海洋声学探测技术的国际与国内发展趋势(2)

　　2.2 国外优势科研机构

　　表 2 列出了海洋声学探测技术国外主要研究机构。

　　3技术的国内发展现状

　　3.1 技术进展

　　长久以来，促进我国声学技术发展的源动力主要来自于军方，声纳设备装备于水面舰艇和潜艇上，经过多年发展，浅水声纳种类相对齐全，具有较完整的产业链。近年来，为满足中国大洋协会主导的国际海域资源调查与开发的需求，我国用于深海声学探测的装备取得一定发展。

　　下面举例说明我国几种核心关键技术的技术进展。

　　在声多普勒测速技术方面，中国科学院声学研究所自20世纪 80 年代起开始研究，先后研制成功船用 150 kHz 多功能声多普勒流速剖面仪（简称ADCP）工程样机和定型样机、下放式 ADCP 工程样机，开展了 ADCP 波浪反演研究和河流海口流量测量试验。系列自容式 ADCP 产品样机（75 kHz,150kHz,300 kHz,600 kHz） 经长期潜标海上验证后已提供给用户使用。715 所主要开发船用 38 kHz 和150 kHz 相控阵 ADCP,38 kHz 相控阵 ADCP 已提供给用户装船使用。哈尔滨工程大学主要研发 120kHz 以上频率的系列相控阵计程仪。

　　在声学区域安防及维权技术方面，近年来，在反恐形势和水下安保需求推动下，我国水下安保技术得到了快速发展。以中科院声学所为首，包括国内其他科研院所、中船重工、中船工业集团在内的相关单位，纷纷开展和参与了水下安保技术的研发和应用相关工作。中科院声学所承担了 2008 年青岛奥帆赛、2010 年上海世博会等一系列重大赛会的水下安保任务，并在 2011 年召开了由中科院声学所主办的“全国第一届水下安保技术学术交流会”.

　　目前已初步形成围绕小目标探测为核心的水下安保技术的产、学、研体系，已逐步进入水下安保技术的快速发展时期。

　　在合成孔径声纳技术方面，中国科学院声学所在“863”计划支持下，于 20 世纪 90 年代末开始合成孔径声纳的研究，历经“九五”、“十五”和“十一五”的发展，目前已经形成了系列样机，并建立多平台、多频段 SAS 技术体系。目前已经掌握了合成孔径声纳总体设计、多子阵快速成像、基于传感器和原始回波数据的联合运动补偿、自聚焦、信号调理和采集一体化模块、大功率发射机等一系列关键技术。

　　在海洋生物资源环境声学探测与调查评估技术方面，中国科学院声学研究所、中国水产科学研究院黄海研究所等多家国内科研院所和高校已经开展了渔业声学相关基础和应用研究，开始培养渔业声学专业的研究生。国内已经连续召开五届全国渔业水声学会议，国内渔业声学研究已经初步形成良好的局面。

　　在声学探测技术方面，我国在国家层面进行了有效资助，我国合成孔径声纳在浅海技术方面基本与国外同步、水体测流测速方向已经形成了多个频段产品、深水多波束测深技术方向处于国外第三代水平。总体上讲，在相关技术领域取得重要进展，部分设备已经具有很强的竞争力。但由于产业没有跟上，市场主要被外国产品控制，在该技术领域上的全面竞争显得后继乏力，技术整体先进性、新技术创新能力、产业转化能力与国际水平相比尚有不小的差距。通过资源合理配置，具体的技术方向尚较易突破，但整体创新、产业发展方面则要困难得多。

　　因此，总的来说，在声学探测技术领域我国与国外差距还是相当大的。

　　3.2 国内优势科研机构

　　表 3 列出了海洋声学探测技术国内主要研究机构。

　　3.3存在问题

　　目前，海洋声学探测技术及系统的研发力量主要集中在科研院所和军工企业，主要基于国家及部队项目驱动进行研发，国产化率较高，但产业化及配套技术方面力量较为分散。对于声学系统而言，从样机到产品需要很好地解决环境性能可靠性、主要器件（特别是换能器）工艺稳定性和一致性、水下机械部件工作可靠性等产品级关键性技术工艺问题。因此，声学探测技术的发展应当加强市场需求方向，在项目层面除了强调声学技术指标外，还应对环境应用性能指标提出要求。

　　总的来讲，海洋声学探测技术的发展需要长期稳定的支持，按照实际需求以及迫切程度循序渐进开展相关技术研究。同时需要加大基础工业投资，提高国内材料、工艺水平，使得海洋声学探测技术能够真正走向良性发展的道路。

　　4水平综合评价

　　总的来看，我国合成孔径声纳在浅海技术方面基本与国外同步，深海合成孔径技术尚未开展相关工作，与国际先进水平有 5~8 a 的差距。水体测流测速方向已经形成了多个频段产品，主要差距在于产品化方面。高频成像/前视成像方面已有了初步样机，但成像效果不及国外先进水平，差距主要在于系统集成和换能器器件工艺方面，初步估计差距在10 a 左右。渔业资源普查及评估技术近年来刚刚起步，国内渔用声纳系统基本进口，与国外先进水平的差距在 15~20 a 左右。综合来看，我国的海洋声学探测技术与国外有10 a 左右的差距。

　　5典型案例分析-多波束测深声纳技术

　　5.1国外发展现状与趋势

　　多波束测深声纳技术是目前最重要的水深测量方式，包括深水多波束测深技术和近海底多波束测深技术两大类，它能够实现海底地形地貌的宽覆盖、高精度探测。该技术至今已经过近 60 年的发展，始终保持旺盛的生命力。自 20 世纪 80 年代投入商用以来，目前已经形成从深水到浅水，从用于船舶到用于不同工作深度水下载体的系列多波束测深声纳产品。

　　目前多波束测深声纳已经发展到第四代水平，以采用宽带技术、近场自动聚焦和水体显示等技术为代表，近一步提高了声纳性能，波束数更多，测深点更密，集成度也更高。

　　典型产品为 KONGSBERG 公司的 EM122 深水多波束测深声纳和 EM2040 浅水（或近底）多波束测深声纳。前者为船载系统，探测水深 20~11 000 m,标称指标覆盖宽度最大43 km,单次发射形成两行共576 个波束，可加密至 864 个波束，波束角宽最小可达 0.5°×1°。后者可安装在船上，深海型最深可用于6 000 m 水深，工作频率 200 kHz,300 kHz,400 kHz 可选，最多可选用两个接收阵，此时波束数最多可达1 600个，覆盖角宽最宽可达200°，波束角宽最小可达0.4°×0.7°。

　　在现代水声、电子、计算机、信号处理技术蓬勃发展的背景下，多波束测深声纳技术水平将不断提高：信号处理算法的不断完善将显着提高系统测深精度和覆盖范围；换能器和电子硬件的一致性将越来越好，采集软件和后处理软件功能和用户体验将越来越优；系统探测能力将继续增强，从测深扩展到海底反向散射声强探测、海底底质探测、水中目标探测等多方面，将极大地扩展系统的适用范围；根据需求不同，多波束测深声纳的产品类别将更加精细化。

　　5.2 国内技术水平判断和依据

　　5.2.1 关键技术掌握程度 我国多波束测深声纳技术与国外主流技术有较大差距，长时间以来，由于从国外市场能够买到，造成我国的全系列的多波束测深系统长期依赖进口。“十一五”以来，国家支持了相关研究工作。2014年在“863”计划支持下，研制出基本达到国际第三代水平的深水多波束测深系统；目前有少量浅水多波束测深声纳实现产品化，但性能与国外有差距，市场占有率非常低。

　　5.2.2差距 总体来说，我国深水多波束测深声纳没有形成系列，在信号处理、声纳阵制造、电子硬件、采集与后处理软件等核心技术方面有 5~15 a 差距，整体技术水平与国外相比有 10 a 差距。

　　5.3 应用前景

　　多波束测深声纳是当今前沿的海洋高技术设备。水深数据是海洋探测中最基础的数据之一，准确的水深数据在军民两方面应用都有非常重要的意义。在海洋科学研究、资源开发、工程建设、航行安全、国家权益以及军事等活动中，通常都需要准确地获取所关注区域内的海底地形地貌信息，作为基础资料与支撑依据。无论是船载深（浅）水多波束测深声纳，还是水下载体上的近底多波束测深声纳都具有广阔的应用前景。

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