將“燈光”照入海底

王熙 郳妮

對于大多數人而言，海洋這個詞語并不陌生。在我們生活的這個地球上，海洋的面積為3.62億m2，占地球表面積的70.9%。我們平時看到的海洋是藍色的，實際上，海水能吸收光線，與陸地空間相比，光線很難到達深海，海底其實并不是藍色的，而總是漆黑一片，這讓深海世界顯得更加神秘。

目前，人口膨脹、資源短缺、環境惡化，對全世界而言，都是巨大的考驗與挑戰，而浩瀚的海洋里蘊藏的豐富生物資源、礦產資源以及水體資源，是應對這些考驗與挑戰以及發展經濟的重要出路。此外，海洋作為重要的國家領土，也是重要的國防屏障，如何開發、控制和管理海洋領土，受到了世界各國的高度重視[1]。由于深海具有可視性差、水壓力大以及地形復雜等特點，導致人類對深海的認識嚴重不足。發展深海探測技術，將光照入漆黑的海底，是探索海洋資源道路上不可或缺的一步。

探秘深海的神奇技術

目前，深海探測技術主要有3類：深海運載器探測類技術，深海傳感探測技術，以及深海取樣探測技術[2]。

深海運載器是攜帶各種電子設備、機械裝置或者相關專業人員，快速準確地到達各種深海環境，進行精準探測和科學研究的裝備平臺。而深海運載器探測技術則主要是針對這個裝備平臺所研發的相關技術。深海運載器大致分為兩種，載人和無人。簡單來講，就是將運載器投入海中，到達海底目的地后，運載器對周圍的環境進行探測，而實行探測的可能是機械或者電子設備，也可能是人，比如載人潛水器。

深海傳感探測技術是指應用聲學、光學、電磁學和熱學相關的理論知識來獲取深海的數據，實現導航定位和目標探測。

深海取樣探測技術主要是針對如何科學準確地采集到深海中的生物、海水以及巖芯樣品所研發的一系列相關取樣技術。而收集到的樣品則會被送回專業實驗室進行研究分析，從而進一步解開深海下隱藏的奧秘。

四大技術助力解決探測難題

深海具有可視性差，水壓力大、地形復雜等特點，在利用機器對深海進行探測時，會遇到哪些問題呢？

機器探測的過程可分為三步：將探測儀器放入水中，然后引導探測儀器到達目的地，再利用探測儀器對目的地周圍環境進行探測獲取數據。這個過程也許聽起來很簡單，但仔細想想，要完成這一過程并得到準確的數據并不容易。

首先，深海中水壓大，越深，壓力越大，并且，海水具有一定的腐蝕性，探測設備所使用的材料需要具備耐壓和耐腐蝕的能力，例如，以陶瓷為基礎的復合材料具有超強的耐壓力和天然的耐腐蝕力。為了解決探測設備的材料問題，深海裝備材料技術應運而生。

其次，深海的可視性差，如何精確地定位目的地，并將探測設備送達目的地也是一個挑戰。此外，運送過程就好像在陸地上行駛汽車，汽車的驅動是需要能源的，探測設備若想在水下進行有目的性的移動也是需要能源的，水下移動存在燃料補充、廢氣排放和壓力承受等困難，相比于汽車在陸地上行駛所用的汽油、柴油等能源，深海探測對動力能源有更高的要求，即既要突破耐高壓、耐低溫和耐腐蝕等難點，又要保證穩定性、安全性和可控性，實現高容量和低成本等目標。要解決以上這些問題，需要深海導航定位技術以及深海動力能源技術來提供幫助。

最后，等設備到達目的地，對目的地周圍環境進行綜合探測，這就涉及到如何快速穩定地傳輸數據，光學通信具有傳輸速率高、無線、方向性好和隱蔽性強等優勢，所以，光學通信可作為水下通信的發展方向，與之相關的技術稱為深海光學通信技術。

利用聲學遙測“照亮”海洋

聲音是日常生活中常見的東西，充斥著我們生活的方方面面，利用聲音的特性——聲波，也能對漆黑而又神秘的深海進行探測。

聲波是聲音的傳播形式，人耳可以聽到的聲波的頻率一般在20Hz～20kHz，而一些動物可以聽到的聲波頻率可以很高或很低。蝙蝠視覺很差，但可以發出和接收超聲波，以此定位，使其能夠在夜間昏暗環境自由飛翔和捕捉食物;狗、大象、鯨、水母等動物能夠聽到次聲波。次聲波可用于對自然災害的預測，而超聲波則在醫學檢測、醫學治療、測量等方面具有應用價值。聲波在水下也可以遠距離傳播，相比于電磁波和光波主要側重于海水表面和近表面的探測，聲波可以用于深海水下遙測，就像蝙蝠利用超聲波在黑夜中飛行捕食，利用聲波，我們也可以“照亮”漆黑的深海。

浙江大學信息與電子工程學院講師、碩士生導師張婷，利用聲波，研發了海底地貌低頻遠距離聲成像系統，利用波與環境、目標相互作用的物理機理以及復雜環境信息處理方法，實現了大范圍、長時性的海洋環境觀測和目標探測。其成像范圍可達30km×30km，成像分辨力達100m，可實時獲取水下場景圖像，并對水下場景進行分類和識別。

這套系統的特點在于將主動聲源與被動聲源（也稱機會聲源，環境噪聲）相結合，即在主動探測的基礎上，利用海洋中廣泛存在的環境噪聲，如艦船噪聲、生物噪聲、工程噪聲和地震噪聲等，來獲取信息。一般來說，環境噪聲是非常讓人討厭的，影響心情不說，還可能成為干擾項，干擾水下探測，影響測量結果的準確度，但是，把它們有效利用起來，卻可以達到意想不到的效果。

這些環境噪聲在水下傳播的過程中攜帶了大量環境信息，利用它們進行水下遙測，與主動平臺相比，可以節省能源和開銷，大幅度降低系統復雜度，有效提高環境遙測功能。噪聲也能“變廢為寶”，發揮這么大的作用，這是怎么做到的呢？通過深入分析環境噪聲的水下傳播特性，布放分布式節點，從隨機的噪聲物體數據中提取有針對性的環境信息，就可以實現長時期的海洋環境監測，災害性天氣預警監測，海底底質、沉積層特性分析，以及水面和水下目標的勘測、定位、跟蹤等。

這套信息與物理相結合的海洋探測系統可以廣泛應用于水聲學和海洋學等多個領域，在資源有限的條件下，可為廣袤海洋的透明化，提供具體實現的框架和方法。

參考文獻

[1] 朱心科， 金翔龍， 陶春輝， 初鳳友， 趙建如， 李一平. 海洋探測技術與裝備發展探討[J].機器人， 2013，35（03）：376-384.

[2] 丁忠軍，任玉剛，張奕，楊磊，李德威.深海探測技術研發和展望[J].海洋開發與管理，2019，36（04）：71-77.