出品：科普中國

　　制作：中國科學(xué)院聲學(xué)研究所海洋聲學(xué)技術(shù)中心王舒文 劉曉東

　　監制：中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò )信息中心

　　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”可以做什么呢？

　　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(zhù)豐富的海洋生物、礦物、化學(xué)以及動(dòng)力資源。人們如果想深入了解海洋、在海上開(kāi)展科學(xué)實(shí)驗，開(kāi)發(fā)或保護海洋資源，都需要獲得一個(gè)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。那么，該如何測量這11000米水深呢？

　　阿基米德曾講：“給我一個(gè)立足點(diǎn)和一根足夠長(cháng)的杠桿，我就可以撬動(dòng)地球。”那給你一根足夠長(cháng)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(dòng)了哪些腦筋

　　在陸地上，人們通常使用激光測量物體之間的距離，那么能用激光測量最深海域的水深嗎？答案是不可行的。因為包括激光在內的電磁波在水中傳播時(shí)衰減非常快，傳播幾百米就沒(méi)能量了，所以無(wú)法用于11000米深海域探測的。

　　激光測量（圖/中科院聲學(xué)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，等重物沉到底后，通過(guò)測量繩子的長(cháng)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，而且只有特殊制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(shí)際上是難以實(shí)現的。

　　繩子（測深垂線(xiàn)）測量（圖/中科院聲學(xué)所）

　　那么到底怎樣才能測量11000米水深呢？

　　一種方法是布放深度計（或壓力計）到海底進(jìn)行測量，但布放回收過(guò)程耗時(shí)長(cháng)，而且水深結果是根據壓力和海水特性反演出來(lái)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(shí)間所探測的面積）非常低。

　　深度計測量（圖/中科院聲學(xué)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(wú)法得到精確的海底地形數據。

　　衛星遙感測量（圖/中科院聲學(xué)所）

　　目前最常用的是聲學(xué)方法。因為聲波在水中傳播時(shí)衰減遠小于電磁波，頻率越低衰減越小，所以通過(guò)合理選擇頻率，可實(shí)現11000米深海域探測。

　　一開(kāi)始，科學(xué)家們使用的是單波束測深儀，它安裝在船底，工作時(shí)向船的正下方發(fā)射一束聲波信號，聲波到達海底反射回來(lái)再由單波束測深儀接收。結合聲波在水中傳播速度、發(fā)射到接收所用傳播時(shí)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(gè)位置的水深結果，效率還是比較低。

　　單波束測深（圖/中科院聲學(xué)所）

　　高效準確探測 還得它出馬！

　　為了進(jìn)一步提高11000米海域的聲學(xué)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（圖/中科院聲學(xué)所）

　　全海深多波束測深系統也是安裝于船體，工作頻率一般為12kHz，從外觀(guān)上看是兩條陣，第一條是發(fā)射陣，沿著(zhù)船體龍骨方向安裝，它發(fā)出的聲波信號會(huì )形成一個(gè)“發(fā)射扇面”，“照射”到垂直船體龍骨方向的海底條帶的各個(gè)位置。在“發(fā)射扇面”上，波束沿著(zhù)龍骨方向張開(kāi)的角度較小，為0.5至2度，當波束角度為1度時(shí)，發(fā)射陣的長(cháng)度約為8米。

　　第二條是接收陣，垂直于船體龍骨的方向安裝，用于接收從海底反射和散射回來(lái)的聲波信號。利用聲學(xué)信號處理方法，接收陣可以只接收來(lái)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(gè)窄波束垂直龍骨方向回收，當波束角度為2度時(shí)，接收陣的陣長(cháng)約為4米。

　　全海深多波束測深系統的發(fā)射陣列和接收陣列示意圖（圖/中科院聲學(xué)所）

　　“接收扇面”與“發(fā)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(lái)的方向與往返時(shí)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（圖/中科院聲學(xué)所）

　　多波束測深系統的接收陣可以同時(shí)接收成百上千個(gè)特定方向上的回波，也就是說(shuō)，一次測量就可以獲得成百上千個(gè)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(zhù)高于衛星遙感測量方法。

　　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(lái)，就能夠得到一片區域的水深圖，也就是海底地形圖。

　　實(shí)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(shù)。

　　眾所周知，大部分時(shí)間里海面不會(huì )風(fēng)平浪靜。海水中的聲速約為1500米/秒，探測11000米海域時(shí)，全海深多波束一次測量過(guò)程（從開(kāi)始發(fā)射聲波到接收完最遠端返回的聲波）需要幾十秒，在這段時(shí)間里船的姿態(tài)始終隨著(zhù)風(fēng)浪變化，此時(shí)聲波的發(fā)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(huì )存在誤差，拼接起來(lái)的水深圖可能會(huì )發(fā)生扭曲。

　　風(fēng)浪導致船體姿態(tài)變化，測深的波束難以穩定（圖/中科院聲學(xué)所）

　　這時(shí)候就要放大招了！通過(guò)預測船體的姿態(tài)，全海深多波束測深系統采取相應的補償措施，無(wú)論船的姿態(tài)如何變化，最終發(fā)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。

　　為了使聲波條帶盡可能與船航行方向垂直，發(fā)射時(shí)采用向不同方向分別發(fā)射多個(gè)聲波扇面拼成整個(gè)聲波條帶的策略，此時(shí)各個(gè)扇面“照射”海底區域的中心的連線(xiàn)垂直于船行方向。

　　波束穩定效果（圖/中科院聲學(xué)所）

　　此外，為更好地實(shí)現11000米海域水深探測，全海深多波束測量還采取多種消除誤差和偏差的措施，包括選擇合理的發(fā)射信號，進(jìn)行姿態(tài)、位置、聲速偏差修正以及多普勒效應修正等。

　　全海深多波束測深系統可實(shí)現波束實(shí)時(shí)穩定（圖/中科院聲學(xué)所）

　　多種測深手段的比較（圖/中科院聲學(xué)所）

　　在實(shí)現11000米深海域高效準確探測的同時(shí)，全海深多波束測深系統還具備最淺在20米深海域進(jìn)行探測的能力，并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(yǔ)

　　近期，以中科院聲學(xué)所為核心的科研團隊，經(jīng)過(guò)十年的艱苦研制與技術(shù)攻關(guān)，成功研制出了我國首套具有自主知識產(chǎn)權的全海深多波束測深系統，并且已安裝于科學(xué)考察船開(kāi)展了6000多公里測線(xiàn)應用示范，使我國成為繼挪威、德國和丹麥之后第四個(gè)研制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制的海底地形圖（圖/中科院聲學(xué)所）

　　良器在手，深海地圖我有（圖/中科院聲學(xué)所）

　　本文由科普中國融合創(chuàng )作出品，王舒文、劉曉東制作，中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò )信息中心監制，“科普中國”是中國科協(xié)攜同社會(huì )各方利用信息化手段開(kāi)展科學(xué)傳播的科學(xué)權威品牌