)家開發(fā)深海資源，確保國(guó)家海洋經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重點(diǎn)，同時(shí)也是確保國(guó)家海洋安全的屏障，世界主要涉海國(guó)家都對(duì)深海的技術(shù)研發(fā)與資源的獲取制訂了國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略層面的計(jì)劃，給予政策支持；此外，該裝備技術(shù)具有軍民兩用的特點(diǎn)，且相關(guān)基礎(chǔ)工業(yè)近年來(lái)發(fā)展迅速，上述情況都為深水海底勘察裝備技術(shù)快速發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。王云飛等[10]基于深海裝備產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域Orbit 專利數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)顯示了全球深海裝備領(lǐng)域相關(guān)專利公開數(shù)量，旦其總體變化趨勢(shì)，整體呈指數(shù)增長(zhǎng)。

5.2 核心傳感器呈現(xiàn)規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化態(tài)勢(shì)

隨著海底勘察裝備技術(shù)研發(fā)的持續(xù)深入，成本的下降、性能和可靠性的提升，在信息技術(shù)和高端裝備制造快速發(fā)展的推動(dòng)下，美國(guó)、挪威、德國(guó)等先進(jìn)海洋國(guó)家的海底勘察裝備產(chǎn)業(yè)已經(jīng)相當(dāng)成熟，各主要核心傳感器的型號(hào)眾多、類型多樣，涌現(xiàn)出近百家廠商提供各種部件及服務(wù)。而我國(guó)受制于國(guó)外技術(shù)封鎖，以及集成電路技術(shù)、材料技術(shù)和高精密度機(jī)械加工制造等基礎(chǔ)工業(yè)技術(shù)的發(fā)展水平，在核心傳感器方面缺乏專利技術(shù)，處于集成創(chuàng)新階段。

5.3 基礎(chǔ)功能部件朝模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展

深水?dāng)z像頭、深水照明燈、深水照相機(jī)、深水水密纜和深水接插件等基礎(chǔ)功能部件朝著模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展，已經(jīng)出現(xiàn)滿足不同工作條件，并可在水下即插即用產(chǎn)品。但大部分此類工業(yè)化部件長(zhǎng)期性與穩(wěn)定性都較差，與國(guó)際成熟產(chǎn)品存在一定差距。

5.4 裝備功能呈現(xiàn)融合、集成化態(tài)勢(shì)

隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，不同海底勘察裝備呈現(xiàn)功能融合、集成化態(tài)勢(shì)。如將淺地層剖面儀、多波束系統(tǒng)、攝像系統(tǒng)等組成深海拖體，對(duì)海底進(jìn)行勘察；再如，國(guó)際上多個(gè)小型海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)(如，VENUS和MARS等)已投入運(yùn)行，同時(shí)，一些大型的海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃(如，NEPTUNE、OOI、ESONET等)也正在緊鑼密鼓地實(shí)施應(yīng)用中[11]。

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