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嘉峪檢測網(wǎng) 2018-07-12 13:53
1、發(fā)展總體情況
海洋占據(jù)了地球4/5的表面積，是各種礦產(chǎn)、油氣和生物資源的巨大寶庫。黨的“十八大”作出了“建設(shè)海洋強(qiáng)國”的重大部署，要求“提高海洋資源開發(fā)能力，發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)，保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境，堅(jiān)決維護(hù)國家海洋權(quán)益，建設(shè)海洋強(qiáng)國”，還提出要“高度關(guān)注海洋、太空和網(wǎng)絡(luò)安全”，這表明海洋與國家權(quán)益息息相關(guān)，國家必須要通過大力發(fā)展海洋高新技術(shù)，發(fā)展具有自主知識產(chǎn)權(quán)的海洋高新技術(shù)裝備，奮力追趕國外先進(jìn)水平，以防受制于人。
在海水中，光波和無線電波衰減嚴(yán)重，傳播距離十分有限，難以滿足人類海洋活動，如水下目標(biāo)探測、通信、導(dǎo)航和定位的需要。相比之下，聲波在水中的傳播性能要好得多，采用海洋聲學(xué)技術(shù)研發(fā)的許多海洋聲學(xué)裝備成為人類觀察海洋的“鼻子”、“眼睛”、“耳朵”和“嘴”，上述特點(diǎn)決定人類在海洋資源開發(fā)、環(huán)境監(jiān)測、氣象觀測與預(yù)報(bào)、海洋測繪、海上維權(quán)活動、海洋科學(xué)研究和軍事等方面的活動離不開海洋聲學(xué)技術(shù)。
根據(jù)用途不同，海洋聲學(xué)技術(shù)又可分為海洋聲學(xué)探測技術(shù)、海洋聲學(xué)通信技術(shù)和海洋聲學(xué)定位與導(dǎo)航技術(shù)等。其中海洋聲學(xué)探測技術(shù)主要用于對海洋物理參數(shù)與過程的探測和對海洋各種特定目標(biāo)特性的探測，是人類認(rèn)識海洋、開發(fā)海洋和利用海洋必不可少的海洋高技術(shù)?；诤Ｑ舐晫W(xué)探測技術(shù)研發(fā)出大批海洋聲學(xué)探測裝備，例如合成孔徑聲納[1-2]、單波束測深儀、多波束測深系統(tǒng)[3-4]、測掃聲納、高分辨率測深側(cè)掃聲納[5]、淺地層剖面儀、多道地震系統(tǒng)[6]、聲多普勒流速剖面儀[7]、魚探儀[8-9]、前視聲納等。
近年來，在“863”等國家計(jì)劃的持續(xù)投入下，我國在海洋高技術(shù)相關(guān)領(lǐng)域快速發(fā)展，已實(shí)現(xiàn)對國外海洋聲學(xué)探測技術(shù)的全面跟蹤，取得一批成果。但綜合來看，高端海洋聲學(xué)探測設(shè)備的研究與產(chǎn)業(yè)化近年來一直是發(fā)達(dá)國家的重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域，競爭非常激烈，而我國的海洋聲學(xué)探測技術(shù)與國外先進(jìn)技術(shù)相比還有很大差距。例如對于海洋民用聲學(xué)探測裝備而言，我國90%以上的裝備來自于國外，也沒有海洋聲學(xué)探測裝備的知名品牌。
本文的目的是對我國海洋聲學(xué)探測技術(shù)的競爭力進(jìn)行分析，為下一步發(fā)展提供參考。
2、技術(shù)結(jié)構(gòu)
海洋聲學(xué)探測技術(shù)包含了6大技術(shù)方向，分別為：
全海深測繪技術(shù)；
近海底微地形測繪技術(shù)；
聲學(xué)測速測流及水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)；
海洋生物資源環(huán)境聲學(xué)探測與調(diào)查評估技術(shù)；
聲學(xué)區(qū)域安防及維權(quán)技術(shù)；
海底資源聲學(xué)勘探技術(shù)。
上述方向又可細(xì)分為18個(gè)核心關(guān)鍵技術(shù)（表1）。
表1 海洋聲學(xué)探測技術(shù)方向核心關(guān)鍵技術(shù)
全海深測繪技術(shù)側(cè)重于以船舶為探測聲納載體，實(shí)現(xiàn)對全海深的測繪，一般探測距離較遠(yuǎn)，核心關(guān)鍵技術(shù)主要包括深水多波束測深技術(shù)和雙站合成孔徑聲納的深海探查技術(shù)。近海底微地形測繪技術(shù)側(cè)重于近距離探測，通常分為淺海型和深海型，二者設(shè)備的耐壓不同，核心關(guān)鍵技術(shù)主要包括相干測深聲納技術(shù)、深海合成孔徑聲納探查技術(shù)、深水側(cè)掃聲納技術(shù)、前視成像聲納技術(shù)和近海底多波束測深技術(shù)。聲學(xué)測速測流及水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)主要用于水體中流速和水質(zhì)的監(jiān)測，核心關(guān)鍵技術(shù)主要包括聲學(xué)測流測速技術(shù)和懸浮泥沙濃度測量技術(shù)。
海洋生物資源環(huán)境聲學(xué)探測與調(diào)查評估技術(shù)主要用于漁業(yè)資源調(diào)查，核心關(guān)鍵技術(shù)包括漁探普查聲納技術(shù)和遠(yuǎn)程魚探兩用技術(shù)。聲學(xué)區(qū)域安防及維權(quán)技術(shù)[10-11]主要用于對船只、快艇、水下機(jī)器人、各種蛙人等水面水下目標(biāo)進(jìn)行自動檢測、跟蹤、識別和報(bào)警，核心關(guān)鍵技術(shù)包括多基地聲納組網(wǎng)探測、水下入侵小目標(biāo)被動探測、水下聲柵欄探測和水下聲學(xué)拒止。海底資源聲學(xué)勘探技術(shù)主要用于深層地質(zhì)構(gòu)造探測，核心關(guān)鍵技術(shù)包括甚低頻固態(tài)拖曳陣技術(shù)、前端數(shù)字化及傳輸技術(shù)和大功率拖曳氣槍聲源技術(shù)。
1、發(fā)展趨勢
在國外，海洋聲學(xué)探測技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，與其相關(guān)的技術(shù)和設(shè)備已經(jīng)形成了較完整的供需關(guān)系和產(chǎn)業(yè)鏈，進(jìn)入了良性發(fā)展的狀態(tài)。每個(gè)公司都具有自己的一類或幾類主打產(chǎn)品。
綜合多家公司產(chǎn)品，構(gòu)成了較完整的產(chǎn)品系列，以滿足多方面的需求。與海洋聲學(xué)裝備相關(guān)的各種配套產(chǎn)業(yè)，例如聲納陣制造、機(jī)械加工和電子技術(shù)等方面，發(fā)展均衡，基礎(chǔ)堅(jiān)實(shí)，這一切也為海洋聲學(xué)探測裝備的發(fā)展創(chuàng)造了良好的環(huán)境。
目前國際競爭格局呈現(xiàn)由美、歐（主要是英、法、德、挪威、瑞典、意大利、丹麥和荷蘭）、加拿大和澳大利亞主導(dǎo)，日、韓和我國跟進(jìn)的態(tài)勢。傳統(tǒng)上，水聲探測設(shè)備公司主要包括一些大型軍工制造企業(yè)，包括美國雷神 (Raytheon) 公司，歐洲的 Kongs-berg 和 ATLAS 公司等，由資深專家領(lǐng)導(dǎo)研發(fā)，有著很強(qiáng)的高技術(shù)研發(fā)能力。
近年來，隨著水聲探測民用市場的逐步擴(kuò)展，涌現(xiàn)了一大批先進(jìn)水聲技術(shù)公司，包括 RDI，LinkQuest，Edgetech，iXBlue，Reson和Blueview等。推出了富有特色、滿足用戶多樣化需求的產(chǎn)品，使得海洋聲學(xué)探測技術(shù)研發(fā)國際競爭態(tài)勢十分激烈，也從側(cè)面說明自20世紀(jì)90年代開始的國際水聲設(shè)備研發(fā)轉(zhuǎn)型取得了全面成功。
下面舉例說明幾種核心關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展趨勢：
雙站合成孔徑聲納本身是合成孔徑聲納的一個(gè)研究趨勢，在常規(guī)合成孔徑聲納技術(shù)的支撐下，雙站合成孔徑聲納可向著大水深、大測繪帶寬、高分辨率和智能化方向發(fā)展；
合成孔徑聲納向著大水深、大測繪帶寬、高分辨率和智能化方向發(fā)展；
深海側(cè)掃聲納技術(shù)向著探測、識別一體化和基于逐像素點(diǎn)聚焦的全覆蓋探測方向發(fā)展；
多普勒測速技術(shù)及產(chǎn)品向高精度、多功能、多頻化、高頻化、高耐壓、網(wǎng)絡(luò)化、定制化等方向發(fā)展;目前前視聲納向著小型化、高分辨率、遠(yuǎn)距離及高速實(shí)時(shí)處理的方向發(fā)展。
總體而言，海洋聲學(xué)探測技術(shù)與裝備未來發(fā)展的基本趨勢是：
面向深海及復(fù)雜環(huán)境；
小型化及多傳感綜合，適應(yīng)AUV小平臺應(yīng)用需求，實(shí)現(xiàn)近海底觀測和測繪功能；
換能器頻帶擴(kuò)展及多頻帶綜合，提高水聲探測的效率和精度；
在成像及海底勘探中，前端數(shù)字化及高性能計(jì)算技術(shù)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)可靠性提高和實(shí)時(shí)計(jì)算成本下降；
除了傳統(tǒng)的技術(shù)方向之外，為了適應(yīng)海洋工程的發(fā)展，派生于傳統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域的新技術(shù)方向?qū)⒉粩嘤楷F(xiàn)。
2、國外優(yōu)勢科研機(jī)構(gòu)
表2列出了海洋聲學(xué)探測技術(shù)國外主要研究機(jī)構(gòu)。
表2 聲學(xué)探測技術(shù)國外主要研究機(jī)構(gòu)
1、技術(shù)進(jìn)展
長久以來，促進(jìn)我國聲學(xué)技術(shù)發(fā)展的源動力主要來自于軍方，聲納設(shè)備裝備于水面艦艇和潛艇上，經(jīng)過多年發(fā)展，淺水聲納種類相對齊全，具有較完整的產(chǎn)業(yè)鏈。近年來，為滿足中國大洋協(xié)會主導(dǎo)的國際海域資源調(diào)查與開發(fā)的需求，我國用于深海聲學(xué)探測的裝備取得一定發(fā)展。
下面舉例說明我國幾種核心關(guān)鍵技術(shù)的技術(shù)進(jìn)展：
在聲多普勒測速技術(shù)方面：中國科學(xué)院聲學(xué)研究所自20世紀(jì)80年代起開始研究，先后研制成功船用 150 kHz 多功能聲多普勒流速剖面儀（簡稱ADCP）工程樣機(jī)和定型樣機(jī)、下放式 ADCP 工程樣機(jī)，開展了 ADCP 波浪反演研究和河流?？诹髁繙y量試驗(yàn)。系列自容式 ADCP 產(chǎn)品樣機(jī)（75kHz，150kHz，300kHz，600kHz）經(jīng)長期潛標(biāo)海上驗(yàn)證后已提供給用戶使用。715所主要開發(fā)船用38kHz和150kHz相控陣ADCP，38kHz相控陣ADCP已提供給用戶裝船使用。哈爾濱工程大學(xué)主要研發(fā)120kHz以上頻率的系列相控陣計(jì)程儀。
在聲學(xué)區(qū)域安防及維權(quán)技術(shù)方面：近年來，在反恐形勢和水下安保需求推動下，我國水下安保技術(shù)得到了快速發(fā)展。以中科院聲學(xué)所為首，包括國內(nèi)其他科研院所、中船重工、中船工業(yè)集團(tuán)在內(nèi)的相關(guān)單位，紛紛開展和參與了水下安保技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用相關(guān)工作。中科院聲學(xué)所承擔(dān)了2008年青島奧帆賽、2010年上海世博會等一系列重大賽會的水下安保任務(wù)，并在2011年召開了由中科院聲學(xué)所主辦的“全國第一屆水下安保技術(shù)學(xué)術(shù)交流會”。目前已初步形成圍繞小目標(biāo)探測為核心的水下安保技術(shù)的產(chǎn)、學(xué)、研體系，已逐步進(jìn)入水下安保技術(shù)的快速發(fā)展時(shí)期。
在合成孔徑聲納技術(shù)方面：中國科學(xué)院聲學(xué)所在“863”計(jì)劃支持下，于20世紀(jì)90年代末開始合成孔徑聲納的研究，歷經(jīng)“九五”、“十五”和“十一五”的發(fā)展，目前已經(jīng)形成了系列樣機(jī)，并建立多平臺、多頻段SAS技術(shù)體系。目前已經(jīng)掌握了合成孔徑聲納總體設(shè)計(jì)、多子陣快速成像、基于傳感器和原始回波數(shù)據(jù)的聯(lián)合運(yùn)動補(bǔ)償、自聚焦、信號調(diào)理和采集一體化模塊、大功率發(fā)射機(jī)等一系列關(guān)鍵技術(shù)。
在海洋生物資源環(huán)境聲學(xué)探測與調(diào)查評估技術(shù)方面：中國科學(xué)院聲學(xué)研究所、中國水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海研究所等多家國內(nèi)科研院所和高校已經(jīng)開展了漁業(yè)聲學(xué)相關(guān)基礎(chǔ)和應(yīng)用研究，開始培養(yǎng)漁業(yè)聲學(xué)專業(yè)的研究生。國內(nèi)已經(jīng)連續(xù)召開五屆全國漁業(yè)水聲學(xué)會議，國內(nèi)漁業(yè)聲學(xué)研究已經(jīng)初步形成良好的局面。
在聲學(xué)探測技術(shù)方面：我國在國家層面進(jìn)行了有效資助，我國合成孔徑聲納在淺海技術(shù)方面基本與國外同步、水體測流測速方向已經(jīng)形成了多個(gè)頻段產(chǎn)品、深水多波束測深技術(shù)方向處于國外第三代水平?？傮w上講，在相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，部分設(shè)備已經(jīng)具有很強(qiáng)的競爭力。但由于產(chǎn)業(yè)沒有跟上，市場主要被外國產(chǎn)品控制，在該技術(shù)領(lǐng)域上的全面競爭顯得后繼乏力，技術(shù)整體先進(jìn)性、新技術(shù)創(chuàng)新能力、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化能力與國際水平相比尚有不小的差距。通過資源合理配置，具體的技術(shù)方向尚較易突破，但整體創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面則要困難得多。
因此，總的來說，在聲學(xué)探測技術(shù)領(lǐng)域我國與國外差距還是相當(dāng)大的。
2、國內(nèi)優(yōu)勢科研機(jī)構(gòu)
表3列出了海洋聲學(xué)探測技術(shù)國內(nèi)主要研究機(jī)構(gòu)。
表3 聲學(xué)探測技術(shù)國內(nèi)研發(fā)優(yōu)勢單位
3、存在問題
目前，海洋聲學(xué)探測技術(shù)及系統(tǒng)的研發(fā)力量主要集中在科研院所和軍工企業(yè)，主要基于國家及部隊(duì)項(xiàng)目驅(qū)動進(jìn)行研發(fā)，國產(chǎn)化率較高，但產(chǎn)業(yè)化及配套技術(shù)方面力量較為分散。對于聲學(xué)系統(tǒng)而言，從樣機(jī)到產(chǎn)品需要很好地解決環(huán)境性能可靠性、主要器件（特別是換能器）工藝穩(wěn)定性和一致性、水下機(jī)械部件工作可靠性等產(chǎn)品級關(guān)鍵性技術(shù)工藝問題。因此，聲學(xué)探測技術(shù)的發(fā)展應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)市場需求方向，在項(xiàng)目層面除了強(qiáng)調(diào)聲學(xué)技術(shù)指標(biāo)外，還應(yīng)對環(huán)境應(yīng)用性能指標(biāo)提出要求。
總的來講，海洋聲學(xué)探測技術(shù)的發(fā)展需要長期穩(wěn)定的支持，按照實(shí)際需求以及迫切程度循序漸進(jìn)開展相關(guān)技術(shù)研究。同時(shí)需要加大基礎(chǔ)工業(yè)投資，提高國內(nèi)材料、工藝水平，使得海洋聲學(xué)探測技術(shù)能夠真正走向良性發(fā)展的道路。
總的來看，我國合成孔徑聲納在淺海技術(shù)方面基本與國外同步，深海合成孔徑技術(shù)尚未開展相關(guān)工作，與國際先進(jìn)水平有5~8a的差距。水體測流測速方向已經(jīng)形成了多個(gè)頻段產(chǎn)品，主要差距在于產(chǎn)品化方面。高頻成像/前視成像方面已有了初步樣機(jī)，但成像效果不及國外先進(jìn)水平，差距主要在于系統(tǒng)集成和換能器器件工藝方面，初步估計(jì)差距在10a左右。漁業(yè)資源普查及評估技術(shù)近年來剛剛起步，國內(nèi)漁用聲納系統(tǒng)基本進(jìn)口，與國外先進(jìn)水平的差距在15~20a左右。綜合來看，我國的海洋聲學(xué)探測技術(shù)與國外有10a左右的差距。
1、國外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢
多波束測深聲納技術(shù)是目前最重要的水深測量方式，包括深水多波束測深技術(shù)和近海底多波束測深技術(shù)兩大類，它能夠?qū)崿F(xiàn)海底地形地貌的寬覆蓋、高精度探測。該技術(shù)至今已經(jīng)過近60年的發(fā)展，始終保持旺盛的生命力。自20世紀(jì)80年代投入商用以來，目前已經(jīng)形成從深水到淺水，從用于船舶到用于不同工作深度水下載體的系列多波束測深聲納產(chǎn)品。
目前多波束測深聲納已經(jīng)發(fā)展到第四代水平，以采用寬帶技術(shù)、近場自動聚焦和水體顯示等技術(shù)為代表，近一步提高了聲納性能，波束數(shù)更多，測深點(diǎn)更密，集成度也更高。
典型產(chǎn)品為KONGSBERG公司的EM122深水多波束測深聲納和EM2040淺水（或近底）多波束測深聲納。前者為船載系統(tǒng)，探測水深20~11000m，標(biāo)稱指標(biāo)覆蓋寬度最大43km，單次發(fā)射形成兩行共576個(gè)波束，可加密至864個(gè)波束，波束角寬最小可達(dá)0.5°×1°。后者可安裝在船上，深海型最深可用于6000m水深，工作頻率200kHz、300kHz、400kHz可選，最多可選用兩個(gè)接收陣，此時(shí)波束數(shù)最多達(dá)1600個(gè)，覆蓋角寬最寬可達(dá)200°，波束角寬最小可達(dá)0.4°×0.7°。
在現(xiàn)代水聲、電子、計(jì)算機(jī)、信號處理技術(shù)蓬勃發(fā)展的背景下，多波束測深聲納技術(shù)水平將不斷提高：信號處理算法的不斷完善將顯著提高系統(tǒng)測深精度和覆蓋范圍；換能器和電子硬件的一致性將越來越好，采集軟件和后處理軟件功能和用戶體驗(yàn)將越來越優(yōu);系統(tǒng)探測能力將繼續(xù)增強(qiáng)，從測深擴(kuò)展到海底反向散射聲強(qiáng)探測、海底底質(zhì)探測、水中目標(biāo)探測等多方面，將極大地?cái)U(kuò)展系統(tǒng)的適用范圍;根據(jù)需求不同，多波束測深聲納的產(chǎn)品類別將更加精細(xì)化。
2、國內(nèi)技術(shù)水平判斷和依據(jù)
(1) 關(guān)鍵技術(shù)掌握程度
我國多波束測深聲納技術(shù)與國外主流技術(shù)有較大差距，長時(shí)間以來，由于從國外市場能夠買到，造成我國的全系列的多波束測深系統(tǒng)長期依賴進(jìn)口。“十一五”以來，國家支持了相關(guān)研究工作。2014年在“863”計(jì)劃支持下，研制出基本達(dá)到國際第三代水平的深水多波束測深系統(tǒng)。目前有少量淺水多波束測深聲納實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化，但性能與國外有差距，市場占有率非常低。
(2) 差距
總體來說，我國深水多波束測深聲納沒有形成系列，在信號處理、聲納陣制造、電子硬件、采集與后處理軟件等核心技術(shù)方面有5~15a差距，整體技術(shù)水平與國外相比有10a差距。
3、應(yīng)用前景
多波束測深聲納是當(dāng)今前沿的海洋高技術(shù)設(shè)備。水深數(shù)據(jù)是海洋探測中最基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)之一，準(zhǔn)確的水深數(shù)據(jù)在軍民兩方面應(yīng)用都有非常重要的意義。在海洋科學(xué)研究、資源開發(fā)、工程建設(shè)、航行安全、國家權(quán)益以及軍事等活動中，通常都需要準(zhǔn)確地獲取所關(guān)注區(qū)域內(nèi)的海底地形地貌信息，作為基礎(chǔ)資料與支撐依據(jù)。無論是船載深（淺）水多波束測深聲納，還是水下載體上的近底多波束測深聲納都具有廣闊的應(yīng)用前景。
來源：AnyTesting
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