我國海洋聲學(xué)探測技術(shù)競爭力分析

劉曉東，王 磊，楊 娟，鄧 鍇

（中國科學(xué)院聲學(xué)研究所，北京 100190）

我國海洋聲學(xué)探測技術(shù)競爭力分析

劉曉東，王 磊，楊 娟，鄧 鍇

（中國科學(xué)院聲學(xué)研究所，北京 100190）

海洋聲學(xué)探測技術(shù)用于海洋物理及海洋特定目標(biāo)特性探測，是人類認(rèn)識海洋、開發(fā)和利用海洋豐富資源必不可少的海洋高技術(shù)。文中全面介紹了海洋聲學(xué)探測技術(shù)的技術(shù)結(jié)構(gòu)以及致力于此技術(shù)研究的國內(nèi)外主要研究機構(gòu)，著重對比分析了國內(nèi)外海洋聲學(xué)探測技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢，并總結(jié)出我國該領(lǐng)域現(xiàn)存在的問題。結(jié)果表明我國海洋聲學(xué)探測技術(shù)水平與國外相差10 a左右，未來需靠長期穩(wěn)定支持、按需開展研究、加大基礎(chǔ)工業(yè)投資以及提高材料與工藝水平等措施推進我國海洋聲學(xué)技術(shù)的良性發(fā)展。

聲學(xué)探測技術(shù)；海洋；競爭力分析

1 概述

1.1 發(fā)展總體情況

海洋占據(jù)了地球4/5的表面積，是各種礦產(chǎn)、油氣和生物資源的巨大寶庫。黨的“十八大”作出了“建設(shè)海洋強國”的重大部署，要求“提高海洋資源開發(fā)能力，發(fā)展海洋經(jīng)濟，保護海洋生態(tài)環(huán)境，堅決維護國家海洋權(quán)益，建設(shè)海洋強國”，還提出要“高度關(guān)注海洋、太空和網(wǎng)絡(luò)安全”，這表明海洋與國家權(quán)益息息相關(guān)，國家必須要通過大力發(fā)展海洋高新技術(shù)，發(fā)展具有自主知識產(chǎn)權(quán)的海洋高新技術(shù)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(yán)重，傳播距離十分有限，難以滿足人類海洋活動，如水下目標(biāo)探測、通信、導(dǎo)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(xué)技術(shù)研發(fā)的許多海洋聲學(xué)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(fā)、環(huán)境監(jiān)測、氣象觀測與預(yù)報、海洋測繪、海上維權(quán)活動、海洋科學(xué)研究和軍事等方面的活動離不開海洋聲學(xué)技術(shù)。

根據(jù)用途不同，海洋聲學(xué)技術(shù)又可分為海洋聲學(xué)探測技術(shù)、海洋聲學(xué)通信技術(shù)和海洋聲學(xué)定位與導(dǎo)航技術(shù)等。其中海洋聲學(xué)探測技術(shù)主要用于對海洋物理參數(shù)與過程的探測和對海洋各種特定目標(biāo)特性的探測，是人類認(rèn)識海洋、開發(fā)海洋和利用海洋必不可少的海洋高技術(shù)。基于海洋聲學(xué)探測技術(shù)研發(fā)出大批海洋聲學(xué)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(tǒng)[3-4]、測掃聲納、高分辨率測深側(cè)掃聲納[5]、淺地層剖面儀、多道地震系統(tǒng)[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(xù)投入下，我國在海洋高技術(shù)相關(guān)領(lǐng)域快速發(fā)展，已實現(xiàn)對國外海洋聲學(xué)探測技術(shù)的全面跟蹤，取得一批成果。但綜合來看，高端海洋聲學(xué)探測設(shè)備的研究與產(chǎn)業(yè)化近年來一直是發(fā)達(dá)國家的重點發(fā)展領(lǐng)域，競爭非常激烈，而我國的海洋聲學(xué)探測技術(shù)與國外先進技術(shù)相比還有很大差距。例如對于海洋民用聲學(xué)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(xué)探測裝備的知名品牌。

本文的目的是對我國海洋聲學(xué)探測技術(shù)的競爭力進行分析，為下一步發(fā)展提供參考。

1.2 技術(shù)結(jié)構(gòu)

海洋聲學(xué)探測技術(shù)包含了6大技術(shù)方向，分別為：（1）全海深測繪技術(shù)；（2）近海底微地形測繪技術(shù)；（3）聲學(xué)測速測流及水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)；（4）海洋生物資源環(huán)境聲學(xué)探測與調(diào)查評估技術(shù)；（5）聲學(xué)區(qū)域安防及維權(quán)技術(shù)；（6）海底資源聲學(xué)勘探技術(shù)。上述方向又可細(xì)分為18個核心關(guān)鍵技術(shù)（表1）。

表1 海洋聲學(xué)探測技術(shù)方向核心關(guān)鍵技術(shù)

全海深測繪技術(shù)側(cè)重于以船舶為探測聲納載體，實現(xiàn)對全海深的測繪，一般探測距離較遠(yuǎn)，核心關(guān)鍵技術(shù)主要包括深水多波束測深技術(shù)和雙站合成孔徑聲納的深海探查技術(shù)。近海底微地形測繪技術(shù)側(cè)重于近距離探測，通常分為淺海型和深海型，二者設(shè)備的耐壓不同，核心關(guān)鍵技術(shù)主要包括相干測深聲納技術(shù)、深海合成孔徑聲納探查技術(shù)、深水側(cè)掃聲納技術(shù)、前視成像聲納技術(shù)和近海底多波束測深技術(shù)。聲學(xué)測速測流及水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)主要用于水體中流速和水質(zhì)的監(jiān)測，核心關(guān)鍵技術(shù)主要包括聲學(xué)測流測速技術(shù)和懸浮泥沙濃度測量技術(shù)。海洋生物資源環(huán)境聲學(xué)探測與調(diào)查評估技術(shù)主要用于漁業(yè)資源調(diào)查，核心關(guān)鍵技術(shù)包括漁探普查聲納技術(shù)和遠(yuǎn)程魚探兩用技術(shù)。聲學(xué)區(qū)域安防及維權(quán)技術(shù)[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(biāo)進行自動檢測、跟蹤、識別和報警，核心關(guān)鍵技術(shù)包括多基地聲納組網(wǎng)探測、水下入侵小目標(biāo)被動探測、水下聲柵欄探測和水下聲學(xué)拒止。海底資源聲學(xué)勘探技術(shù)主要用于深層地質(zhì)構(gòu)造探測，核心關(guān)鍵技術(shù)包括甚低頻固態(tài)拖曳陣技術(shù)、前端數(shù)字化及傳輸技術(shù)和大功率拖曳氣槍聲源技術(shù)。

2 技術(shù)的國際發(fā)展趨勢

2.1 發(fā)展趨勢

在國外，海洋聲學(xué)探測技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，與其相關(guān)的技術(shù)和設(shè)備已經(jīng)形成了較完整的供需關(guān)系和產(chǎn)業(yè)鏈，進入了良性發(fā)展的狀態(tài)。

每個公司都具有自己的一類或幾類主打產(chǎn)品。綜合多家公司產(chǎn)品，構(gòu)成了較完整的產(chǎn)品系列，以滿足多方面的需求。與海洋聲學(xué)裝備相關(guān)的各種配套產(chǎn)業(yè)，例如聲納陣制造、機械加工和電子技術(shù)等方面，發(fā)展均衡，基礎(chǔ)堅實，這一切也為海洋聲學(xué)探測裝備的發(fā)展創(chuàng)造了良好的環(huán)境。

目前國際競爭格局呈現(xiàn)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(dǎo)，日、韓和我國跟進的態(tài)勢。傳統(tǒng)上，水聲探測設(shè)備公司主要包括一些大型軍工制造企業(yè)，包括美國雷神（Raytheon）公司，歐洲的Kongsberg和ATLAS公司等，由資深專家領(lǐng)導(dǎo)研發(fā)，有著很強的高技術(shù)研發(fā)能力。近年來，隨著水聲探測民用市場的逐步擴展，涌現(xiàn)了一大批先進水聲技術(shù)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(chǎn)品，使得海洋聲學(xué)探測技術(shù)研發(fā)國際競爭態(tài)勢十分激烈，也從側(cè)面說明自20世紀(jì)90年代開始的國際水聲設(shè)備研發(fā)轉(zhuǎn)型取得了全面成功。

下面舉例說明幾種核心關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)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(guī)合成孔徑聲納技術(shù)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(fā)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(fā)展；

深海側(cè)掃聲納技術(shù)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(fā)展；

多普勒測速技術(shù)及產(chǎn)品向高精度、多功能、多頻化、高頻化、高耐壓、網(wǎng)絡(luò)化、定制化等方向發(fā)展；

目前前視聲納向著小型化、高分辨率、遠(yuǎn)距離及高速實時處理的方向發(fā)展。

總體而言，海洋聲學(xué)探測技術(shù)與裝備未來發(fā)展的基本趨勢是：面向深海及復(fù)雜環(huán)境；小型化及多傳感綜合，適應(yīng)AUV小平臺應(yīng)用需求，實現(xiàn)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(shù)字化及高性能計算技術(shù)應(yīng)用，實現(xiàn)了系統(tǒng)可靠性提高和實時計算成本下降；除了傳統(tǒng)的技術(shù)方向之外，為了適應(yīng)海洋工程的發(fā)展，派生于傳統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域的新技術(shù)方向?qū)⒉粩嘤楷F(xiàn)。

2.2 國外優(yōu)勢科研機構(gòu)

表2列出了海洋聲學(xué)探測技術(shù)國外主要研究機構(gòu)。

表2 聲學(xué)探測技術(shù)國外主要研究機構(gòu)

3 技術(shù)的國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 技術(shù)進展

長久以來，促進我國聲學(xué)技術(shù)發(fā)展的源動力主要來自于軍方，聲納設(shè)備裝備于水面艦艇和潛艇上，經(jīng)過多年發(fā)展，淺水聲納種類相對齊全，具有較完整的產(chǎn)業(yè)鏈。近年來，為滿足中國大洋協(xié)會主導(dǎo)的國際海域資源調(diào)查與開發(fā)的需求，我國用于深海聲學(xué)探測的裝備取得一定發(fā)展。

下面舉例說明我國幾種核心關(guān)鍵技術(shù)的技術(shù)進展。

在聲多普勒測速技術(shù)方面，中國科學(xué)院聲學(xué)研究所自20世紀(jì)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?？诹髁繙y量試驗。系列自容式ADCP產(chǎn)品樣機（75 kHz，150 kHz，300 kHz，600 kHz） 經(jīng)長期潛標(biāo)海上驗證后已提供給用戶使用。715所主要開發(fā)船用38 kHz和150 kHz相控陣ADCP，38 kHz相控陣ADCP已提供給用戶裝船使用。哈爾濱工程大學(xué)主要研發(fā)120 kHz以上頻率的系列相控陣計程儀。

在聲學(xué)區(qū)域安防及維權(quán)技術(shù)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(shù)得到了快速發(fā)展。以中科院聲學(xué)所為首，包括國內(nèi)其他科研院所、中船重工、中船工業(yè)集團在內(nèi)的相關(guān)單位，紛紛開展和參與了水下安保技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用相關(guān)工作。中科院聲學(xué)所承擔(dān)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(wù)，并在2011年召開了由中科院聲學(xué)所主辦的“全國第一屆水下安保技術(shù)學(xué)術(shù)交流會”。目前已初步形成圍繞小目標(biāo)探測為核心的水下安保技術(shù)的產(chǎn)、學(xué)、研體系，已逐步進入水下安保技術(shù)的快速發(fā)展時期。

在合成孔徑聲納技術(shù)方面，中國科學(xué)院聲學(xué)所在“863”計劃支持下，于20世紀(jì)90年代末開始合成孔徑聲納的研究，歷經(jīng)“九五”、“十五”和“十一五”的發(fā)展，目前已經(jīng)形成了系列樣機，并建立多平臺、多頻段SAS技術(shù)體系。目前已經(jīng)掌握了合成孔徑聲納總體設(shè)計、多子陣快速成像、基于傳感器和原始回波數(shù)據(jù)的聯(lián)合運動補償、自聚焦、信號調(diào)理和采集一體化模塊、大功率發(fā)射機等一系列關(guān)鍵技術(shù)。

在海洋生物資源環(huán)境聲學(xué)探測與調(diào)查評估技術(shù)方面，中國科學(xué)院聲學(xué)研究所、中國水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海研究所等多家國內(nèi)科研院所和高校已經(jīng)開展了漁業(yè)聲學(xué)相關(guān)基礎(chǔ)和應(yīng)用研究，開始培養(yǎng)漁業(yè)聲學(xué)專業(yè)的研究生。國內(nèi)已經(jīng)連續(xù)召開五屆全國漁業(yè)水聲學(xué)會議，國內(nèi)漁業(yè)聲學(xué)研究已經(jīng)初步形成良好的局面。

在聲學(xué)探測技術(shù)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(shù)方面基本與國外同步、水體測流測速方向已經(jīng)形成了多個頻段產(chǎn)品、深水多波束測深技術(shù)方向處于國外第三代水平。總體上講，在相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域取得重要進展，部分設(shè)備已經(jīng)具有很強的競爭力。但由于產(chǎn)業(yè)沒有跟上，市場主要被外國產(chǎn)品控制，在該技術(shù)領(lǐng)域上的全面競爭顯得后繼乏力，技術(shù)整體先進性、新技術(shù)創(chuàng)新能力、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)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(shù)方向尚較易突破，但整體創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面則要困難得多。因此，總的來說，在聲學(xué)探測技術(shù)領(lǐng)域我國與國外差距還是相當(dāng)大的。

3.2 國內(nèi)優(yōu)勢科研機構(gòu)

表3列出了海洋聲學(xué)探測技術(shù)國內(nèi)主要研究機構(gòu)。

表3 聲學(xué)探測技術(shù)國內(nèi)研發(fā)優(yōu)勢單位

3.3 存在問題

目前，海洋聲學(xué)探測技術(shù)及系統(tǒng)的研發(fā)力量主要集中在科研院所和軍工企業(yè)，主要基于國家及部隊項目驅(qū)動進行研發(fā)，國產(chǎn)化率較高，但產(chǎn)業(yè)化及配套技術(shù)方面力量較為分散。對于聲學(xué)系統(tǒng)而言，從樣機到產(chǎn)品需要很好地解決環(huán)境性能可靠性、主要器件（特別是換能器）工藝穩(wěn)定性和一致性、水下機械部件工作可靠性等產(chǎn)品級關(guān)鍵性技術(shù)工藝問題。因此，聲學(xué)探測技術(shù)的發(fā)展應(yīng)當(dāng)加強市場需求方向，在項目層面除了強調(diào)聲學(xué)技術(shù)指標(biāo)外，還應(yīng)對環(huán)境應(yīng)用性能指標(biāo)提出要求。

總的來講，海洋聲學(xué)探測技術(shù)的發(fā)展需要長期穩(wěn)定的支持，按照實際需求以及迫切程度循序漸進開展相關(guān)技術(shù)研究。同時需要加大基礎(chǔ)工業(yè)投資，提高國內(nèi)材料、工藝水平，使得海洋聲學(xué)探測技術(shù)能夠真正走向良性發(fā)展的道路。

4 水平綜合評價

總的來看，我國合成孔徑聲納在淺海技術(shù)方面基本與國外同步，深海合成孔徑技術(shù)尚未開展相關(guān)工作，與國際先進水平有5～8 a的差距。水體測流測速方向已經(jīng)形成了多個頻段產(chǎn)品，主要差距在于產(chǎn)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(tǒng)集成和換能器器件工藝方面，初步估計差距在10 a左右。漁業(yè)資源普查及評估技術(shù)近年來剛剛起步，國內(nèi)漁用聲納系統(tǒng)基本進口，與國外先進水平的差距在15～20 a左右。

綜合來看，我國的海洋聲學(xué)探測技術(shù)與國外有10 a左右的差距。

5 典型案例分析—多波束測深聲納技術(shù)

5.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

多波束測深聲納技術(shù)是目前最重要的水深測量方式，包括深水多波束測深技術(shù)和近海底多波束測深技術(shù)兩大類，它能夠?qū)崿F(xiàn)海底地形地貌的寬覆蓋、高精度探測。該技術(shù)至今已經(jīng)過近60年的發(fā)展，始終保持旺盛的生命力。自20世紀(jì)80年代投入商用以來，目前已經(jīng)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(chǎn)品。

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

典型產(chǎn)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(tǒng)，探測水深20～11 000 m，標(biāo)稱指標(biāo)覆蓋寬度最大43 km，單次發(fā)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(dá)0.5°×1°。后者可安裝在船上，深海型最深可用于6 000 m水深，工作頻率200 kHz，300 kHz，400 kHz可選，最多可選用兩個接收陣，此時波束數(shù)最多可達(dá) 1 600個，覆蓋角寬最寬可達(dá)200°，波束角寬最小可達(dá) 0.4°×0.7°。

在現(xiàn)代水聲、電子、計算機、信號處理技術(shù)蓬勃發(fā)展的背景下，多波束測深聲納技術(shù)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(tǒng)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(yōu)；系統(tǒng)探測能力將繼續(xù)增強，從測深擴展到海底反向散射聲強探測、海底底質(zhì)探測、水中目標(biāo)探測等多方面，將極大地擴展系統(tǒng)的適用范圍；根據(jù)需求不同，多波束測深聲納的產(chǎn)品類別將更加精細(xì)化。

5.2 國內(nèi)技術(shù)水平判斷和依據(jù)

5.2.1 關(guān)鍵技術(shù)掌握程度 我國多波束測深聲納技術(shù)與國外主流技術(shù)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(tǒng)長期依賴進口。

“十一五”以來，國家支持了相關(guān)研究工作。2014年在“863”計劃支持下，研制出基本達(dá)到國際第三代水平的深水多波束測深系統(tǒng)；目前有少量淺水多波束測深聲納實現(xiàn)產(chǎn)品化，但性能與國外有差距，市場占有率非常低。

5.2.2 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(shù)方面有5～15 a差距，整體技術(shù)水平與國外相比有10 a差距。

5.3 應(yīng)用前景

多波束測深聲納是當(dāng)今前沿的海洋高技術(shù)設(shè)備。水深數(shù)據(jù)是海洋探測中最基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)之一，準(zhǔn)確的水深數(shù)據(jù)在軍民兩方面應(yīng)用都有非常重要的意義。在海洋科學(xué)研究、資源開發(fā)、工程建設(shè)、航行安全、國家權(quán)益以及軍事等活動中，通常都需要準(zhǔn)確地獲取所關(guān)注區(qū)域內(nèi)的海底地形地貌信息，作為基礎(chǔ)資料與支撐依據(jù)。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(yīng)用前景。

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Competitiveness Analysis for China's Ocean Acoustic Detection Technologies

LIU Xiao-dong,WANG Lei,YANG Juan,DENG Kai
Institute of Acoustics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China

Ocean acoustic detection technologies are applied in the measurement of marine physical parameters and specific marine target characteristics.They serve as essential ocean high technologies for mankind to understand the ocean and to exploit and utilize rich marine resources.This paper provides an overview of the structure of ocean acoustic detection technologies,as well as the major institutes and companies engaged in the research of these technologies at home and overseas.It focuses on the comparative analysis of the development status and trends of these technologies in China and overseas,and summarizes some problems of domestic technologies.The results show that a decade of development gap exists between the ocean acoustic technologies in China and in world leading countries.Thus some measures,such as long-term stable support,on-demand research,investment increase in fundamental industries,and improvement of the manufacturing levels of materials and processes,must be taken to promote the fast and healthy development of China's ocean acoustic technologies.

acoustic detection technologies;ocean;competitiveness analysis

TB566

A

1003-2029（2015）03-0080-06

2015-03-05

劉曉東（1977-），男，研究員，主要從事海洋聲學(xué)技術(shù)與聲信號處理研究工作。E-mail：liuxd@mail.ioa.ac.cn