李 碩 唐元貴＊＊ 黃 琰 劉鐵軍 劉 健 李 彬 張 鑫 欒振東 王永杰 中國科學(xué)院沈陽自動化研究所 沈陽 006 中國科學(xué)院海洋研究所 青島 6607 中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所 北京 0008

深海技術(shù)裝備研制現(xiàn)狀與展望*

李 碩1唐元貴1＊＊黃 琰1劉鐵軍1劉 健1李 彬1張 鑫2欒振東2王永杰3
1 中國科學(xué)院沈陽自動化研究所 沈陽 110016
2 中國科學(xué)院海洋研究所 青島 266071
3 中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所 北京 100083

歷經(jīng)近半個世紀(jì)的努力，我國海洋技術(shù)與裝備取得了長足的進(jìn)步和發(fā)展，尤其是近年來，深海技術(shù)與裝備的發(fā)展為我國海洋科學(xué)的創(chuàng)新提供了新的動力。中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項“熱帶西太平洋海洋系統(tǒng)物質(zhì)能量交換及其影響”以科學(xué)需求為導(dǎo)向，追蹤國際前沿，立足我國深海技術(shù)裝備發(fā)展現(xiàn)狀，提出研制科學(xué)應(yīng)用目標(biāo)明確的深海探測與作業(yè)裝備，形成具備利用自主式觀測系統(tǒng)、連續(xù)觀測與作業(yè)系統(tǒng)以及新型海洋傳感器及采樣設(shè)備開展綜合性海洋探測與作業(yè)的能力。專項執(zhí)行 4 年的時間，深海技術(shù)裝備面向?qū)ｍ椏茖W(xué)目標(biāo)，形成了具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)裝備，形成了一批有影響的成果，為海洋科學(xué)研究提供了先進(jìn)的技術(shù)手段，推動了我國深海探測與作業(yè)技術(shù)的發(fā)展，在我國深海技術(shù)裝備發(fā)展中發(fā)揮了重要的先導(dǎo)作用。

深海技術(shù)裝備，自主式觀測，連續(xù)觀測與作業(yè)，新型海洋觀測傳感器與采樣系統(tǒng)

DOI 10.16418/j.issn.1000-3045.2016.12.005

海洋科學(xué)是海洋技術(shù)發(fā)展的源泉，海洋技術(shù)是海洋科學(xué)創(chuàng)新的動力。歷史上，海洋學(xué)的創(chuàng)新和海洋資源的新發(fā)現(xiàn)都是源自海洋調(diào)查觀測的結(jié)果，可見海洋科學(xué)的創(chuàng)新研究與海洋觀測和探測技術(shù)密不可分[1]。在中科院“熱帶西太平洋海洋系統(tǒng)物質(zhì)能量交換及其影響”戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項中，面向熱帶西太平洋海氣相互作用、黑潮對中國近海的影響等一系列海洋科學(xué)問題，設(shè)立了“深海探測設(shè)備研發(fā)與應(yīng)用”項目，其研究目標(biāo)是，追蹤國際前沿，自主研發(fā)了系列化的具有國際先進(jìn)水平和能力的海洋技術(shù)和裝備，為專項提供海洋科學(xué)研究所需的自主式觀測系統(tǒng)、連續(xù)觀測與作業(yè)系統(tǒng)、新型傳感器以及探測和取樣設(shè)備等，為解決和科學(xué)分析海洋科學(xué)問題及海洋現(xiàn)象提供了技術(shù)手段，形成自主知識產(chǎn)權(quán)的裝備，推動我國深海探測與作業(yè)技術(shù)的發(fā)展[2]。

1 項目研究內(nèi)容

面向?qū)ｍ椀目茖W(xué)需求，項目主要開展了三類海洋技術(shù)裝備的研制與應(yīng)用工作。

1.1 自主式觀測系統(tǒng)

自主式觀測系統(tǒng)通過母船布放后，脫離母船工作，主要使用相對長期、連續(xù)的海洋自主移動觀測平臺，來滿足海洋科學(xué)調(diào)查對高時空分辨率現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)或敏感區(qū)域自主觀測的實(shí)際需求。其主要包括 300 m/1 000 m 水下滑翔自主觀測系統(tǒng)、1 000 m 級長期定點(diǎn)剖面觀測型自主水下機(jī)器人（AUV）以及 4 500 m 級深海熱液探測 AUV 等系統(tǒng)。

水下滑翔機(jī)是一種將浮標(biāo)、潛標(biāo)技術(shù)與水下機(jī)器人技術(shù)相結(jié)合的新型海洋環(huán)境水下觀測平臺[3]。其通過調(diào)整自身浮力提供驅(qū)動力，并依靠水平翼的升力將垂直運(yùn)動轉(zhuǎn)換為水平運(yùn)動，同時通過內(nèi)置姿態(tài)控制裝置和航向控制裝置控制其姿態(tài)角和航向角，實(shí)現(xiàn)連續(xù)可控的滑翔運(yùn)動，來滿足專項對高時空分辨率現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)或敏感區(qū)域自主觀測的需求。水下滑翔自主觀測系統(tǒng)就是利用多臺水下滑翔機(jī)協(xié)同完成自主觀測任務(wù)。

長期定點(diǎn)剖面觀測型 AUV 是一種新型自航式和垂直剖面運(yùn)動相結(jié)合的自主連續(xù)觀測系統(tǒng)，通過高精度的雙向浮力調(diào)節(jié)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)水平航行和垂直剖面運(yùn)動，搭載相關(guān)的傳感器，可以獲得超過 30 天的海流、溶解氧、濁度、葉綠素、溫鹽深等海洋要素的長期剖面數(shù)據(jù)信息，來滿足黑潮流經(jīng)的敏感海域的長期、定點(diǎn)、連續(xù)觀測的需求[4]。

深海熱液探測 AUV 系統(tǒng)是一套集成微地形地貌測量、海底照相、熱液異常探測等傳感器的 4 500 m 級 AUV系統(tǒng)，可以在復(fù)雜近海底環(huán)境自主航行，可以滿足深海熱液活動區(qū)和冷泉區(qū)域精細(xì)聲學(xué)探測和近底光學(xué)觀測的需求。

1.2 海洋連續(xù)觀測與作業(yè)系統(tǒng)

海洋連續(xù)觀測與作業(yè)系統(tǒng)主要是依托母船開展工作，主要解決海洋物質(zhì)、能量、熱量等的輸運(yùn)過程研究急需的連續(xù)觀測系統(tǒng)，促進(jìn)西太平洋及中國近海海洋環(huán)流動力學(xué)的研究。主要包括：500 m 船載拖曳式光纖溫深剖面連續(xù)觀測系統(tǒng)、3 000 m 深海生態(tài)過程長期定點(diǎn)觀測系統(tǒng)和 6 000 m 級深海科考型遙控水下機(jī)器人（ROV）系統(tǒng)等。

船載拖曳式光纖溫深剖面連續(xù)測量系統(tǒng)是一種高密度、高效率船載拖曳式測量裝備，充分發(fā)揮系統(tǒng)在時間上和空間上的連續(xù)測量的優(yōu)勢，為海洋調(diào)查和科學(xué)研究提供了全新的觀測技術(shù)手段，以快速高效獲取高時空密度溫深數(shù)據(jù)[5]。

深海生態(tài)過程長期定點(diǎn)觀測系統(tǒng)是一種框架式水下固定觀測平臺，可根據(jù)科學(xué)需求選擇搭載不同的傳感器，可長期在海底進(jìn)行連續(xù)定點(diǎn)觀測，并且可以通過ROV 來調(diào)整觀測的具體位置，可以獲得超過一年的多傳感器同步定點(diǎn)精確觀測數(shù)據(jù)，來研究深海生態(tài)系統(tǒng)的形成與演變機(jī)制，生物生長周期和代謝節(jié)律，種群隨季節(jié)變化等海洋現(xiàn)象。

深?？瓶夹?ROV 系統(tǒng)將是我國首臺自主研發(fā)面向科考應(yīng)用的 6 000 m 級 ROV 裝備，采用全電動推進(jìn)技術(shù)，降低平臺噪聲，減少對環(huán)境的影響；采用光纖通信技術(shù)實(shí)時傳輸視頻及數(shù)據(jù)，使用先進(jìn)照明攝像設(shè)備，能夠進(jìn)行水下廣播級高清視頻拍攝；配有高精度導(dǎo)航和定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水下多自由度高精度控制；具有豐富設(shè)備接口，可搭載多種科考儀器設(shè)備，安裝兩臺靈巧機(jī)械手，可進(jìn)行近海底采樣作業(yè)。

1.3 新型海洋觀測系列傳感器與采樣系統(tǒng)

新型海洋觀測系列傳感器與采樣系統(tǒng)依托于母船或水下平臺開展工作，通過開展深海生物、生態(tài)環(huán)境探測技術(shù)及傳感器、深海熱液探測技術(shù)及傳感器的研制，解決深海環(huán)境尚缺少有效的傳感器和系統(tǒng)探測技術(shù)問題，提高對該區(qū)域深海觀測、探測能力，促進(jìn)深海生物地球化學(xué)循環(huán)科學(xué)研究的發(fā)展。主要包括：基于深海 ROV 平臺的 4 500 m 級拉曼光譜原位定量探測系統(tǒng)、3 000 m/6 000 m 深水可視化可控輕型沉積物柱狀取樣系統(tǒng)、3 000 m 高通量深海海水采樣及分級過濾系統(tǒng)和 4 500 m 級深海極端環(huán)境高精度溫度鏈等。

基于深海 ROV 平臺的拉曼光譜原位定量探測系統(tǒng)采用的拉曼光譜具有非接觸、無損并且可多組分同時探測的優(yōu)點(diǎn)，基于拉曼光譜技術(shù)研發(fā)的 RiP 系統(tǒng)尤其適用于深海熱液噴口、海底冷泉等極端環(huán)境下的原位物質(zhì)成分探測與分析[6,7]。

深水可視化可控輕型沉積物柱狀取樣系統(tǒng)結(jié)合往復(fù)式氣動夯擊關(guān)鍵技術(shù)，采用立式采樣系統(tǒng)收放操作，并增加了實(shí)時控制與監(jiān)測和水下定位等功能的適用于深水的綜合性柱狀沉積物采集。

高通量深海海水采樣及分級過濾系統(tǒng)采用原位過濾獲取樣本的深海取樣方法，為研究深海懸浮顆粒物研究提供一種簡約有效的取樣技術(shù)手段，改變了傳統(tǒng)使用采水器采水，提升到船上實(shí)驗室進(jìn)行過濾后取得樣本的工作模式[9]。

深海極端環(huán)境高精度溫度鏈，在深海極端環(huán)境下對熱液口溫度和冷泉區(qū)溫度進(jìn)行精確的梯度測量，研究深海熱量輸運(yùn)過程。

2 項目進(jìn)展

經(jīng)過 4 年的研制工作，3 種類型的深海技術(shù)裝備經(jīng)過設(shè)計、加工、制造、調(diào)試以及湖海試驗等研制階段，全面達(dá)到了主要技術(shù)指標(biāo)要求。緊密圍繞科學(xué)問題，部分技術(shù)裝備已經(jīng)在海上試驗和航次應(yīng)用中發(fā)揮了重要作用，取得了顯著的科研成果。

2.1 初步構(gòu)建我國面向海洋科學(xué)研究的自主式觀測系統(tǒng)技術(shù)體系

研制面向海洋科學(xué)研究的系列自主式觀測系統(tǒng)，構(gòu)建我國面向海洋科學(xué)研究的自主式觀測系統(tǒng)技術(shù)體系，形成了1 000 m 以淺海洋環(huán)境長期連續(xù)觀測能力和 4 500 m以淺近海底精細(xì)探測能力。其中，海洋環(huán)境連續(xù)觀測時間超過了 1 個月，航程超過了1 000 km，為長期、大范圍海洋觀測奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，并在國內(nèi)率先利用大深度AUV 在近海底進(jìn)行聲光精細(xì)探測開展冷泉研究工作。

2.1.1 水下滑翔自主觀測系統(tǒng)

中科院沈陽自動化所主持研制的“海翼”300 m和 1 000 m 兩個系列水下滑翔機(jī)，在研制過程中，結(jié)合科學(xué)目標(biāo)進(jìn)行了一系列海試研究，提高了水下滑翔機(jī)技術(shù)成熟度，引領(lǐng)我國水下滑翔機(jī)率先邁入了實(shí)際觀測應(yīng)用階段。水下滑翔機(jī)在水面的通信工作狀態(tài)及中尺度渦觀測路徑如圖 1 所示。

2014 年 10 月，“海翼”水下滑翔機(jī)在南海結(jié)束了為期一個多月的海上試驗。在長航程試驗中，水下滑翔機(jī)在 55 km×55 km 區(qū)域內(nèi)連續(xù)航行，航程突破 1 000 km，達(dá)到 1 022.5 km，獲得 229 個 1 000 m 深剖面觀測數(shù)據(jù)，這是我國水下滑翔機(jī)首次持續(xù)觀測航程超過1 000 km，持續(xù)觀測時間達(dá)到 30 天。實(shí)驗數(shù)據(jù)處理發(fā)現(xiàn)，在本次試驗區(qū)域發(fā)生了兩次海洋上層水體混合層變冷的現(xiàn)象，而水下滑翔機(jī)的高精度數(shù)據(jù)為定量分析混合層冷卻的原因提供了強(qiáng)有力的支持。

圖1 水下滑翔機(jī)在水面的通信狀態(tài)及中尺度渦觀測路徑

2016 年 7 月，3 臺水下滑翔機(jī)在南海西于南海西沙群島以東海域開展了中尺度渦觀測實(shí)驗。結(jié)合遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)和漂流浮標(biāo)數(shù)據(jù)，分別采用不同的觀測策略對西沙群島以東的一個直徑為 100 km 的中尺度進(jìn)行為期 15 天的連續(xù)觀測。在我國首次使用 3 臺水下滑翔機(jī)對海上動態(tài)目標(biāo)的多參數(shù)持續(xù)觀測，3 臺水下滑翔機(jī)累計航程達(dá) 1 033 km，成功完成 316 個 1 000 m 級下潛剖面，成功驗證了與衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)結(jié)合對動態(tài)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤的在線控制策略，為水下滑翔機(jī)組網(wǎng)觀測應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

2.1.2 長期定點(diǎn)剖面觀測型AUV系統(tǒng)

長期定點(diǎn)剖面觀測型 AUV 系統(tǒng)（以下簡稱“探索 1000”）是由沈陽自動化所根據(jù)專項提出的科學(xué)問題而研制的全新技術(shù)裝備，充分結(jié)合自主水下機(jī)器人和水下滑翔機(jī)的技術(shù)，突破了高精度、雙向大深度浮力調(diào)節(jié)和長航時多模態(tài)控制等關(guān)鍵技術(shù)?！疤剿?1000”具有自主航行、無動力潛浮及監(jiān)管休眠等工作狀態(tài)，在國內(nèi)尚屬首創(chuàng)，達(dá)到了國際先進(jìn)水平。“探索 1000”AUV 如圖 2 所示。

圖2 “探索1000 AUV”及其觀測數(shù)據(jù)

2015 年 10月，“探索 1000”在大連獐子島海域順利完成為期 25 天的海上試驗，進(jìn)行 11 次水下航行試驗，累計運(yùn)行超過 100 h，累計航程超過 400 km。其中單次任務(wù)使命最大連續(xù)工作時間為 94 h，最大航程為 364 km，連續(xù)觀測剖面 25 次，獲取了獐子島海域 30 h 海流、溫鹽深、葉綠素和溶解氧等連續(xù)剖面觀測數(shù)據(jù)，驗證了該區(qū)域半日潮現(xiàn)象。

2016 年 6 月初，“探索 1000”在南海圓滿完成為期 20 天的大深度海上試驗。驗證了其海上布放與回收操作的實(shí)用性及順利完成了 5 級以上海況的安全回收工作，驗證了系統(tǒng)自主航行和潛浮功能在深海工作的可靠性，最大潛浮剖面達(dá)到 700 m。在綜合試驗中，“探索 1000”在水下連續(xù)工作 7 天，航程超過 500 km，連續(xù)完成 43 個潛浮剖面觀測，最大工作水深超過 800 m，達(dá)到了國際先進(jìn)水平。

2.1.3 深海熱液探測 AUV 系統(tǒng)

深海熱液探測 AUV 系統(tǒng)（以下簡稱“探索 4500”）由沈陽自動化所和海洋所聯(lián)合研制，是一套集成微地形地貌測量、海底照相、熱液異常探測等傳感器的 4 500 m 級 AUV 系統(tǒng)（圖 3）。在研制過程中，在國內(nèi)率先突破了融合超短基線定位信息的組合導(dǎo)航技術(shù)，開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的組合導(dǎo)航和數(shù)據(jù)處理軟件，提高了工作效率和大范圍探測能力。突破基于前視聲吶信息的自主避碰技術(shù)，提高其適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境的能力，保證近海底航行的安全。

試驗中系統(tǒng)以超短定位為定位標(biāo)準(zhǔn)，自研導(dǎo)航和 PHINS 導(dǎo)航的東向誤差和北向誤差隨時間變化的誤差曲線圖。觀察 PHINS 的東向誤差和北向誤差是依賴時間的變化曲線，PHINS 的位置東向誤差最大值為 50 m，北向誤差最大值為 70 m；自研導(dǎo)航的位置東向誤差和北向誤差均在 20 m 以內(nèi)，與超短基線定位精度基本相當(dāng)。高精度的導(dǎo)航和定位數(shù)據(jù)為近海底探測提供了有力的技術(shù)支撐。

2016 年 7 月22日，“探索 4500”順利完成歷時 16 天海試和冷泉區(qū)試驗性應(yīng)用，連續(xù)下潛 8 次，在我國深海AUV上首次成功使用超短基線定位模式進(jìn)行探測作業(yè)，獲取了大面積冷泉區(qū)精細(xì)地形地貌圖和數(shù)千張海底高清影像照片。這是我國深海 AUV 首次對冷泉區(qū)進(jìn)行精細(xì)地形地貌底質(zhì)探測、近底拍照和理化環(huán)境多參數(shù)探測，獲得大量科考數(shù)據(jù)。

圖3 深海熱液探測 AUV 系統(tǒng)及其拍攝海底照片

2.2 初步構(gòu)建我國最先進(jìn)的海洋連續(xù)觀測與作業(yè)系統(tǒng)

研制船載大范圍連續(xù)觀測、海底定點(diǎn)長期觀測以及大深度作業(yè)系統(tǒng)，形成海洋連續(xù)觀測和大深度作業(yè)能力，構(gòu)建了我國最先進(jìn)的海洋連續(xù)觀測與作業(yè)系統(tǒng)，開展海上試驗和航次應(yīng)用。

2.2.1 船載拖曳式光纖溫深剖面連續(xù)測量系統(tǒng)

船載拖曳式光纖溫深剖面連續(xù)測量系統(tǒng)由中科院半導(dǎo)體所研制，突破了任意長度接續(xù)和疊加成鏈、低損耗抗擠壓熔接點(diǎn)保護(hù)等關(guān)鍵技術(shù)[8]，成功研制了50 m 和 200 m 長度的溫深測量系統(tǒng)，從傳感器設(shè)計與封裝、解調(diào)儀長期穩(wěn)定性、絞車系統(tǒng)設(shè)計與集成調(diào)試等方面完成了一系列的技術(shù)攻關(guān)，并完成了相應(yīng)的海試，正在制備 500 m 的拖曳鏈系統(tǒng)。

2016 年 7 月，在北黃海進(jìn)行了拖曳海試工作，試驗中，絞車實(shí)物圖及導(dǎo)向滑輪如圖 4 所示。

黃海夏季為黃海冷水團(tuán)鼎盛時期，冷水團(tuán)分布范圍廣，黃海冷水團(tuán)分布呈品字形分布。其北黃海冷水團(tuán)核心位于 38.5°N 左右。從試驗數(shù)據(jù)中可以觀測到溫躍層處等值線呈傾斜狀態(tài)，即南部溫躍層位置較北部溫躍層位置偏淺，且南部溫躍層等值線較北部密集，底部存在一個 8°C 的閉合冷水核心區(qū)。

溫度鏈拖曳所獲得的海試數(shù)據(jù)對冷水團(tuán)能有非常高精度和高空間分辨率的觀測，對傳統(tǒng)海洋學(xué)的調(diào)查有重要的支撐作用，不僅豐富現(xiàn)有的調(diào)查手段，同時對科學(xué)家分析海洋現(xiàn)象提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，更進(jìn)一步促進(jìn)海洋調(diào)查和海洋學(xué)研究的發(fā)展。

2.2.2 深海生態(tài)過程長期定點(diǎn)觀測系統(tǒng)

圖4 絞車、導(dǎo)向滑輪實(shí)物圖及海試狀態(tài)示意圖

深海生態(tài)過程長期定點(diǎn)觀測系統(tǒng)（以下簡稱著陸器）由中科院沈陽自動化所研制（圖 5）。2016 年 4 月，在南海完成 3 000 m 級海上試驗后，于 2016 年 6 月搭載“科學(xué)”號考察船在南海冷泉區(qū)開展了為期16天的水下連續(xù)觀測。在 ROV 協(xié)助下，對著陸器觀測點(diǎn)位置進(jìn)行了精確調(diào)整，獲得了冷泉區(qū)生物的高清照片和海底物理、化學(xué)等環(huán)境參數(shù)的大量觀測數(shù)據(jù)，為科學(xué)家研究南海冷泉生物群落及其所處環(huán)境的變化特征是否存在潮汐周期相關(guān)性等科學(xué)問題提供了有力的數(shù)據(jù)支撐。

圖5 深海生態(tài)過程長期定點(diǎn)觀測系統(tǒng)及其科考應(yīng)用

通過試驗性科學(xué)應(yīng)用，獲得了南海冷泉生物群落密集區(qū)的理化環(huán)境參數(shù)的原位數(shù)據(jù)，與普遍認(rèn)為的深海環(huán)境處于低氧條件不同，著陸器的觀測結(jié)果表明該區(qū)域 DO（溶解氧）飽和度接近 50%，對于多數(shù)貝類底棲生物，并不形成脅迫。根據(jù) ADCP（聲學(xué)多普勒流速剖面儀）的分析結(jié)果，該冷泉區(qū)域底層流非常強(qiáng)勁，黑潮底層的海水可能經(jīng)該海流輸運(yùn)到冷泉區(qū)，并及時補(bǔ)充底層生物的 DO 消耗。甲烷濃度表現(xiàn)出明顯的日變化，潮汐可能是造成該變化的主要原因。甲烷濃度變化會對生物行為產(chǎn)生顯著影響，在高甲烷（CH4）濃度的時間中，深海貝Bathymodiolus 的開殼換水頻率有所增加，同時潛鎧蝦也表現(xiàn)出跟隨 CH4高值區(qū)遷移的特性。本次結(jié)果顯示，甲烷濃度是影響深海生物行為的主要因素之一，深海底層流和潮汐也將為深海生物提供良好的生境并影響種群的輸送。

2.3 研發(fā)國際和國內(nèi)技術(shù)領(lǐng)先的新型海洋觀測傳感器和采樣系統(tǒng)

研制新型傳感器、探測和取樣設(shè)備，形成大深度、高精度原位精細(xì)探測與采樣能力，部分成果達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

2.3.1 基于深海 ROV 平臺的拉曼光譜原位定量探測系統(tǒng)

拉曼光譜原位定量探測系統(tǒng)（RiP 系統(tǒng)）由中科院海洋所研制，依托深海 ROV 平臺開展近海底原位探測，在突破激光拉曼光譜儀及探針等關(guān)鍵器件技術(shù)攻關(guān)后，進(jìn)行了系統(tǒng)輕型化改造和雙控制系統(tǒng)的升級，現(xiàn)已順利完成專項“科學(xué)”號 2015 年度、2016 年度冷泉-熱液綜合航次的科考任務(wù)，分別對馬努斯熱液區(qū)、沖繩海槽熱液區(qū)及我國南海北部冷泉區(qū)等幾個靶定區(qū)域進(jìn)行了原位拉曼光譜探測，并開展了一系列的科學(xué)應(yīng)用試驗。

在我國南海首次發(fā)現(xiàn)裸露于海底的天然氣水合物。在冷泉溢流口附近生物群落下發(fā)現(xiàn)了表層天然氣水合物，并通過 RiP 系統(tǒng)獲得了天然氣水合物樣品的深海原位拉曼光譜，拉曼光譜數(shù)據(jù)表明其為標(biāo)準(zhǔn)的 I 型水合物。

為了研究冷泉溢流口附近環(huán)境對天然氣水合物生成和分解過程的影響，在我國南海冷泉考察期間，利用 RiP系統(tǒng)對冷泉溢流口附近的溢流氣體原位快速生成水合物的過程進(jìn)行了原位拉曼光譜探測（圖 6）。

圖6 冷泉附近溢流氣體快速生成天然氣水合物及拉曼光譜原位探測

在冷泉溢流口附近生物群落下覆水中首次發(fā)現(xiàn)溶解或者懸浮態(tài)的自然硫（S8）且其與硫酸根（SO42-）及CH4濃度和深度有一定的關(guān)聯(lián)性。通過 2016 年度 2 個航次的重復(fù)實(shí)驗，驗證了這一關(guān)聯(lián)性，由此可以將AOM（anaerobic oxidation of methane）過程從沉積物層擴(kuò)展到生物群落下覆水層，且可以大膽假設(shè)存在將硫化氫進(jìn)一步氧化成自然硫的微生物參與的新氧化反應(yīng)，這在國際上尚屬首次。

對熱液區(qū)不同溫度的熱液噴口溢流體及熱液噴口附近的特殊系統(tǒng)進(jìn)行了原位拉曼光譜探測。在 2015 年度的冷泉-熱液綜合航次考察期間，RiP 系統(tǒng)對馬努斯熱液區(qū)的黑煙囪、白煙囪進(jìn)行了原位拉曼光譜探測，獲得黑煙囪噴口附近流體（280oC）中的化學(xué)成分的典型拉曼光譜。2016 年度航次期間，利用 RiP 系統(tǒng)對沖繩海槽熱液噴口附近的液態(tài) CO2pool 進(jìn)行了原位拉曼光譜探測。

目前的研究成果可以為深海熱液噴口、海底冷泉等極端區(qū)域的海洋化學(xué)分析提供一種新思路和方法，為研究冷泉熱液的形成機(jī)制、物質(zhì)能量交換過程等科學(xué)問題提供有力的數(shù)據(jù)支持。

2.3.2 深水可視化可控輕型沉積物柱狀取樣系統(tǒng)

深水可視化可控輕型沉積物柱狀取樣系統(tǒng)（以下簡稱：取樣系統(tǒng)）由中科院海洋所研制，在對 3 500 m 取樣系統(tǒng)進(jìn)行工程化改造的同時，研制了 6 000 m 取樣系統(tǒng)。

2014 年 3 500 m 取樣系統(tǒng)在海試中，在冷泉與熱液區(qū)共取得約 12.5 m 沉積物柱狀樣品，其中最長樣品長度約為 285 cm。2015 年專項航次中，進(jìn)一步完善的 3 500 m 取樣系統(tǒng)在南海冷泉與馬努斯熱液 2 個工區(qū)內(nèi)共取得沉積物柱樣約 52.5 m，最長樣品長度為 10.9 m，取樣率最高可達(dá) 90.8%。對沉積物樣品進(jìn)行 10 cm 分層沉積物孔隙水進(jìn)行提取，獲得 510 個分層孔隙水樣品。在國內(nèi)首次獲得馬努斯熱液區(qū)沉積物柱狀樣品。3 500 m 取樣系統(tǒng)海上試驗及取得的樣品如圖 7 所示。

2016 年專項航次中，對 6 000 m 取樣系統(tǒng)進(jìn)行了海試并應(yīng)用于取樣和調(diào)查工作，共取得樣品約 50m，最長樣品長度約為 6.4 m，取樣率最高可達(dá) 80%，對沉積物樣品進(jìn)行現(xiàn)場 10 cm 分層的沉積物孔隙水提取，獲得 300個分層孔隙水。

以孔隙水研究為例：南海冷泉流體中富含 CH4，這些流體在自身浮力作用下沿優(yōu)勢通道向海底運(yùn)移的過程中，在甲烷厭氧氧化菌和硫酸鹽還原菌的作用下能夠有效地改變孔隙水中硫酸根、鈣離子等組分的含量。該冷泉地區(qū)水合物廣泛發(fā)育，如果這些富甲烷流體來源于天然氣水合物的分解，其釋放出的大量水分則會降低氯離子、鈉離子等保守離子的含量，水分子 δ18O 值也會有所指示。因此，孔隙水中特征離子的含量是研究海底流體活動的重要指標(biāo)。

3 500 m 和 6 500 m 取樣系統(tǒng)都成功地進(jìn)行了海試與應(yīng)用，獲得了大量寶貴樣品，有利地保障了專項在各研究海區(qū)沉積物地球化學(xué)特征和沉積環(huán)境演化等方面的研究工作。

2.4 小結(jié)

為滿足專項的科學(xué)需求，項目的深海海洋探測設(shè)備在經(jīng)歷研制、試驗和應(yīng)用后，取得了一定的研究成果，為專項的科學(xué)研究提供了先進(jìn)、實(shí)用、可靠的技術(shù)手段。在 2017 年度，將圍繞科學(xué)目標(biāo)構(gòu)建異構(gòu)海洋探測設(shè)備應(yīng)用系統(tǒng)，綜合利用項目研制的水面、水下和海底等不同類型的裝備，開展不同深度和不同尺度的多系統(tǒng)協(xié)同立體觀測和作業(yè)，為科學(xué)研究提供有價值的多參數(shù)協(xié)同觀測數(shù)據(jù)。

3 發(fā)展展望

圖7 3500 m級取樣系統(tǒng)海上試驗及取得的樣品

人類對海洋的認(rèn)識是一個長期漫長的過程，這需要研制工作時間更長、航程更遠(yuǎn)、深度更深、作業(yè)能力更強(qiáng)、更智能的海洋技術(shù)裝備，在認(rèn)識海洋的基礎(chǔ)上，逐步實(shí)現(xiàn)利用海洋和開發(fā)海洋的目標(biāo)。隨著技術(shù)的革新和進(jìn)步，以及深海技術(shù)裝備向著實(shí)用性、可靠性和智能化方向的發(fā)展，我國深海技術(shù)及其裝備在海洋科考及服務(wù)國民經(jīng)濟(jì)等方面將發(fā)揮重要的作用。

（1）在由單一裝備向多元、集群裝備發(fā)展方面，將立足單體技術(shù)，拓展群體式的海洋技術(shù)裝備在全球海域范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)自主協(xié)同探測與自主作業(yè)，構(gòu)建基于海洋科學(xué)研究目標(biāo)的多海洋探測設(shè)備集成與演示系統(tǒng)，形成具有長期、協(xié)作、多系統(tǒng)、低成本、全立體式的海洋信息綜合探測與作業(yè)能力。利用項目研發(fā)的、已經(jīng)過海試的技術(shù)裝備，結(jié)合科學(xué)目標(biāo)，進(jìn)行多類型、多臺套、多用途的海洋設(shè)備集成演示，并開展示范應(yīng)用。利用多種不同類型的裝備，開展不同深度和不同尺度的立體觀測，為科學(xué)研究提供有價值的多參數(shù)協(xié)同觀測數(shù)據(jù)，為專項與國家相關(guān)專項的有機(jī)銜接，奠定堅實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

（2）在人類從事海洋活動的類型轉(zhuǎn)換方面，加強(qiáng)對具有作業(yè)能力的深海裝備的研發(fā)和攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)人類海洋活動從信息型到作業(yè)型的轉(zhuǎn)變。豐富并提高海洋裝備的探測和作業(yè)能力，實(shí)現(xiàn)由自主觀測到自主探測以及最終自主作業(yè)的目標(biāo)。實(shí)現(xiàn)從信息型到作業(yè)型的轉(zhuǎn)變將是深海技術(shù)裝備重要的發(fā)展趨勢之一。人類對海洋的認(rèn)識是一個漫長的時代，通過努力，研制具有更高智能和更強(qiáng)作業(yè)能力的海洋裝備，在認(rèn)識海洋的基礎(chǔ)上，逐步實(shí)現(xiàn)利用海洋和開發(fā)海洋的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)由觀測到探測，最終實(shí)現(xiàn)作業(yè)的目標(biāo)。

（3）在進(jìn)一步提升我國海洋裝備的實(shí)用性、可靠性和智能水平方面，將立足專項目標(biāo)，拓展實(shí)現(xiàn)海洋科學(xué)問題解決的新方案，開創(chuàng)海洋探測與研究的無人時代。

隨著海洋技術(shù)裝備的發(fā)展將全面進(jìn)入無人化時代，具有大范圍探測和精細(xì)作業(yè)能力的智能化海洋機(jī)器人將全面引領(lǐng)海洋技術(shù)裝備的發(fā)展，為研究海洋科學(xué)問題提供強(qiáng)有力的技術(shù)手段。在水面以無人科考船為支撐平臺，在水下以無人科考站為支撐平臺，將陸上實(shí)驗室搬到海底，從海面向下和海底向上兩個維度研究海洋。依托這兩種支撐平臺，為在海洋中的無人系統(tǒng)提供能源補(bǔ)充和信息交互，這樣將建立基于海洋機(jī)器人的長期綜合立體無人探測與作業(yè)系統(tǒng)，完全改變現(xiàn)在以人為主體的科考模式，開創(chuàng)以群體高智能水平的海洋機(jī)器人為核心的未來科考模式，為海洋科學(xué)的研究提供有高價值的科考數(shù)據(jù)，為人類更好地開發(fā)和利用海洋作出更大的貢獻(xiàn)。

4 結(jié)束語

中科院海洋先導(dǎo)專項的順利實(shí)施，帶動了深海海洋技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，針對專項科學(xué)目標(biāo)，取得了一批原創(chuàng)性科技成果，提升了我國海洋領(lǐng)域科技創(chuàng)新能力，為我國的科技事業(yè)創(chuàng)新跨越式發(fā)展作出了重要貢獻(xiàn)。海洋先導(dǎo)專項首次把海洋作為一個整體，從系統(tǒng)的角度開展研究，各個項目之間有機(jī)聯(lián)系，技術(shù)為科學(xué)提供先進(jìn)的探測手段，而且深海技術(shù)裝備本身也逐步形成為一個有機(jī)整體，構(gòu)建了一個面向海洋科學(xué)研究的技術(shù)體系。針對科學(xué)問題，各種類型、不同功能、不同深度等級的海洋裝備可以協(xié)同觀測，獲取大量多參數(shù)科考數(shù)據(jù)，為人類進(jìn)入無人化時代探索海洋和認(rèn)知海洋提供了一種新的技術(shù)解決方案和途徑。

1 李靖宇. 以海洋強(qiáng)國為取向推進(jìn)國家重大戰(zhàn)略工程. 區(qū)域經(jīng)濟(jì)評論, 2014, (04)∶ 104-108.

2 錢洪寶, 俞建成, 韓鵬, 等. 我國大型深潛裝備研發(fā)管理存在的問題及對策思考. 高技術(shù)通訊, 2016, 26(2)∶ 200-206.

3 俞建成, 劉世杰, 金文明, 等. 深海滑翔機(jī)技術(shù)與應(yīng)用現(xiàn)狀. 工程研究-跨學(xué)科視野中的工程, 2016, 8(2)∶ 208-216.

4 Jiang Z B, Liu T J, Xu H X, et al. Multivariable decoupling control based on TC control in the diving and floating process of AUV. Applied Mechanics and Materials, 2015, 741∶ 720-724.

5 Zhang D P, Wang J, Wang Y J, et al. A fast response temperature sensor based on fiber bragg grating. Measurement Science and Technology, 2014, 25(7)∶ 1-4.

6 Tian Z, Zhang X, Liu C, et al. Feasibility study on quantitive analysis of sulfide concentration and pH of ocean sediment pore water via Raman spectroscopy. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2015, 35(03)∶ 649-656.

7 田陟賢, 張鑫, 劉昌齡, 等. 孔隙水中硫酸根和甲烷的拉曼定量分析可行性研究. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù), 2014, 37(7)∶ 162-166.

8 Zhao Q, Qu Y, Wang Y J, et al. Wavelength evolution of long-period fiber gratings in a water environment. Appl Opt, 2013, 52(11)∶ 2478-2483.

9 Chen Y H, Xu Y P, Ni Z T, et al. Design and development of a drifting buoyfor gathering environmental data. Advanced Materials Research, 2014, 3(1)∶417-421.

李 碩 中科院沈陽自動化所副所長，水下機(jī)器人研究室主任，研究員。中科院“熱帶西太平洋海洋系統(tǒng)物質(zhì)能量交換及其影響”戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項“深海設(shè)備研發(fā)與應(yīng)用”項目負(fù)責(zé)人。主要從事水下機(jī)器人總體技術(shù)、極端環(huán)境下的深海技術(shù)與裝備研發(fā)等研究與應(yīng)用工作。主持完成國家“863”等相關(guān)項目10余項，發(fā)表學(xué)術(shù)論文30余篇，申請并授權(quán)發(fā)明專利多項。E-mail∶ shuoli@sia.cn

Li Shuo Professor, Director of Marine Robotics Department, Deputy Director of Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences. Professor Li is the project manager of Application and Development of Deep-sea Equipments, which belongs to the strategic pilot projectsexecuted by Chinese Academy of Sciences named as Western Pacific Ocean System∶ Structure, Dynamics and Consequences. His research focuses on the technology of underwater vehicles, and research, development and application of deep-sea equipments especially for the extreme underwater environment. He has been the principal investigator of tens of projects such as National “863” Plan, and lead to over 10 research papers and invention patents. E-mail∶ shuoli@sia.cn

唐元貴 男，中科院沈陽自動化所副研究員，水下機(jī)器人研究室海洋探測部部長。中科院“熱帶西太平洋海洋系統(tǒng)物質(zhì)能量交換及其影響”戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項“深海設(shè)備研發(fā)與應(yīng)用”項目主管。主要從事水下機(jī)器人總體優(yōu)化技術(shù)、新概念水下機(jī)器人ARV研究與應(yīng)用等相關(guān)工作。主持完成國家自然科學(xué)基金、中科院創(chuàng)新基金等項目5項，發(fā)表學(xué)術(shù)論文10篇，申請并授權(quán)發(fā)明專利9項。E-mail∶ tyg@sia.cn

Tang Yuangui Male, Doctor, Associate Professor, Head of Marine Exploration Group of Marine Robotics Department. Doctor Tang is the project supervisor of Application and Development of Deep-sea Equipments, which belongs to the strategic pilot projects executed by Chinese Academy of Sciences named as Western Pacific Ocean System∶ Structure, Dynamics and Consequences. His research focuses on the optimization of underwater vehicles, research and development of new generation of underwater vehicles, such as ARV. He has been the principal investigator of 5 projects including National Natural Science Fund, and lead to 10 research papers and 9 invention patents.

E-mail∶ tyg@sia.cn

Review and Prospect for Chinese Deep-sea Technology and Equipment

Li Shuo1Tang Yuangui1Huang Yan1Liu Tiejun1Liu Jian1Li Bin1Zhang Xin2Luan Zhendong2Wang Yongjie3
（1 Shenyang Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China; 2 Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 3 Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100083, China）

After nearly half-a-century of efforts, China has made considerable progress and development in ocean technology and equipment. Especially in these years, the development of deep-sea technology and equipment has provided new impetus to the innovation of ocean science in China. Based on the current situation of China's deep-sea technology and equipment, one of strategic pilot projects executed by Chinese Academy of Sciences named as Western Pacific Ocean System∶ Structure, Dynamics and Consequences, which is short for WPOS, puts forward the scientific application of deep-sea exploration and operational equipment. In order to meet the needs of scientific research, the WPOS project sets special task for developing integrated oceanographic surveys and operations using autonomous observing systems, continuous observing and operating systems, and new ocean sensors and sampling equipment. During the four years of implementation, the deep-sea technology and equipment for the special scientific objectives, has formed a fully independent intellectual property rights of equipment research and development capabilities in the application of ocean science. Great achievements in scientific research have been made and technical means have been provided for scientific analysis of ocean scientific issues and ocean phenomenon. All of those promoted the development of China's deep-sea exploration and operational technology. This project played an important guiding role in the country's deep-sea technology and equipment development.

deep-sea technology and equipment, autonomous observation, continuous observation and operation, new ocean observing sensors and sampling systems

*資助項目：中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（XDA1104 0000）

** 通訊作者

修改稿收到日期：2016年12月10日