丁忠軍 任玉剛 張奕 楊磊 李德威

摘要：深海探測(cè)是人類實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略途徑和重要手段。為加快我國(guó)開(kāi)發(fā)利用深海資源的進(jìn)程，文章系統(tǒng)梳理深海探測(cè)技術(shù)及其研發(fā)，分析關(guān)鍵性深海探測(cè)技術(shù)，并提出深海探測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。研究結(jié)果表明：全球積極研發(fā)深海探測(cè)技術(shù)，主要包括載人潛水器等深海運(yùn)載器探測(cè)技術(shù)，聲學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)和熱學(xué)等深海傳感探測(cè)技術(shù)以及生物、海水和巖芯等深海取樣探測(cè)技術(shù);我國(guó)也取得一系列研究成果，但技術(shù)水平和產(chǎn)業(yè)化水平總體較落后;精確、可靠和高效深海探測(cè)的關(guān)鍵性技術(shù)主要包括深海光學(xué)通信技術(shù)、深海導(dǎo)航定位技術(shù)、深海動(dòng)力能源技術(shù)和深海裝備材料技術(shù)，亟須技術(shù)攻關(guān);未來(lái)深海探測(cè)技術(shù)將向體系化、協(xié)同化和智能化方向發(fā)展。

關(guān)鍵詞：深海探測(cè);潛水器;傳感技術(shù);數(shù)據(jù)傳輸;人工智能

中圖分類號(hào)：P73;P71????文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A????文章編號(hào)：1005-9857（2019）04-0071-07

Research and Prospect of Deep?sea Detection Technology

DING Zhongjun1，REN Yugang1，2，ZHANG Yi1，YANG Lei1，LI Dewei1

（1.National Deep Sea Center，Qingdao 266237，China;

2.School of Mechanical Engineering，Shandong University，Jinan 250061，China）

Abstract： ?Deep?sea detection is a strategic approach and important means for sustainable development of mankind.In order to accelerate the development of deep?sea resources in China，the deep?sea detection technology which include R & D status and its application was systematically reviewed in this paper，the key deep?sea detection technology was analyzed and prospected.The results showed that the world has been actively developing deep?sea detection technology，included manned submersible and other deep?sea vehicle detection technology，deep?sea sensing and detection technologies such as acoustic，optical，electromagnetic，thermal and so on，deep?sea sampling and detection techniques such as biology，seawater，core and so on.Our country also has obtained a series of research achievements，but the technical level and the industrialization level are relatively low in general.The key technologies for accurate，reliable and efficient deep?sea detection need to be tackled，such as deep?sea optical communication technology，deep?sea navigation and positioning technology，deep?sea power energy technology and deep?sea equipment material technology.At last，it was pointed out that the deep?sea detection technology would develop towards systematization，collaboration and intelligence in the future.

Key words： Deep?sea detection technology，Submersible，Sensing technology，Data transmission，Artificial Intelligence （AI）

海洋是人類生命的起源，以其豐富的水體資源、礦產(chǎn)資源和生物資源支撐人類的永續(xù)發(fā)展。由于深海具有可視性差、水壓力大和地形復(fù)雜等特殊屬性，人類對(duì)于深海的認(rèn)知嚴(yán)重不足。隨著我國(guó)對(duì)自然資源實(shí)施戰(zhàn)略規(guī)劃和統(tǒng)一管理，我國(guó)致力于全面發(fā)展深海探測(cè)技術(shù)，提高對(duì)深海的科學(xué)認(rèn)知，為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1?深海探測(cè)技術(shù)及其研發(fā)

深海探測(cè)技術(shù)特指在深海領(lǐng)域通過(guò)傳感或取樣手段獲取海洋或海底特定地區(qū)單一時(shí)刻數(shù)據(jù)的技術(shù)（圖1）。

1.1?深海運(yùn)載器探測(cè)技術(shù)

深海運(yùn)載器是攜帶各種電子設(shè)備、機(jī)械裝置或?qū)I(yè)人員，快速和準(zhǔn)確地到達(dá)各種深海環(huán)境，進(jìn)行精確探測(cè)和科學(xué)研究的裝備平臺(tái)。深海運(yùn)載器分為載人潛水器（HOV）和無(wú)人潛水器（UUV）2個(gè)大類，其中無(wú)人潛水器又可細(xì)分為無(wú)纜自治潛水器（AUV）和纜控潛水器（ROV），近年來(lái)迅速發(fā)展的水下滑翔機(jī)（Glider）通常被劃分到無(wú)纜自治潛水器序列中[1-4]。作為綜合性的水下機(jī)動(dòng)平臺(tái)，深海運(yùn)載器自身配置探測(cè)設(shè)備開(kāi)展精確探測(cè)，還可具有針對(duì)性地配置其他高精尖探測(cè)設(shè)備開(kāi)展原位探測(cè)，是目前深海探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域的“集大成者”，具有全面的技術(shù)特點(diǎn)，是深海探測(cè)技術(shù)的發(fā)展熱點(diǎn)。

1890年，全球首艘水下運(yùn)載器（Argonaut the First）誕生。20世紀(jì)60年代，法國(guó)成功研發(fā)首臺(tái)配置推進(jìn)器的水下運(yùn)載器。同期，全球首艘載人潛水器“曲斯特I”號(hào)由美國(guó)研發(fā)并海試成功，最大下潛深度為10 916 m，創(chuàng)造全球最大下潛深度記錄[1-3]。

在此基礎(chǔ)上，以美國(guó)“阿爾文”號(hào)為代表的現(xiàn)代載人潛水器逐漸發(fā)展，并幫助人類開(kāi)展一系列深海探險(xiǎn)活動(dòng)?！鞍栁摹碧?hào)具有人眼觀測(cè)、高清攝像和聲學(xué)掃描等先進(jìn)探測(cè)手段，具備化學(xué)傳感、生物調(diào)查和地質(zhì)取樣等能力，為美國(guó)在全球載人潛水器領(lǐng)域占據(jù)領(lǐng)先地位奠定基礎(chǔ)?！鞍栁摹碧?hào)執(zhí)行了眾多重要任務(wù)，比較典型的是1966年成功執(zhí)行軍方失事墜海氫彈的緊急探測(cè)和打撈任務(wù)，轟動(dòng)軍事界;1977年首次搭載人員在加拉帕戈斯斷層帶發(fā)現(xiàn)和證實(shí)海底熱液區(qū)，并開(kāi)展海底地質(zhì)環(huán)境和生物群落等相關(guān)科學(xué)考察，獲取寶貴的第一手?jǐn)?shù)據(jù);1979年在東太平洋的中洋脊首次發(fā)現(xiàn)高溫黑煙囪。迄今為止，“阿爾文”號(hào)已完成超過(guò)5 000次下潛任務(wù)，是全球范圍內(nèi)應(yīng)用最多的載人潛水器。

在“阿爾文”號(hào)的影響下，許多國(guó)家陸續(xù)開(kāi)始研發(fā)載人潛水器。日本“Shinkai 6500”號(hào)最大下潛深度為6 527 m，配置三維成像聲吶、可旋轉(zhuǎn)式采樣籃、高清攝像機(jī)、CTD傳感系統(tǒng)和導(dǎo)航定位系統(tǒng)等先進(jìn)探測(cè)設(shè)備，對(duì)錳結(jié)核、熱液沉積物、鈷結(jié)殼和6 500 m以深的大斷層開(kāi)展科學(xué)調(diào)查，并首次探測(cè)到并獲取古老的鯨魚(yú)骨骼及其寄生貽貝的數(shù)據(jù)，目前已下潛超過(guò)千次[4]。

俄羅斯于1987年研發(fā)6 000米級(jí)“和平”系列載人潛水器（MIR 1和MIR 2），可持續(xù)開(kāi)展長(zhǎng)達(dá)20 h的下潛和探測(cè)工作，工作能量是美國(guó)“海涯”號(hào)和法國(guó)“鸚鵡螺”號(hào)的2倍，并具有高機(jī)動(dòng)性，水下瞬時(shí)速度可達(dá)5 kn[5]。“和平”系列載人潛水器在印度洋、太平洋、大西洋和北冰洋完成數(shù)千次科學(xué)考察任務(wù)，尤其是完成“共青團(tuán)”號(hào)核彈潛艇的核輻射探測(cè)、“泰坦尼克”號(hào)沉船的搜索和視頻拍攝以及“北極?2007”海洋調(diào)查等任務(wù)[6]，充分展示其卓越的技術(shù)能力。

以法國(guó)、德國(guó)和英國(guó)為代表的歐洲國(guó)家在載人潛水器研發(fā)方面也具有較強(qiáng)的基礎(chǔ)和實(shí)力，其中較著名的是法國(guó)研發(fā)的“鸚鵡螺”號(hào)6 000米級(jí)載人潛水器，具有本體重量輕和能夠水下強(qiáng)機(jī)動(dòng)等優(yōu)異的技術(shù)特點(diǎn)，此外配置1臺(tái)小型水下運(yùn)載器，可實(shí)現(xiàn)多維度深海探測(cè)，目前完成深海資源勘探、環(huán)境調(diào)查和軍事搜救等任務(wù)超過(guò)千次。

在國(guó)家“863”專項(xiàng)的支持下，中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七○二研究所、中國(guó)大洋礦產(chǎn)資源研究開(kāi)發(fā)協(xié)會(huì)、中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所和中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所等單位聯(lián)合研發(fā)我國(guó)首臺(tái)7 000米級(jí)“蛟龍”號(hào)載人潛水器?！膀札垺碧?hào)于2012年成功下潛至7 062 m，是全球下潛最深的科學(xué)作業(yè)型載人潛水器;配置高分辨率側(cè)掃聲吶、水聲通信和信號(hào)處理系統(tǒng)以及原位地質(zhì)力學(xué)測(cè)量、熱液保真取樣、溫度測(cè)量、微生物取樣、多參數(shù)化學(xué)傳感器和小型鉆機(jī)等先進(jìn)設(shè)備，深海探測(cè)能力強(qiáng)大[7-8]。此后，我國(guó)完成4 500米級(jí)載人潛水器的研發(fā)和海試，充分吸取“蛟龍”號(hào)前期設(shè)計(jì)和應(yīng)用中的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，同時(shí)大幅度增加本土化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)自主創(chuàng)新。

1.2?深海傳感探測(cè)技術(shù)

1.2.1?深海聲學(xué)傳感探測(cè)技術(shù)

深海聲學(xué)傳感探測(cè)技術(shù)利用聲波傳遞過(guò)程中入射聲波與反射聲波在頻率、時(shí)間或強(qiáng)度上的差異開(kāi)展深海探測(cè)，可分為超短基線定位技術(shù)、聲學(xué)多普勒測(cè)量技術(shù)和沉積物聲波采集技術(shù)等，被廣泛應(yīng)用于深海數(shù)據(jù)獲取、導(dǎo)航定位和目標(biāo)探測(cè)等[9]，具有代表性的有側(cè)掃聲吶探測(cè)技術(shù)、多波束探測(cè)技術(shù)、合成孔徑聲吶成像技術(shù)和淺地層剖面測(cè)量技術(shù)。

（1）側(cè)掃聲吶探測(cè)技術(shù)通過(guò)實(shí)時(shí)圖像探測(cè)海底地貌，可實(shí)現(xiàn)超視距觀察、目標(biāo)搜索和障礙物躲避。該項(xiàng)技術(shù)誕生于“二戰(zhàn)”期間，主要被應(yīng)用于軍事領(lǐng)域;20世紀(jì)60年代英國(guó)研發(fā)全球首臺(tái)民用側(cè)掃聲吶系統(tǒng)，被廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究;美國(guó)、法國(guó)和挪威等國(guó)家陸續(xù)研發(fā)Edge Tech系列和Klein系列等多型產(chǎn)品，處于全球壟斷地位。我國(guó)于20世紀(jì)70年代開(kāi)展側(cè)掃聲吶的系統(tǒng)研究，中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所、哈爾濱工程大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)和華南理工大學(xué)等單位研發(fā)SGP型和CS?1型等設(shè)備，但技術(shù)水平總體較落后，且尚未實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化。

（2）多波束探測(cè)技術(shù)利用海底反向散射的聲學(xué)機(jī)理，實(shí)現(xiàn)大深度海底底質(zhì)形貌的信息獲取和圖像構(gòu)建，基于多普勒效應(yīng)的流速測(cè)量傳感器可用于測(cè)量深海海流剖面。目前全球?qū)ι詈Ａ鲌?chǎng)了解甚少，深海流場(chǎng)測(cè)量具有重要的科學(xué)價(jià)值。挪威、美國(guó)、德國(guó)和丹麥等國(guó)家在多波束探測(cè)技術(shù)研究和應(yīng)用領(lǐng)域全球領(lǐng)先，并完成產(chǎn)業(yè)布局，以豐富的產(chǎn)品類型和先進(jìn)的技術(shù)指標(biāo)，處于全球壟斷地位。我國(guó)多波束探測(cè)技術(shù)研究仍較落后，僅有哈爾濱工程大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所、中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一五研究所和浙江大學(xué)等單位開(kāi)展相關(guān)系統(tǒng)研究，目前已完成多型淺水型多波束測(cè)深聲吶的研發(fā)，但尚未實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化。

（3）合成孔徑聲吶成像技術(shù)利用聲吶陣列向下方發(fā)射扇形波束，以小孔徑聲基陣的勻速直線運(yùn)動(dòng)虛擬大孔徑聲基陣，對(duì)深海環(huán)境進(jìn)行超視距觀察，可搜索目標(biāo)和躲避障礙物。該項(xiàng)技術(shù)起源于陸地雷達(dá)成像技術(shù)，是聲吶成像技術(shù)熱點(diǎn)之一。目前歐美國(guó)家在相關(guān)研究和應(yīng)用方面全球領(lǐng)先，如法國(guó)、挪威和美國(guó)等國(guó)家陸續(xù)研發(fā)SHADOWS、HISAS和4400 SAS等產(chǎn)品。我國(guó)于20世紀(jì)90年代開(kāi)始由中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所和中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一五研究所開(kāi)展大量研究，于2005年成功海試首臺(tái)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的合成孔徑聲吶，目前蘇州桑泰海洋公司的相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

（4）淺地層剖面測(cè)量技術(shù)利用2組指向成交的聲學(xué)換能器陣列，在航向線上構(gòu)建測(cè)深剖面帶，通過(guò)條帶上每個(gè)點(diǎn)的高分辨率深度值測(cè)量地形。淺地層剖面儀于20世紀(jì)40年代開(kāi)始研發(fā)，并于60—70年代實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化;21世紀(jì)以來(lái)，隨著電子控制、傳感檢測(cè)、信號(hào)處理和云計(jì)算等技術(shù)的飛速發(fā)展，挪威和美國(guó)處于全球領(lǐng)先地位，具備絕對(duì)實(shí)力。我國(guó)于20世紀(jì)70年代開(kāi)展淺地層剖面儀的研究工作，并取得一定的成果，但與國(guó)外同類型產(chǎn)品相比，技術(shù)可靠性和成熟度仍較低。

1.2.2?深海光學(xué)傳感探測(cè)技術(shù)

深海光學(xué)傳感探測(cè)技術(shù)主要根據(jù)光在水體中傳輸?shù)奶匦院鸵?guī)律以及水體物質(zhì)相互作用的機(jī)理，實(shí)現(xiàn)深海目標(biāo)識(shí)別和水下通信[10]，具有代表性的有水下光學(xué)傳感技術(shù)、光纖水聽(tīng)技術(shù)、水下激光通信技術(shù)和水下光學(xué)成像技術(shù)。

（1）水下光學(xué)傳感技術(shù)基于光源發(fā)出的光與水體物質(zhì)的吸收散射等相互作用，通過(guò)檢測(cè)特征光譜波長(zhǎng)的大小和強(qiáng)弱，反演物質(zhì)種類和含量。美國(guó)MBARI海洋研究所是將拉曼光譜技術(shù)應(yīng)用于深海探測(cè)的先驅(qū)，已在天然氣水合物探測(cè)、熱液探測(cè)和碳循環(huán)研究等方面取得顯著成果，此后德國(guó)和法國(guó)都開(kāi)展相關(guān)研究?！笆晃濉逼陂g，在國(guó)家“863”專項(xiàng)的支持下，中國(guó)海洋大學(xué)研發(fā)拉曼光譜探測(cè)系統(tǒng)，中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一七研究所、武漢理工大學(xué)和武漢大學(xué)等單位也在光電探測(cè)領(lǐng)域開(kāi)展部分研究。

（2）光纖水聽(tīng)技術(shù)將水聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換為光學(xué)信號(hào)，并通過(guò)光纖傳輸至信號(hào)處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)提取。該項(xiàng)技術(shù)是全球熱點(diǎn)技術(shù)，美國(guó)、英國(guó)和法國(guó)等國(guó)家已開(kāi)展大量研究。美國(guó)于20世紀(jì)70年代最早開(kāi)展相關(guān)技術(shù)研發(fā)，1983年首次完成海試，1988年完成光纖水聽(tīng)系統(tǒng)（An Optic Towed Array）的探測(cè)試驗(yàn)，目前大多數(shù)新型軍用潛艇均采用光纖水聽(tīng)器陣列技術(shù);1998年英國(guó)開(kāi)展水聽(tīng)聲吶研究，2000年與美國(guó)聯(lián)合研發(fā)成像系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)8 km和96個(gè)探頭的水下傳感探測(cè)。我國(guó)光纖水聽(tīng)技術(shù)研究起步較晚，主要由哈爾濱工業(yè)大學(xué)、南開(kāi)大學(xué)、中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一五研究所和武漢理工大學(xué)等單位開(kāi)展實(shí)際研究，已研發(fā)4元光纖水聽(tīng)傳感陣列和PGC光纖水聽(tīng)聲吶傳感系統(tǒng)等，但技術(shù)水平總體較落后。

（3）水下激光通信技術(shù)以激光為載體，通過(guò)不斷的脈沖信號(hào)和數(shù)字編碼進(jìn)行載波調(diào)制和解碼，實(shí)現(xiàn)水下數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸。美國(guó)、澳大利亞和日本等國(guó)家很早即開(kāi)展相關(guān)研究，近年來(lái)發(fā)展迅猛，相繼突破水下激光高速率數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，為相關(guān)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。2015年日本山梨大學(xué)采用波長(zhǎng)為405 nm的LD光源，在4.8 m的清水中成功實(shí)現(xiàn)1.45 GB/s的數(shù)據(jù)傳輸;2016年美國(guó)克萊姆森大學(xué)采用波長(zhǎng)為445 nm的LD光源和OOK?OAM調(diào)制模式，在2.96 m的水下成功實(shí)現(xiàn)3 GB/s的高速率數(shù)據(jù)傳輸。我國(guó)水下激光通信技術(shù)研究剛剛起步，主要由清華大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所和浙江大學(xué)等單位開(kāi)展研究。2016年浙江大學(xué)采用波長(zhǎng)為685 nm的紅色激光和32?QAM OFDM調(diào)制模式開(kāi)展水下激光通信實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到4.883 GB/s。

（4）水下光學(xué)成像技術(shù)利用水下照明和攝像設(shè)備獲取目標(biāo)的圖像信息，可應(yīng)用于深?？碧胶铜h(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。該項(xiàng)技術(shù)于1856年起源于英國(guó)，目前挪威和美國(guó)在相關(guān)研究和應(yīng)用方面全球領(lǐng)先，如OE14?408E系列和Multi Sea Cam 1060等產(chǎn)品均具備優(yōu)異的技術(shù)性能。我國(guó)主要由哈爾濱工程大學(xué)、浙江大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所等單位開(kāi)展研究，但仍處于技術(shù)研發(fā)和試驗(yàn)階段，尚未有成熟化的產(chǎn)品，相關(guān)設(shè)備主要依靠采購(gòu)。

1.2.3?深海電磁學(xué)傳感探測(cè)技術(shù)

深海電磁學(xué)傳感探測(cè)技術(shù)通過(guò)電磁學(xué)方法獲取深海場(chǎng)源的電磁場(chǎng)值，并通過(guò)對(duì)斷面的反演實(shí)現(xiàn)地下電性分布探測(cè)。美國(guó)和英國(guó)對(duì)深海電磁學(xué)傳感探測(cè)技術(shù)的研究全球領(lǐng)先，并已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，為相關(guān)企業(yè)提供實(shí)質(zhì)性的服務(wù)[11]。我國(guó)相關(guān)研究較落后，開(kāi)展研究的單位也較少，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)研發(fā)海洋大地電磁采集站，但尚未實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化。

1.2.4?深海熱學(xué)傳感探測(cè)技術(shù)

深海熱學(xué)傳感探測(cè)技術(shù)利用熱敏元件感知和測(cè)量深海沉積物參數(shù)，可為海區(qū)地球動(dòng)力、海底熱液活動(dòng)和大陸邊緣沉積盆地的演化以及油氣水化合物資源的評(píng)價(jià)等研究提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

美國(guó)WHOI海洋研究所、MBARI研究所、華盛頓大學(xué)和明尼蘇達(dá)大學(xué)等對(duì)深海熱學(xué)傳感探測(cè)技術(shù)開(kāi)展大量研究，利用熱電偶傳感器（Hobo和Vemco）在東太平洋熱液區(qū)獲取400℃熱液噴口的原位測(cè)量數(shù)據(jù)，并利用鐵合金封裝的J型熱電偶傳感器測(cè)量深海熱液噴口溫度。

我國(guó)浙江大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院海洋研究所和原國(guó)家海洋局第二海洋研究所等單位開(kāi)展相關(guān)研究。浙江大學(xué)探索深海熱液區(qū)原位溫度的長(zhǎng)時(shí)序探測(cè)，并取得一系列研究成果;2014年“蛟龍”號(hào)分別搭載由國(guó)家深?；毓芾碇行暮驼憬髮W(xué)研發(fā)的溫度梯度儀成功完成海試，并獲取海底溫度的原位測(cè)量數(shù)據(jù)。

1.3?深海取樣探測(cè)技術(shù)

1.3.1?深海生物取樣技術(shù)

深海生物取樣技術(shù)在早期科學(xué)調(diào)查中被普遍應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋浮游生物和海洋底棲生物樣品的采集，采集工具主要有拖網(wǎng)、采水器和采泥器等[11]。其中，由6位通道轉(zhuǎn)閥控制的自動(dòng)微生物取樣器（AMS）可很好地采集熱液體中的無(wú)污染微生物樣品;由球閥控制的多瓶取樣器（WHATS II）可實(shí)現(xiàn)4個(gè)取樣瓶同步的樣品采集;微生物長(zhǎng)時(shí)序自動(dòng)取樣器（Osmo Sampler）可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)達(dá)3年的連續(xù)樣品采集，但采集速率易受海底溫度等因素的影響。

1.3.2?深海海水取樣技術(shù)

深海海水取樣技術(shù)利用采水器設(shè)備以及電力和機(jī)械等控制方式，在一定深度實(shí)現(xiàn)海水樣品采集。美國(guó)和日本等國(guó)家開(kāi)展相關(guān)研究并取得代表性成果：哥倫比亞大學(xué)研發(fā)深海氣密采水器（Aqua LAB），可分析示蹤氣體、序列采集海水樣品和高保真短期采集海水樣品，單個(gè)海水樣品的最大容量為1 L，最多可采集50個(gè)，采集深度達(dá)6 000 m;華盛頓大學(xué)研發(fā)通過(guò)機(jī)械手觸發(fā)的采水器（Lupton），并在海底熱液區(qū)完成數(shù)次科學(xué)調(diào)查;東京大學(xué)研發(fā)利用泵和多通道轉(zhuǎn)閥實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)式海水樣品采集的設(shè)備，每次可采集5個(gè)海水樣品序列;北海道大學(xué)研發(fā)搭載在深海運(yùn)載器上的氣密采水器（WHAT II），用于采集海底熱液口的海水樣品，最大工作水深為4 000 m。

為提供高質(zhì)量的氣密海水樣品，美國(guó)羅得島大學(xué)和WHOI海洋研究所共同研發(fā)搭載在無(wú)纜自治潛水器上的氣密采水器，單個(gè)海水樣品的容量只有20 ml，每次下潛可采集8個(gè)氣密不保壓的海水樣品。美國(guó)MBARI研究所研發(fā)搭載在無(wú)纜自治潛水器上的主動(dòng)式大容量采水器（Gulper Sampler），可在2 s內(nèi)快速采集海水樣品，單個(gè)海水樣品的最大容量為2 L，最多可采集10個(gè)。

此外，美國(guó)WHOI海洋研究所吸收前期采水器的優(yōu)點(diǎn)，研發(fā)搭載在載人潛水器上的保壓采水器。采用2個(gè)獨(dú)立腔室的結(jié)構(gòu)，其中1個(gè)腔室預(yù)先填充氮?dú)庾鳛閮?chǔ)能室，確保海水樣品始終保持壓力平衡狀態(tài)，同時(shí)采用電機(jī)觸發(fā)的設(shè)計(jì)方案，使海水樣品采集過(guò)程更加自動(dòng)化。

1.3.3?深海巖芯取樣技術(shù)

深海巖芯取樣技術(shù)通過(guò)沖擊、射入和鉆機(jī)等方式采集巖芯樣品，目前已被廣泛應(yīng)用。

（1）保壓取芯器（PCS）。保壓取芯器以液壓驅(qū)動(dòng)單元為動(dòng)力，利用其自重和自由落體運(yùn)動(dòng)采集巖芯樣品，并利用鋼纜回收，由取樣管、球閥組件、動(dòng)作筒組件、鎖機(jī)構(gòu)、蓄能器和管路組件6個(gè)部分組成。保壓取芯器長(zhǎng)為1.5 m、直徑為99 mm、最大承壓能力為69 MPa，采集巖芯樣品的最大直徑為43 mm、最大長(zhǎng)度為990 mm，存在采集巖芯樣品直徑較小以及無(wú)法在不降壓的條件下將巖芯樣品取出的問(wèn)題。

（2）保壓取芯筒（PCB）。與其他巖芯樣品采集設(shè)備相比，保壓取芯筒的保壓性能較好，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。美國(guó)的DSDP?PCB、ESSO?PCB和Christensen?PCB的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)基本相同，均采用雙管單動(dòng)式。與保壓取芯器相比，保壓取芯筒的長(zhǎng)度較長(zhǎng)（4.5～10.0 m），通常須配置較大的卸壓采氣設(shè)備，且須切割巖芯樣品以封裝保存。

（3）HYCINTH系統(tǒng)。HYCINTH系統(tǒng)是為天然氣水合物沉積物和深海生物而特殊設(shè)計(jì)的巖芯樣品采集系統(tǒng)，根據(jù)不同的海底地質(zhì)條件，目前已研發(fā)沖擊式取樣器（FPC）和旋轉(zhuǎn)式取樣器（HRC）。其中，沖擊式取樣器的最大采集深度為1 m，采集巖芯樣品直徑為57 mm，保壓能力為25 MPa;旋轉(zhuǎn)式取樣器的最大采集深度為l m，采集巖芯樣品直徑為51 mm，保壓能力為25 MPa;二者采集巖芯樣品后的操作相同，即通過(guò)翻板閥實(shí)現(xiàn)高壓腔室密封。

（4）運(yùn)載器取芯器。隨著深海運(yùn)載器的廣泛應(yīng)用，依托其精確作業(yè)的特點(diǎn)，多類型基于深海運(yùn)載器的巖芯樣品采集設(shè)備快速發(fā)展。1991年“阿爾文”號(hào)搭載取芯器（HSTR）采集直徑為480 mm的巖芯樣品，受到廣泛關(guān)注;1995年美國(guó)Harbor Branch海洋研究所研發(fā)7 000米級(jí)運(yùn)載器取芯器，并搭載在纜控潛水器（Magellan）上成功海試;俄羅斯基于深海運(yùn)載器的取芯器具有大功率和大強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，可在花崗巖和玄武巖等硬巖上采集巖芯樣品;英國(guó)、法國(guó)和日本等國(guó)家的載人潛水器均配置巖芯樣品采集設(shè)備，并完成多次采集作業(yè)。

2?關(guān)鍵性深海探測(cè)技術(shù)

由于深海具有可視性差、水壓力大和地形復(fù)雜等特征，人類對(duì)深海的認(rèn)知極其有限，深海探測(cè)技術(shù)的研究和應(yīng)用也極具挑戰(zhàn)性。為實(shí)現(xiàn)精確、可靠和高效的深海探測(cè)，亟須開(kāi)展關(guān)鍵性技術(shù)攻關(guān)[12-13]。

2.1?深海光學(xué)通信技術(shù)

目前深海探測(cè)主要以水聲載波的方式進(jìn)行信息交互，受海水介質(zhì)的制約，聲學(xué)通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉O限速率僅為1 500 m/s，同時(shí)存在數(shù)據(jù)損耗大、環(huán)境噪聲大以及受水體折射和漫反射多徑效應(yīng)影響等問(wèn)題，導(dǎo)致通信質(zhì)量較差和穩(wěn)定性較低。以人工智能和大數(shù)據(jù)處理為代表的新一代深海探測(cè)技術(shù)亟須突破通信“瓶頸”。

光學(xué)通信具有傳輸速率高（GB/s級(jí)別）、無(wú)線、方向性好和隱蔽性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，可彌補(bǔ)聲學(xué)通信的諸多不足，是深海探測(cè)技術(shù)發(fā)展的“命脈”。未來(lái)深海探測(cè)的水上部分可采用電磁通信技術(shù)，水下部分可采用光學(xué)通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)各平臺(tái)和傳感器之間以及海-空-天之間高速和穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸。

2.2?深海導(dǎo)航定位技術(shù)

導(dǎo)航定位技術(shù)在深海探測(cè)技術(shù)體系中占有重要地位，直接反映水下作業(yè)的精確性和安全性，主要分為慣性導(dǎo)航、聲學(xué)導(dǎo)航和海洋地球物理導(dǎo)航3種技術(shù)類型。

（1）慣性導(dǎo)航是最基本的導(dǎo)航定位系統(tǒng)。受海水介質(zhì)的制約，水下電磁波衰減嚴(yán)重，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)僅能在入水前根據(jù)初始點(diǎn)推算導(dǎo)航定位，而無(wú)法實(shí)時(shí)反饋和修正位置信息，隨著作業(yè)距離和時(shí)間的累計(jì)不可避免地存在偏差，須回到水上調(diào)整，極大地影響深海探測(cè)效率，且無(wú)法實(shí)現(xiàn)精確作業(yè)。

（2）聲學(xué)導(dǎo)航利用信標(biāo)發(fā)射和接收聲學(xué)信號(hào)，通過(guò)一定的算法推算導(dǎo)航定位，通常分為長(zhǎng)基線（LBL）、短基線（SBL）和超短基線（USBL）3個(gè)類型。受海水介質(zhì)的制約，聲學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)存在嚴(yán)重延遲、易受干擾和易暴露等問(wèn)題。

（3）海洋地球物理導(dǎo)航的誤差與作業(yè)距離和時(shí)間無(wú)關(guān)，具有精度高、受限少和隱蔽性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，是目前全球研究熱點(diǎn)。

隨著光學(xué)傳感技術(shù)的進(jìn)步，深海光學(xué)導(dǎo)航定位技術(shù)越來(lái)越引起全球各國(guó)的重視，SLAM導(dǎo)航系統(tǒng)迅速興起，通過(guò)識(shí)別和提取采集到的聲吶圖像和數(shù)字圖像的特征點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)深海探測(cè)定位和環(huán)境地圖合成，有望產(chǎn)生革命性成果。

2.3?深海動(dòng)力能源技術(shù)

由于存在燃料補(bǔ)充、廢氣排放和壓力承受等困難，深海探測(cè)對(duì)動(dòng)力能源提出更高的要求。深海動(dòng)力能源技術(shù)既要突破耐高壓、耐低溫和耐腐蝕等難點(diǎn)，又要實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定性、高安全性、高可控性、高容量和低成本等目標(biāo)，是未來(lái)深海探測(cè)的關(guān)鍵性技術(shù)。

目前深海探測(cè)的動(dòng)力能源主要包括鉛酸電池、銀鋅電池、鎳基電池、鋰電池、燃料電池、核能、海洋溫差能和柴油等。其中，銀鋅電池是普遍采用的動(dòng)力能源，具有比功率、比能量、安全性和穩(wěn)定性均較高的優(yōu)點(diǎn)，但也存在充電次數(shù)有限、壽命短和成本極高等缺點(diǎn);鋰電池是目前綜合性能最好的動(dòng)力能源，具有電壓高、能力強(qiáng)、壽命長(zhǎng)和充電快等優(yōu)點(diǎn)，我國(guó)4 500米級(jí)載人潛水器已采用鋰電池供電的技術(shù)方案。

大型軍事潛艇通常采用小型核能裝置或封閉循環(huán)柴油機(jī)提供動(dòng)力能源。核能具有無(wú)限續(xù)航、安全性高和連續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，可有效解決深海探測(cè)動(dòng)力能源持續(xù)供給的問(wèn)題，發(fā)展前景廣闊。

2.4?深海裝備材料技術(shù)

綜合考慮使用成本和加工難度，目前全球普遍選擇不銹鋼或鍍層鋁合金作為深海探測(cè)裝備的主材，耐壓殼通常采用不銹鋼。這些材料造價(jià)適中，但密度較大，極大地增加裝備的整體重量，使搭載設(shè)備受限。鈦合金具有密度低、強(qiáng)度高和耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，但價(jià)格昂貴且加工困難，難以廣泛應(yīng)用于深海探測(cè)裝備。

以碳纖維和多孔結(jié)構(gòu)為特征的復(fù)合浮力材料是深海探測(cè)裝備的理想材料。日本將2種不同大小的中空玻璃微球添加到環(huán)氧樹(shù)脂中，融合得到高強(qiáng)度和低比重的復(fù)合泡沫塑料，并應(yīng)用于“Shinkai 6500”號(hào)載人潛水器。

以陶瓷為基礎(chǔ)的復(fù)合材料具有超強(qiáng)的耐壓力和天然的耐腐蝕力，且在同等耐壓條件下密度較低和體積較小，可降低材料成本和防止結(jié)構(gòu)老化。美國(guó)“海神”號(hào)深海運(yùn)載器即采用大量陶瓷復(fù)合材料，其耐壓殼采用氧化鋁陶瓷作為基材，與采用純鈦合金相比輕331 kg;“海神”號(hào)于2009年成功下潛至馬里亞納海溝10 902 m深度，充分驗(yàn)證其強(qiáng)大的耐壓性能。

3?深海探測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

3.1?體系化

深海探測(cè)技術(shù)的進(jìn)步使大范圍、高精度和準(zhǔn)同步的全球深海探測(cè)成為可能。深海探測(cè)技術(shù)的體系化有助于獲取多學(xué)科、多尺度、立體化和長(zhǎng)時(shí)序的深海探測(cè)數(shù)據(jù)?；诤Ａ繑?shù)據(jù)，采用新理論、新模型和新方法，促進(jìn)深海動(dòng)力環(huán)境、深海地球物理場(chǎng)和深海工程地質(zhì)等領(lǐng)域的科學(xué)研究。

3.2?協(xié)同化

深海探測(cè)的手段有限且成本極高，協(xié)同化作業(yè)是新一代深海探測(cè)技術(shù)的發(fā)展方向。結(jié)合人工智能、環(huán)境感知和通信控制等新興技術(shù)，在特定海區(qū)大量布設(shè)以無(wú)纜自治潛水器為代表的深海運(yùn)載器，有望實(shí)現(xiàn)大規(guī)模和多平臺(tái)的組網(wǎng)作業(yè)，提高協(xié)同探測(cè)能力。

3.3?智能化

2010年以來(lái)，以虛擬代理、決策管理、深度學(xué)習(xí)和生物特征識(shí)別等為代表的人工智能技術(shù)備受關(guān)注并蓬勃發(fā)展，已融入和改變?nèi)祟惖纳詈蜕a(chǎn)。在深海探測(cè)領(lǐng)域，可利用人工智能技術(shù)開(kāi)展探測(cè)目標(biāo)的識(shí)別和提取、探測(cè)裝備的故障診斷和容錯(cuò)控制以及深海環(huán)境的高效感知等，推動(dòng)深海探測(cè)技術(shù)的全面智能化。

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