一、概 述

 

1、發展總體情況

 

海洋占據了地球4/5的表面積，是各種礦產、油氣和生物資源的巨大寶庫。黨的“十八大”作出了“建設海洋強國”的重大部署，要求“提高海洋資源開發能力，發展海洋經濟，保護海洋生態環境，堅決維護國家海洋權益，建設海洋強國”，還提出要“高度關注海洋、太空和網絡安全”，這表明海洋與國家權益息息相關，國家必須要通過大力發展海洋高新技術，發展具有自主知識產權的海洋高新技術裝備，奮力追趕國外先進水平，以防受制于人。

 

在海水中，光波和無線電波衰減嚴重，傳播距離十分有限，難以滿足人類海洋活動，如水下目標探測、通信、導航和定位的需要。相比之下，聲波在水中的傳播性能要好得多，采用海洋聲學技術研發的許多海洋聲學裝備成為人類觀察海洋的“鼻子”、“眼睛”、“耳朵”和“嘴”，上述特點決定人類在海洋資源開發、環境監測、氣象觀測與預報、海洋測繪、海上維權活動、海洋科學研究和軍事等方面的活動離不開海洋聲學技術。

根據用途不同，海洋聲學技術又可分為海洋聲學探測技術、海洋聲學通信技術和海洋聲學定位與導航技術等。其中海洋聲學探測技術主要用于對海洋物理參數與過程的探測和對海洋各種特定目標特性的探測，是人類認識海洋、開發海洋和利用海洋必不可少的海洋高技術。基于海洋聲學探測技術研發出大批海洋聲學探測裝備，例如合成孔徑聲納^[1-2]、單波束測深儀、多波束測深系統^[3-4]、測掃聲納、高分辨率測深側掃聲納^[5]、淺地層剖面儀、多道地震系統^[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”等國家計劃的持續投入下，我國在海洋高技術相關領域快速發展，已實現對國外海洋聲學探測技術的全面跟蹤，取得一批成果。但綜合來看，高端海洋聲學探測設備的研究與產業化近年來一直是發達國家的重點發展領域，競爭非常激烈，而我國的海洋聲學探測技術與國外先進技術相比還有很大差距。例如對于海洋民用聲學探測裝備而言，我國90%以上的裝備來自于國外，也沒有海洋聲學探測裝備的知名品牌。

 

本文的目的是對我國海洋聲學探測技術的競爭力進行分析，為下一步發展提供參考。

 

2、技術結構

 

海洋聲學探測技術包含了6大技術方向，分別為：

 

• 全海深測繪技術；

   

• 近海底微地形測繪技術；

   

• 聲學測速測流及水質監測技術；

   

• 海洋生物資源環境聲學探測與調查評估技術；

   

• 聲學區域安防及維權技術；

   

• 海底資源聲學勘探技術。

 

上述方向又可細分為18個核心關鍵技術（表1）。

 

表1 海洋聲學探測技術方向核心關鍵技術

全海深測繪技術側重于以船舶為探測聲納載體，實現對全海深的測繪，一般探測距離較遠，核心關鍵技術主要包括深水多波束測深技術和雙站合成孔徑聲納的深海探查技術。近海底微地形測繪技術側重于近距離探測，通常分為淺海型和深海型，二者設備的耐壓不同，核心關鍵技術主要包括相干測深聲納技術、深海合成孔徑聲納探查技術、深水側掃聲納技術、前視成像聲納技術和近海底多波束測深技術。聲學測速測流及水質監測技術主要用于水體中流速和水質的監測，核心關鍵技術主要包括聲學測流測速技術和懸浮泥沙濃度測量技術。

 

海洋生物資源環境聲學探測與調查評估技術主要用于漁業資源調查，核心關鍵技術包括漁探普查聲納技術和遠程魚探兩用技術。聲學區域安防及維權技術^[10-11]主要用于對船只、快艇、水下機器人、各種蛙人等水面水下目標進行自動檢測、跟蹤、識別和報警，核心關鍵技術包括多基地聲納組網探測、水下入侵小目標被動探測、水下聲柵欄探測和水下聲學拒止。海底資源聲學勘探技術主要用于深層地質構造探測，核心關鍵技術包括甚低頻固態拖曳陣技術、前端數字化及傳輸技術和大功率拖曳氣槍聲源技術。

 

二、技術的國際發展趨勢

 

1、發展趨勢

 

在國外，海洋聲學探測技術經過幾十年的發展，與其相關的技術和設備已經形成了較完整的供需關系和產業鏈，進入了良性發展的狀態。每個公司都具有自己的一類或幾類主打產品。

 

綜合多家公司產品，構成了較完整的產品系列，以滿足多方面的需求。與海洋聲學裝備相關的各種配套產業，例如聲納陣制造、機械加工和電子技術等方面，發展均衡，基礎堅實，這一切也為海洋聲學探測裝備的發展創造了良好的環境。

 

目前國際競爭格局呈現由美、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，日、韓和我國跟進的態勢。傳統上，水聲探測設備公司主要包括一些大型軍工制造企業，包括美國雷神 (Raytheon) 公司，歐洲的 Kongs-berg 和 ATLAS 公司等，由資深專家領導研發，有著很強的高技術研發能力。

 

近年來，隨著水聲探測民用市場的逐步擴展，涌現了一大批先進水聲技術公司，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品，使得海洋聲學探測技術研發國際競爭態勢十分激烈，也從側面說明自20世紀90年代開始的國際水聲設備研發轉型取得了全面成功。

 

下面舉例說明幾種核心關鍵技術的發展趨勢：

 

• 雙站合成孔徑聲納本身是合成孔徑聲納的一個研究趨勢，在常規合成孔徑聲納技術的支撐下，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展；

   

• 深海側掃聲納技術向著探測、識別一體化和基于逐像素點聚焦的全覆蓋探測方向發展；

   

• 多普勒測速技術及產品向高精度、多功能、多頻化、高頻化、高耐壓、網絡化、定制化等方向發展;目前前視聲納向著小型化、高分辨率、遠距離及高速實時處理的方向發展。

 

總體而言，海洋聲學探測技術與裝備未來發展的基本趨勢是：

 

• 面向深海及復雜環境；

   

• 小型化及多傳感綜合，適應AUV小平臺應用需求，實現近海底觀測和測繪功能；

   

• 換能器頻帶擴展及多頻帶綜合，提高水聲探測的效率和精度；

   

• 在成像及海底勘探中，前端數字化及高性能計算技術應用，實現了系統可靠性提高和實時計算成本下降；

   

• 除了傳統的技術方向之外，為了適應海洋工程的發展，派生于傳統技術領域的新技術方向將不斷涌現。

 

2、國外優勢科研機構

 

表2列出了海洋聲學探測技術國外主要研究機構。

 

表2 聲學探測技術國外主要研究機構

三、技術的國內發展現狀

 

1、技術進展

 

長久以來，促進我國聲學技術發展的源動力主要來自于軍方，聲納設備裝備于水面艦艇和潛艇上，經過多年發展，淺水聲納種類相對齊全，具有較完整的產業鏈。近年來，為滿足中國大洋協會主導的國際海域資源調查與開發的需求，我國用于深海聲學探測的裝備取得一定發展。

下面舉例說明我國幾種核心關鍵技術的技術進展：

 

• 在聲多普勒測速技術方面：中國科學院聲學研究所自20世紀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）工程樣機和定型樣機、下放式 ADCP 工程樣機，開展了 ADCP 波浪反演研究和河流海口流量測量試驗。系列自容式 ADCP 產品樣機（75kHz，150kHz，300kHz，600kHz）經長期潛標海上驗證后已提供給用戶使用。715所主要開發船用38kHz和150kHz相控陣ADCP，38kHz相控陣ADCP已提供給用戶裝船使用。哈爾濱工程大學主要研發120kHz以上頻率的系列相控陣計程儀。

   

• 在聲學區域安防及維權技術方面：近年來，在反恐形勢和水下安保需求推動下，我國水下安保技術得到了快速發展。以中科院聲學所為首，包括國內其他科研院所、中船重工、中船工業集團在內的相關單位，紛紛開展和參與了水下安保技術的研發和應用相關工作。中科院聲學所承擔了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，并在2011年召開了由中科院聲學所主辦的“全國第一屆水下安保技術學術交流會”。目前已初步形成圍繞小目標探測為核心的水下安保技術的產、學、研體系，已逐步進入水下安保技術的快速發展時期。

   

• 在合成孔徑聲納技術方面：中國科學院聲學所在“863”計劃支持下，于20世紀90年代末開始合成孔徑聲納的研究，歷經“九五”、“十五”和“十一五”的發展，目前已經形成了系列樣機，并建立多平臺、多頻段SAS技術體系。目前已經掌握了合成孔徑聲納總體設計、多子陣快速成像、基于傳感器和原始回波數據的聯合運動補償、自聚焦、信號調理和采集一體化模塊、大功率發射機等一系列關鍵技術。

   

• 在海洋生物資源環境聲學探測與調查評估技術方面：中國科學院聲學研究所、中國水產科學研究院黃海研究所等多家國內科研院所和高校已經開展了漁業聲學相關基礎和應用研究，開始培養漁業聲學專業的研究生。國內已經連續召開五屆全國漁業水聲學會議，國內漁業聲學研究已經初步形成良好的局面。

   

• 在聲學探測技術方面：我國在國家層面進行了有效資助，我國合成孔徑聲納在淺海技術方面基本與國外同步、水體測流測速方向已經形成了多個頻段產品、深水多波束測深技術方向處于國外第三代水平。總體上講，在相關技術領域取得重要進展，部分設備已經具有很強的競爭力。但由于產業沒有跟上，市場主要被外國產品控制，在該技術領域上的全面競爭顯得后繼乏力，技術整體先進性、新技術創新能力、產業轉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，具體的技術方向尚較易突破，但整體創新、產業發展方面則要困難得多。

 

因此，總的來說，在聲學探測技術領域我國與國外差距還是相當大的。

 

2、國內優勢科研機構

 

表3列出了海洋聲學探測技術國內主要研究機構。

 

表3 聲學探測技術國內研發優勢單位

 

3、存在問題

 

目前，海洋聲學探測技術及系統的研發力量主要集中在科研院所和軍工企業，主要基于國家及部隊項目驅動進行研發，國產化率較高，但產業化及配套技術方面力量較為分散。對于聲學系統而言，從樣機到產品需要很好地解決環境性能可靠性、主要器件（特別是換能器）工藝穩定性和一致性、水下機械部件工作可靠性等產品級關鍵性技術工藝問題。因此，聲學探測技術的發展應當加強市場需求方向，在項目層面除了強調聲學技術指標外，還應對環境應用性能指標提出要求。

 

總的來講，海洋聲學探測技術的發展需要長期穩定的支持，按照實際需求以及迫切程度循序漸進開展相關技術研究。同時需要加大基礎工業投資，提高國內材料、工藝水平，使得海洋聲學探測技術能夠真正走向良性發展的道路。

 

四、水平綜合評價

總的來看，我國合成孔徑聲納在淺海技術方面基本與國外同步，深海合成孔徑技術尚未開展相關工作，與國際先進水平有5~8a的差距。水體測流測速方向已經形成了多個頻段產品，主要差距在于產品化方面。高頻成像/前視成像方面已有了初步樣機，但成像效果不及國外先進水平，差距主要在于系統集成和換能器器件工藝方面，初步估計差距在10a左右。漁業資源普查及評估技術近年來剛剛起步，國內漁用聲納系統基本進口，與國外先進水平的差距在15~20a左右。綜合來看，我國的海洋聲學探測技術與國外有10a左右的差距。

 

五、多波束測深聲納技術分析

 

1、國外發展現狀與趨勢

 

多波束測深聲納技術是目前最重要的水深測量方式，包括深水多波束測深技術和近海底多波束測深技術兩大類，它能夠實現海底地形地貌的寬覆蓋、高精度探測。該技術至今已經過近60年的發展，始終保持旺盛的生命力。自20世紀80年代投入商用以來，目前已經形成從深水到淺水，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品。

 

目前多波束測深聲納已經發展到第四代水平，以采用寬帶技術、近場自動聚焦和水體顯示等技術為代表，近一步提高了聲納性能，波束數更多，測深點更密，集成度也更高。

 

典型產品為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，探測水深20~11000m，標稱指標覆蓋寬度最大43km，單次發射形成兩行共576個波束，可加密至864個波束，波束角寬最小可達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，最多可選用兩個接收陣，此時波束數最多達1600個，覆蓋角寬最寬可達200°，波束角寬最小可達0.4°×0.7°。

 

在現代水聲、電子、計算機、信號處理技術蓬勃發展的背景下，多波束測深聲納技術水平將不斷提高：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將越來越優;系統探測能力將繼續增強，從測深擴展到海底反向散射聲強探測、海底底質探測、水中目標探測等多方面，將極大地擴展系統的適用范圍;根據需求不同，多波束測深聲納的產品類別將更加精細化。

 

2、國內技術水平判斷和依據

 

(1) 關鍵技術掌握程度

 

我國多波束測深聲納技術與國外主流技術有較大差距，長時間以來，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長期依賴進口。“十一五”以來，國家支持了相關研究工作。2014年在“863”計劃支持下，研制出基本達到國際第三代水平的深水多波束測深系統。目前有少量淺水多波束測深聲納實現產品化，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方面有5~15a差距，整體技術水平與國外相比有10a差距。

 

3、應用前景

 

多波束測深聲納是當今前沿的海洋高技術設備。水深數據是海洋探測中最基礎的數據之一，準確的水深數據在軍民兩方面應用都有非常重要的意義。在海洋科學研究、資源開發、工程建設、航行安全、國家權益以及軍事等活動中，通常都需要準確地獲取所關注區域內的海底地形地貌信息，作為基礎資料與支撐依據。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用前景。