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给你一根足够长的尺子,你能测量大海有多深吗?

发布时间:2018-09-25 17:39:44
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  来源:科学大院

  铁扇公主的芭蕉扇能够扇灭火焰山的三昧真火,科研工作者的“声波扇”可以做什么呢?

  从浩瀚宇宙遥望,地球是一颗美丽的蓝色星球,它表面 71% 被海洋所覆盖。海洋是一座巨大的资源宝库,蕴藏着丰富的海洋生物、矿物、化学以及动力资源。人们如果想深入了解海洋、在海上开展科学实验,开发或保护海洋资源,都需要获得一个最基础的海洋信息——水深。地球上海洋的平均深度大约为 3800 米,其中最深处是太平洋马里亚纳海沟“挑战者深渊”,深度大约 11000 米。那么,该如何测量这 11000 米水深呢?

  阿基米德曾讲:“给我一个立足点和一根足够长的杠杆,我就可以撬动地球。”那给你一根足够长的尺子,你能测量大海有多深吗?

  那些年为了测量海深,我们都动了哪些脑筋

  在陆地上,人们通常使用激光测量物体之间的距离,那么能用激光测量最深海域的水深吗?答案是不可行的。因为包括激光在内的电磁波在水中传播时衰减非常快,传播几百米就没能量了,所以无法用于 11000 米深海域探测的。

激光测量(图/中科院声学所)
激光测量(图/中科院声学所)

  你肯定还想到了一种方法,就是用绳子绑上重物放入水中,等重物沉到底后,通过测量绳子的长度获得水深。可惜这种方法不仅效率很低,测量结果误差非常大,而且只有特殊制作的绳子才能身负重物沉到 11000 米水深还不断裂,所以使用绳子测量深海水深实际上是难以实现的。

绳子(测深垂线)测量(图/中科院声学所)
绳子(测深垂线)测量(图/中科院声学所)

  那么到底怎样才能测量 11000 米水深呢?

  一种方法是布放深度计(或压力计)到海底进行测量,但布放回收过程耗时长,而且水深结果是根据压力和海水特性反演出来的,结果也具有一定误差。这种方法虽然空间分辨能力非常高,但探测效率(单位时间所探测的面积)非常低。

深度计测量(图/中科院声学所)
深度计测量(图/中科院声学所)

  还有一种方法是,根据重力影响下不同深度的海平面高度不同这一特性,利用卫星遥感测量海平面高度,反演出水深。此方法的探测效率非常高,但是探测结果的空间分辨能力较低,无法得到精确的海底地形数据。

卫星遥感测量(图/中科院声学所)
卫星遥感测量(图/中科院声学所)

  目前最常用的是声学方法。因为声波在水中传播时衰减远小于电磁波,频率越低衰减越小,所以通过合理选择频率,可实现 11000 米深海域探测。

  一开始,科学家们使用的是单波束测深仪,它安装在船底,工作时向船的正下方发射一束声波信号,声波到达海底反射回来再由单波束测深仪接收。结合声波在水中传播速度、发射到接收所用传播时间,就可以计算出海底深度。单波束测深仪可以快速有效地测量海洋深度,但一次测量只能获得一个位置的水深结果,效率还是比较低。

单波束测深
单波束测深

  高效准确探测还得它出马!

  为了进一步提高 11000 米海域的声学探测效率,全海深多波束测深系统应运而生。

全海深多波束测深
全海深多波束测深

  全海深多波束测深系统也是安装于船体,工作频率一般为 12kHz,从外观上看是两条阵,第一条是发射阵,沿着船体龙骨方向安装,它发出的声波信号会形成一个“发射扇面”,“照射”到垂直船体龙骨方向的海底条带的各个位置。在“发射扇面”上,波束沿着龙骨方向张开的角度较小,为 0.5 至 2 度,当波束角度为 1 度时,发射阵的长度约为 8 米。

  第二条是接收阵,垂直于船体龙骨的方向安装,用于接收从海底反射和散射回来的声波信号。利用声学信号处理方法,接收阵可以只接收来自特定方向的声波信号,形成定向的“接收扇面”。在“接收扇面”上,角度为 1 至 2 度的多个窄波束垂直龙骨方向回收,当波束角度为 2 度时,接收阵的阵长约为 4 米。

全海深多波束测深系统的发射阵列和接收阵列示意图
全海深多波束测深系统的发射阵列和接收阵列示意图

  “接收扇面”与“发射扇面”相交方向“照射”到的海底就是被测区域,根据声波信号传播回来的方向与往返时间,可以计算出被测区域的水深和距离船体的水平位置。

船下方的浅色区域即被测区域
船下方的浅色区域即被测区域

  多波束测深系统的接收阵可以同时接收成百上千个特定方向上的回波,也就是说,一次测量就可以获得成百上千个位置的水深。因此,全海深多波束测深是目前既高效又准确的 11000 米海域(包括深海海域)水深测量方法,其空间分辨能力显著高于卫星遥感测量方法。

  通常情况下,船一边向前航行,一边测量水深,这样一次又一次的测量结果拼接起来,就能够得到一片区域的水深图,也就是海底地形图。

  实际测量中,全海深多波束测深系统必须面临的难题是波束稳定技术。

  众所周知,大部分时间里海面不会风平浪静。海水中的声速约为 1500 米/秒,探测 11000 米海域时,全海深多波束一次测量过程(从开始发射声波到接收完最远端返回的声波)需要几十秒,在这段时间里船的姿态始终随着风浪变化,此时声波的发射方向和回波接收方向可能都不再是预设的方向,得到的水深结果就会存在误差,拼接起来的水深图可能会发生扭曲。

风浪导致船体姿态变化,测深的波束难以稳定(图/中科院声学所)
风浪导致船体姿态变化,测深的波束难以稳定(图/中科院声学所)

  这时候就要放大招了!通过预测船体的姿态,全海深多波束测深系统采取相应的补偿措施,无论船的姿态如何变化,最终发射和接收的声波都能稳定在预定的方向上,获得更加均匀的探测结果。

  为了使声波条带尽可能与船航行方向垂直,发射时采用向不同方向分别发射多个声波扇面拼成整个声波条带的策略,此时各个扇面“照射”海底区域的中心的连线垂直于船行方向。

波束稳定效果
波束稳定效果

  此外,为更好地实现 11000 米海域水深探测,全海深多波束测量还采取多种消除误差和偏差的措施,包括选择合理的发射信号,进行姿态、位置、声速偏差修正以及多普勒效应修正等。

全海深多波束测深系统可实现波束实时稳定(图/中科院声学所)
全海深多波束测深系统可实现波束实时稳定(图/中科院声学所)

多种测深手段的比较(图/中科院声学所)
多种测深手段的比较(图/中科院声学所)

  在实现 11000 米深海域高效准确探测的同时,全海深多波束测深系统还具备最浅在 20 米深海域进行探测的能力,并利用声波探测海底地貌与水中目标,为深海海域探测提供更丰富的探测信息。

  结语

  近期,以中科院声学所为核心的科研团队,经过十年的艰苦研制与技术攻关,成功研制出了我国首套具有自主知识产权的全海深多波束测深系统,并且已安装于科学考察船开展了 6000 多公里测线应用示范,使我国成为继挪威、德国和丹麦之后第四个研制出现代全海深多波束测深系统的国家。

全海深多波束测深系统绘制的海底地形图(图/中科院声学所)
全海深多波束测深系统绘制的海底地形图(图/中科院声学所)

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