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【科普知識】給你一根足夠長的尺子,你能測量大海有多深嗎?


中國海洋湖沼學會本文來源於科學大院(),由科普中國融合創作出品,王舒文、劉曉東製作,中國科學院計算機網絡信息中心監製。鐵扇公主的芭蕉扇能夠扇滅火焰山的三昧真火,科研工作者的「聲波扇...

- 2018年9月27日08時26分
- 科學文摘 / 中國海洋湖沼學會

中國海洋湖沼學會

本文來源於科學大院(),由科普中國融合創作出品,王舒文、劉曉東製作,中國科學院計算機網絡信息中心監製。

鐵扇公主的芭蕉扇能夠扇滅火焰山的三昧真火,科研工作者的「聲波扇」可以做什麼呢?

從浩瀚宇宙遙望,地球是一顆美麗的藍色星球,它表面71%被海洋所覆蓋。海洋是一座巨大的資源寶庫,蘊藏著豐富的海洋生物、礦物、化學以及動力資源。人們如果想深入了解海洋、在海上開展科學實驗,開發或保護海洋資源,都需要獲得一個最基礎的海洋信息——水深。地球上海洋的平均深度大約為3800米,其中最深處是太平洋馬里亞納海溝「挑戰者深淵」,深度大約11000米。那麼,該如何測量這11000米水深呢?


阿基米德曾講:「給我一個立足點和一根足夠長的槓桿,我就可以撬動地球。」那給你一根足夠長的尺子,你能測量大海有多深嗎?

那些年為了測量海深,我們都動了哪些腦筋

在陸地上,人們通常使用雷射測量物體之間的距離,那麼能用雷射測量最深海域的水深嗎?答案是不可行的。因為包括雷射在內的電磁波在水中傳播時衰減非常快,傳播幾百米就沒能量了,所以無法用於11000米深海域探測的。

雷射測量(圖/中科院聲學所)

你肯定還想到了一種方法,就是用繩子綁上重物放入水中,等重物沉到底後,通過測量繩子的長度獲得水深。可惜這種方法不僅效率很低,測量結果誤差非常大,而且只有特殊製作的繩子才能身負重物沉到11000米水深還不斷裂,所以使用繩子測量深海水深實際上是難以實現的。

那麼到底怎樣才能測量11000米水深呢?


一種方法是布放深度計(或壓力計)到海底進行測量,但布放回收過程耗時長,而且水深結果是根據壓力和海水特性反演出來的,結果也具有一定誤差。這種方法雖然空間分辨能力非常高,但探測效率(單位時間所探測的面積)非常低。

深度計測量(圖/中科院聲學所)

還有一種方法是,根據重力影響下不同深度的海平面高度不同這一特性,利用衛星遙感測量海平面高度,反演出水深。此方法的探測效率非常高,但是探測結果的空間分辨能力較低,無法得到精確的海底地形數據。

目前最常用的是聲學方法。因為聲波在水中傳播時衰減遠小於電磁波,頻率越低衰減越小,所以通過合理選擇頻率,可實現11000米深海域探測。

一開始,科學家們使用的是單波束測深儀,它安裝在船底,工作時向船的正下方發射一束聲波信號,聲波到達海底反射回來再由單波束測深儀接收。結合聲波在水中傳播速度、發射到接收所用傳播時間,就可以計算出海底深度。單波束測深儀可以快速有效地測量海洋深度,但一次測量只能獲得一個位置的水深結果,效率還是比較低。

高效準確探測 還得它出馬!

為了進一步提高11000米海域的聲學探測效率,全海深多波束測深系統應運而生。

全海深多波束測深系統也是安裝於船體,工作頻率一般為12kHz,從外觀上看是兩條陣,第一條是發射陣,沿著船體龍骨方向安裝,它發出的聲波信號會形成一個「發射扇面」,「照射」到垂直船體龍骨方向的海底條帶的各個位置。在「發射扇面」上,波束沿著龍骨方向張開的角度較小,為0.5至2度,當波束角度為1度時,發射陣的長度約為8米。

第二條是接收陣,垂直於船體龍骨的方向安裝,用於接收從海底反射和散射回來的聲波信號。利用聲學信號處理方法,接收陣可以只接收來自特定方向的聲波信號,形成定向的「接收扇面」。在「接收扇面」上,角度為1至2度的多個窄波束垂直龍骨方向回收,當波束角度為2度時,接收陣的陣長約為4米。

「接收扇面」與「發射扇面」相交方向「照射」到的海底就是被測區域,根據聲波信號傳播回來的方向與往返時間,可以計算出被測區域的水深和距離船體的水平位置。

船下方的淺色區域即被測區域

多波束測深系統的接收陣可以同時接收成百上千個特定方向上的回波,也就是說,一次測量就可以獲得成百上千個位置的水深。因此,全海深多波束測深是目前既高效又準確的11000米海域(包括深海海域)水深測量方法,其空間分辨能力顯著高於衛星遙感測量方法。

通常情況下,船一邊向前航行,一邊測量水深,這樣一次又一次的測量結果拼接起來,就能夠得到一片區域的水深圖,也就是海底地形圖。

實際測量中,全海深多波束測深系統必須面臨的難題是波束穩定技術。

眾所周知,大部分時間裡海面不會風平浪靜。海水中的聲速約為1500米/秒,探測11000米海域時,全海深多波束一次測量過程(從開始發射聲波到接收完最遠端返回的聲波)需要幾十秒,在這段時間裡船的姿態始終隨著風浪變化,此時聲波的發射方向和回波接收方向可能都不再是預設的方向,得到的水深結果就會存在誤差,拼接起來的水深圖可能會發生扭曲。

風浪導致船體姿態變化,測深的波束難以穩定(圖/中科院聲學所)

這時候就要放大招了!通過預測船體的姿態,全海深多波束測深系統採取相應的補償措施,無論船的姿態如何變化,最終發射和接收的聲波都能穩定在預定的方向上,獲得更加均勻的探測結果。

為了使聲波條帶儘可能與船航行方向垂直,發射時採用向不同方向分別發射多個聲波扇面拼成整個聲波條帶的策略,此時各個扇面「照射」海底區域的中心的連線垂直於船行方向。


波束穩定效果

(圖/中科院聲學所)

此外,為更好地實現11000米海域水深探測,全海深多波束測量還採取多種消除誤差和偏差的措施,包括選擇合理的發射信號,進行姿態、位置、聲速偏差修正以及都卜勒效應修正等。

全海深多波束測深系統可實現波束實時穩定(圖/中科院聲學所)

多種測深手段的比較(圖/中科院聲學所)

在實現11000米深海域高效準確探測的同時,全海深多波束測深系統還具備最淺在20米深海域進行探測的能力,並利用聲波探測海底地貌與水中目標,為深海海域探測提供更豐富的探測信息。

結語

近期,以中科院聲學所為核心的科研團隊,經過十年的艱苦研製與技術攻關,成功研製出了我國首套具有自主智慧財產權的全海深多波束測深系統,並且已安裝於科學考察船開展了6000多公里測線應用示範,使我國成為繼挪威、德國和丹麥之後第四個研製出現代全海深多波束測深系統的國家。

全海深多波束測深系統繪製的海底地形圖(圖/中科院聲學所)

良器在手,深海地圖我有(圖/中科院聲學所)

(文章首發於科學大院,轉載請聯繫cas@cnic.cn)


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