海洋调查和探测技术课件.ppt

1、第一章 海洋调查和探测技术第一节 海洋调查船第二节 海洋浮标第三节 海洋遥感技术第四节 水声探测技术第五节 海洋观测仪器现代立体化海洋调查和探测技术: 海面:调查船、浮标站 水下:潜水器、水下实验室、水声技术 空中和空间:飞机、卫星海洋调查船：海洋调查最基本的运载工具，是专门从事海洋科学调查的船只。“挑战者”号科学考察船（2300）由军舰改装，1872.121876.5，年半时间，航程12.6万公里。第一节海洋调查船所做工作：测量海洋深层水温 在362个点上进行生物标本采集 测量海底地形、地质 测量了环流 海水透明度、海洋动植物 分析盐度、发现海底锰结核调查资料经76位科学家23年的整理分析于

2、18801895年出版50卷巨著，共29500页，插图3000张，被誉为“奠基性调查”。生物调查海水理化、地质地貌专业调查和特种调查现代化调查船极地海洋调查船187219251950196220世纪90年代海洋调查发展过程（雪龙号）一、海洋调查船的主要特点（1）装备专用仪器，研究实验室等；（2）船体坚固，有良好的稳定性和抗浪性；（3）具有良好的操纵性;（4）有准确可靠的导航定位系统；（5）具有充足完备的供电能力。按海区不同：近海调查船远洋调查船按调查任务不同：综合调查船（一）专业调查船（二）特种调查船（三）二、海洋调查船的类型（一）综合调查船设备齐全：水文、气象、物理、化学、生物、地质的样本采

3、集；排水量大性能好：续航能力，有海洋浮动实验室之称。如：“海洋学家”号（美）、 “发现”号（英）、 “白凤丸”号（日）、 “让.夏尔科”号（法）（二）专业调查船（1）海洋测量船海图测绘和海道测量。（2）开发研究船是直接为海洋开发服务的，如勘探、渔业调查、气象观测等（三）特种海洋调查船（1）宇宙调查船 “远望号”（2）极地调查船 “雪龙号”（3）深海采矿钻探船三、与调查船有关的技术及发展方向（一）计算机网络化（二）低速操纵性（三）导航设备（四）动力定位系统（五）实验室作业区布局和调查设备（六）调查船新型船壳设计第二节海洋浮标海洋浮标为一类载有探测用的各类传感器的海上平台，是现海洋浮标为一类载有探

4、测用的各类传感器的海上平台，是现代化海洋立体监测系统中的重要技术。它犹如一个海上自动代化海洋立体监测系统中的重要技术。它犹如一个海上自动水文气象站，可以在广阔的海洋上进行定点（或飘流）的长水文气象站，可以在广阔的海洋上进行定点（或飘流）的长期连续观测，不管是在风平浪静之日，还是在狂风暴雨之时，期连续观测，不管是在风平浪静之日，还是在狂风暴雨之时，都能监视着海上风云的变幻，为海洋环境预报、航海运输、都能监视着海上风云的变幻，为海洋环境预报、航海运输、海洋科学研究、以及海洋开发，提供实时的海洋信息，费用海洋科学研究、以及海洋开发，提供实时的海洋信息，费用也比船舶低，特别是能收集到调查船难以收集到的

5、恶劣天气也比船舶低，特别是能收集到调查船难以收集到的恶劣天气及海况的资料，人们又把它叫做海上自动观测站。及海况的资料，人们又把它叫做海上自动观测站。 海洋浮标技术是伴随着海洋科学的发展，在传统技术的基础海洋浮标技术是伴随着海洋科学的发展，在传统技术的基础上发展起来的海洋监测新技术。上发展起来的海洋监测新技术。 海洋浮标是一种现代化的海洋观测设施。它具有全天候、全海洋浮标是一种现代化的海洋观测设施。它具有全天候、全天时稳定可靠的收集海洋环境资料的能力，并能实现数据的天时稳定可靠的收集海洋环境资料的能力，并能实现数据的自动采集、自动标示和自动发送。海洋浮标与卫星、飞机、自动采集、自动标示和自动发送

6、。海洋浮标与卫星、飞机、调查船、潜水器及声波探测设备一起，组成了现代海洋环境调查船、潜水器及声波探测设备一起，组成了现代海洋环境主体监测系统，为探测海洋的奥秘，立下了不朽功勋。主体监测系统，为探测海洋的奥秘，立下了不朽功勋。 海洋浮标，一般分为水上和水下两部分，水上部分装有多种海洋浮标，一般分为水上和水下两部分，水上部分装有多种气象要素传感器，分别测量风速、风向、气温、气压和温度气象要素传感器，分别测量风速、风向、气温、气压和温度等气象要素；水下部分有多种水文要素传感器，分别测量波等气象要素；水下部分有多种水文要素传感器，分别测量波浪、海流、潮位、海温和盐度等海洋水文要素。浪、海流、潮位、海温

7、和盐度等海洋水文要素。 各种传感器将采集到的信号，通过仪器自动处理，由发射各种传感器将采集到的信号，通过仪器自动处理，由发射机定时发出。地面接收站将收到的信号经过处理后，就得机定时发出。地面接收站将收到的信号经过处理后，就得到了人们所需要的资料。通过对这些资料的掌握，会给人到了人们所需要的资料。通过对这些资料的掌握，会给人们的生产和生活带来极大的便利。如知道了海流流向，航们的生产和生活带来极大的便利。如知道了海流流向，航海时便尽可能顺流而行；知道了风暴区域，航海时则可避海时便尽可能顺流而行；知道了风暴区域，航海时则可避开绕行；知道了潮位的异开绕行；知道了潮位的异 常升高，便可及时防备常升高，便

8、可及时防备 突发事件。突发事件。 海洋浮标最早出现于第二次世界大战（海洋浮标最早出现于第二次世界大战（1939193919451945年）期间，德国在大西年）期间，德国在大西洋、英吉利海峡和北海等海区首先使用。当时的浮标设计较为简单。经过洋、英吉利海峡和北海等海区首先使用。当时的浮标设计较为简单。经过2020世世纪纪5050年代、年代、6060年代的研制和发展，到了年代的研制和发展，到了7070年代，海洋浮标技术日趋成熟，逐渐年代，海洋浮标技术日趋成熟，逐渐投入使用。投入使用。 我国从六、七十年代开始，分别开展了锚泊浮标和潜标的研制工作。在我国从六、七十年代开始，分别开展了锚泊浮标和潜标的研制

9、工作。在19651965年，通过全国会战研制了第一套年，通过全国会战研制了第一套H23 2mH23 2m1.5m1.5m船形浮标。经历了船形浮标。经历了2H232H23型、型、HFB-1HFB-1型、南浮型、南浮1 1号、科浮号、科浮2 2号、号、FZF2-1FZF2-1型、型、FZS1-1FZS1-1型几代浮标的演变。型几代浮标的演变。19851985年年开始建设我国的海洋水文气象浮标网，从英国开始建设我国的海洋水文气象浮标网，从英国MAREXMAREX公司引进了公司引进了8 8套套DS14DS14型型3m3m圆圆盘式浮标，同时在盘式浮标，同时在“七五七五” ” 重点科技攻关项目中，研制了重

10、点科技攻关项目中，研制了FZF2-1FZF2-1型型10m10m圆盘式圆盘式浮标和浮标和FZS1-1FZS1-1型型3m3m圆盘式浮标，浮标工作得到了较为迅速的发展。圆盘式浮标，浮标工作得到了较为迅速的发展。19861986年完成年完成FSS1-2FSS1-2型千米测流潜标系统的研制工作，基本掌握了系统设计、制造、布放、型千米测流潜标系统的研制工作，基本掌握了系统设计、制造、布放、回收等技术；回收等技术；“七五七五”期间开展了深海测流潜标系统实用技术研究，使潜标系期间开展了深海测流潜标系统实用技术研究，使潜标系统的相关技术得到了较大的发展，提高了潜标系统对船舶的适应性和海区适应统的相关技术得到

11、了较大的发展，提高了潜标系统对船舶的适应性和海区适应性。性。 并在中日联合黑潮调查中，多次应用了海洋调查潜标系统。并在中日联合黑潮调查中，多次应用了海洋调查潜标系统。一、海洋浮标分类 按观测项目分：按观测项目分：海洋水文气象遥测海洋水文气象遥测浮标、海洋污染监测浮标、地震测浮标、海洋污染监测浮标、地震测量浮标和多用途浮标量浮标和多用途浮标 按浮标在海面上所处的位置分：按浮标在海面上所处的位置分：锚锚泊浮标（泊浮标（anchor buoy） 、漂流浮标、漂流浮标（drifting float）和潜标和潜标 （1）锚泊浮标：又称海洋资料浮标或海洋遥测浮标。 用锚把海上平台系留在海上预定的地点，具有

12、定点、定时、长期、连续、较准确地收集海洋水文气象资料的能力，被称为“海上不倒翁”。包括气象资料浮标、海水水质监测浮标、波浪浮标等。 海岸浮标是一种比较常用的锚定浮标，适合于短期科学实验及环境监控计算，也适合于某些海底的测量工作。浮标的底部如钟摆式长臂，固定于附加装置上。海岸浮标能将测得的数据传给卫星，再由卫星将信号传送到地面接收站和海洋环境监网。 海洋资料浮标是岸基监测系统向海洋方面的延伸，处于海-气交换界面上，对海洋环境进行长期测量，所采集的数据能更直接、更迅速反映海洋环境的变化。因此，浮标资料对海洋环境监测和灾害预警报的作用是巨大的和不可缺少的。锚泊海洋资料浮标有大型圆盘浮标，主要用于恶劣

13、条件下的海洋科学试验；中型浮标主要用于几百米水深的海域；小型圆盘型浮标，主要用于近海或湖泊及河口的监测。这些资料浮标系统普遍采用了高可靠性的低功耗微处理机作为数据采集控制的核心，应用卫星传输测量数据。其特点主要表现在：能够增加传感器，扩大浮标的功能；采用先进的数据采集和通讯系统；浮标采用钢、铝、泡沫塑料或玻璃钢混合结构，重量轻、布放回收方便；均采用太阳能电池和蓄电池组合供电；关键部件采取备份，提高浮标的可靠等级。 由南海海洋所承担的“十五”国家863计划“海洋光学浮标技术”项目。 该项目是发展我国“立体、中远距离海洋监测高技术”的重要组成部分。目标是研制适合我国海区的锚系光学浮标，同步监测海面

14、、海水近表层和真光层光学参数，为水色遥感的现场辐射定标和遥感数据真实性检验，为海洋生态、动力环境监测提供实时高光谱数据。主要研制适用于海洋光学测量的浮标体及系统集成，高光谱、多光谱水下辐照度和辐亮度测量，多光谱海面辐照度测量，高光谱水体吸收和散射系数测量，水下光学仪器窗口防污染，浮标数据连续自动采集，浮标-真光层以及浮标-岸机实时通信，以及光学浮标数据处理和应用分析等技术。（2）漂流浮标：可以在海上随波逐流地收集大面积有关海洋资料。 体积小、重量轻，没有庞大复杂的锚泊系统，具有简单、经济之特点。有表面漂流浮标、中性浮标、各种小型漂流器等。 “阿尔戈”浮标http:/ “阿尔戈”是英语“Argo

15、”一字的音译，而Argo又是英文“Array for Real-time Geostrophic Oceanography”的缩写，其中文含义为“地转海洋学实时观测阵”。它如同陆地上有许许多多的气象站组成的气象观测网一样，“阿尔戈”是在海洋上建立的海洋观测网的代称。此外，“阿尔戈”这一命名，还体现了海洋观测网与由美国国家航空与航天局（NASA）和法国国家空间中心（CNES）联合发射的新一代“杰森”（Jason）卫星高度计之间的特殊关系。传说“阿尔戈” （Argo）是希腊神话中的一艘神船，那些称呼“杰森”（Jason）的勇士们乘上这艘神船无往不胜，完成了其史诗般的海上航行。现在人们用“阿尔戈”和

16、“杰森”来比喻海洋观测网与卫星高度计之间的相互关系，强调“杰森”卫星高度计需要先进的“阿尔戈”海洋观测网的配合才能成功完成它的历史使命。“阿尔戈阿尔戈”计划计划1998年，美国和日本等国家大气、海洋科学家推出了一个全球性的海洋观测计划，目的是要借助最新开发的一系列高新海洋技术（如Argo剖面浮标、卫星通讯系统和数据处理技术等），建立一个实时、高分辨率的全球海洋中、上层监测系统，以便能快速、准确、大范围地收集全球海洋上层的海水温度和盐度剖面资料，有助于了解大尺度实时海洋的变化，提高气候预报的精度，有效防御全球日益严重的气候灾害（如飓风、龙卷风、台风、冰暴、洪水和干旱等）给人类造成的威胁。 该计划

17、设想用3-5年的时间（20002004年），在全球大洋中每隔300公里布放一个卫星跟踪浮标，总计为3000个，组成一个庞大的“阿尔戈”全球海洋观测网。一种称为自律式的拉格朗日环流剖面观测浮标（简称“阿尔戈浮标” ）将担当此重任。它的设计寿命为35年，最大测量深度为2000米，会每隔1014天自动发送一组剖面实时观测数据，每年可提供多达10万个剖面（02000米水深内）的海水温度和盐度资料。由于其与“杰森”卫星高度计之间的密切联系，故将其以“阿尔戈”计划相称。 阿尔戈计划的推出，迅速得到了包括澳大利亚、加拿大、法国、德国、日本、韩国等10余个国家的响应和支持，并已成为全球气候观测系统（GCOS）

18、、全球大洋观测系统（GOOS）、全球气候变异与观测试验（CLIVAR）和全球海洋资料同化试验（GODAE）等大型国际观测和研究计划的重要组成部分。第四届世界气候变化纲领大会、第20届联合国政府间海洋学委员会大会和第13届世界气象大会都认为，阿尔戈计划是一个十分重要的项目。为此，联合国政府间海洋学委员会还专门通过了一项决议，支持阿尔戈计划在全球的实施。 “阿尔戈”浮标指用于建立全球海洋观测网的一种专用测量设备（右图）。它可以在海洋中自由漂移，自动测量海面到2000米水深之间的海水温度、盐度和深度，并可跟踪它的漂移轨迹，获取海水的移动速度和方向。“阿尔戈”浮标在专业上称自律式拉格朗日环流剖面观测浮

19、标（PALACE）或自持式剖面自动循环探测仪，也有人称中性剖面自动探测漂流浮标。众所周知，任何物体在水中实现沉、浮运动通常有三种途径，一是改变物体的体积而重量保持不变；二是改变物体的重量而体积不变；三是增加或减少对物体所施加的外力。“阿尔戈”浮标的设计则采用了第一种途径，即浮标在水中沉浮依靠改变其内部体积来实现。根据这一原理设计的浮标主要由可变体积的水密耐压壳体、机芯、液压驱动装置、传感器、控制/数据采集/存储电路板、数据传输终端（PTT）和电源等部分组成。 浮标总体结构浮标总体结构 浮标的沉浮功能主要依靠液压驱动系统来实现。液压系统则由单冲程泵、皮囊、压力传感器和高压管路等部件组成，皮囊装在

20、浮标体的外部，有管路与液压系统相连。当泵体内的油注入皮囊后会使皮囊体积增大，致使浮标的浮力逐渐增大而上升。反之，柱塞泵将皮囊里的油抽回，皮囊体积缩小，浮标浮力随之减小，直至重力大于浮力，浮标体逐渐下沉。若在浮标的控制微机中输入按预定动作要求编写的程序，则微机会根据压力传感器测量的深度参数控制下潜深度、水下停留时间、上浮、剖面参数测量、水面停留和数据传输，以及再次下潜等工作环节，从而实现浮标的自动沉浮、测量和数据传输等功能。 阿尔戈浮标剖面测量过程 这种自持式剖面自动循环探测仪的设计寿命为3-5年。如果不出意外的话，一个“阿尔戈”浮标每年可以提供约36个剖面的观测资料。目前，该浮标及其应用的剖面

21、循环探测技术在国内还属空白，国外也只有少数几个国家（美国、法国和加拿大）有能力生产。PALACE、APEX、PROVOR和SOLO等型号的自动剖面探测仪是各国在实施“阿尔戈”计划中应用较为广泛的4种颇具代表性的“阿尔戈”浮标。 ARGO浮标的布放也十分简单，浮标通过测试程序，证明浮标处于良好工作状态，无需专业人员在场即可在海上布放。且布放的方式有多种多样，可以利用飞机空投，适用于在一些偏远的海区布放浮标，也可以用定期来往于全球贸易航线上数以百计的商船或其他机会船（VOS）布放。当然，利用专业调查船布放会使浮标工作更具有可靠性，观测资料会更有说服力。因为在用专业调查船布放浮标时，可以利用船载温盐

22、深仪（CTD）和高精度实验室盐度计等对浮标观测资料进行现场比较和校正。这种浮标最大的优点是一旦布放，它将持续自动运行而无需人为维护。阿尔戈观测网的布点既不能太稀疏，也不可能太密集。最终选择了在全球海洋中布放3 000个浮标，观测深度为 2 000m的设计目标。考虑到卫星卫星高度计高度计的光谱空间尺度随着纬度的增加会缩短的事实，要求在高纬度海区增加浮标的布放密度，而在赤道海域则可稀疏一些。即在60N以北海域，其浮标的布设密度要比赤道海域增加2倍。但就平均而言，ARGO观测网将由每隔约3个经纬度布设一个浮标，总计约有3 000个ARGO剖面浮标组成。中国ARGO计划总体目标 中国计划在200220

23、05年期间投放100150个ARGO浮标，以便建成一个大洋局域观测网。以后则每年投放2030个浮标，以维持该局域观测网的正常运行。 中国ARGO计划总体目标是，通过引进国际上新一代、先进的沉浮式海洋观测浮标（即ARGO剖面浮标），施放于邻近我国的西北太平洋海域（少量浮标将视情形布放到南大洋和印度洋海域），建成我国新一代海洋实时观测系统（ARGO）中的大洋观测网（布放 100150个 ARGO剖面浮标），使中国成为国际ARGO计划中的重要成员国。同时能共享全球海洋中3000个ARGO浮标资料，丰富我国海洋和气象界承担的相关研究项目的资料源，并为该系统的近海观测网建设提供强有力的技术支撑，即通过大

24、洋观测网建设，以此来了解和掌握该高新海洋观测技术的性能和特点，走技术引进、消化吸收和自行研制之路，使未来大洋观测网的维持由国产ARGO浮标代替，而近海观测网则完全采用国产ARGO浮标组成，最终建成我国自成系统的海洋实时观测网络，为我国的海洋研究、海洋开发、海洋管理和海上军事活动等提供实时观测资料和产品。（3）潜标：可潜于水中，主要用于深海测流和深层水文要素。 海洋潜标系统是对水下海洋环境要素进行长期、定点、连续、同步剖面观测的海洋监测系统。系统在水下相对隐蔽的状态下工作，不易受海面恶劣海况的影响及人为（包括船只）破坏，海洋潜标系统可以观测水下多种海洋环境参数。广泛应用于海洋调查和科学研究。 潜

25、标锚定于水下，可定点进行连续自记，并按指令定期上浮回收。 二、海洋浮标技术的组成海上预报（一）岸上接收（二）海上预报 部分浮体传感器系统数据采集和处理系统通信系统电源系统锚泊系统遥控发射机遥测接收机天线通信系统电子计算机岸上接收部分 主要设备有遥控发射机、遥测接收机、天线（菱形、笼形或卫星接收天线）、时序控制器、解调译码器、电子计算机、电传打字机和数字磁带机等。海上浮标定时发送的资料或接受岸站指令随时发送的资料，岸站均能自动接收下来，打印出真值数据并记录在数字磁带上。 20082008年奥运会奥帆赛场浮标站建设完成年奥运会奥帆赛场浮标站建设完成 “2008年奥运会青岛帆船赛区海洋水文、水质监测

26、暨预报系统”浮标站3个新建浮标在青岛奥帆赛海域布放完成，并开始进行这一海域的海洋环境监测。 建设浮标站（在青岛近岸海域布放浮标）是“2008年奥运会青岛帆船赛区海洋水文、水质监测暨预报系统”的一个重要组成部分。新布放的3个浮标是引进国外先进的多参数海洋环境监测浮标，这种型号浮标曾成功应用于2000年悉尼和2004年雅典两届奥运会。浮标上的仪器将风速、风向、气压、气温、波高、周期、波向、水温、盐度、流速、流向、溶解氧、值、浊度等多项海洋水文、气象、水质要素通过海事卫星通信系统和通信系统传输到设在国家海洋局北海预报中心的浮标岸站，数据经过处理可供比赛等参考使用。 另外，国家海洋局北海分局还提供一个

27、波浪浮标，已布放在比赛海域，收集波高、波向、波周期等海域波浪要素资料。另提供的一个水下波流测量系统，观测波高、波向、周期、流速、流向等要素，对青岛奥运赛场海域海洋环境进行实时、定点、连续监测。 该系统是青岛市政府和北海分局为办好2008年奥运会青岛帆船帆板比赛共同投资建设的。这一系统主要包括六部分建设内容：浮标站、高频测流站、移动监测车和监测船定制、信息网络系统、海洋预报中心及前期海洋环境基础调查。它在青岛市现有的海洋环境监测预报能力基础上，完善和建设符合奥运帆船比赛要求的海洋水文、水质监测暨预报系统，保障2008年奥运会青岛帆船帆板比赛的顺利举行。奥帆赛场浮标站 第三节海洋遥感技术遥感技术：

28、指的是把传感器装载在人造卫星、宇宙飞船、飞机、地面等工作平台上，对海洋进行远距离非接触观测，取得海洋景观和海洋要素的图像或数据资料，实际上是人的感觉器官的扩展和延伸。历史：航空摄影航空遥感卫星遥感海洋遥感是空间技术应用于海洋研究的一门技术。始于：第二次世界大战期间。用于河口的海岸制图和水深测量。第一次大规模使用是美国于1950年海湾考察第一次用卫星探测海洋：美国1960气象卫星“泰罗斯”号海洋卫星军用海洋监测卫星综合海洋观测卫星海洋学研究卫星作用环境研究、监测、预报资源开发利用和环境保护海洋综合管理、防灾与减灾定位、导航和军事中国第一颗海洋探测卫星发射http:/ http:/ 一、遥感工作平

29、台（一）地面工作平台观测站、观测塔、观测车、观测船南沙群岛永暑礁海洋观测站 位于北纬9度37分,东经112度58分,距中国大陆约740海里，1988年8月2日竣工海平面测量 http:/ （二）航空工作平台飞机、无人驾驶飞机、气球、探空火箭（三）航天工作站人造卫星、宇宙飞船、航天飞机高度像片测地时间范围航空10103010多年有限卫星几万 185185318天无限航空摄影与卫星遥感对比二、遥感传感器（一）可见光传感器0.380.78 借助于可见光实现遥感的仪器。传感器：照相机、多光谱照像机、 多光谱扫描仪、 水色扫描仪、电视摄像系统。精度：民用的可达分辨率0.60， 一般1060。作用：云图、

30、海水、海岸形状、岸流、波浪、 浅海水深分布、海岛、水色、透明度、 叶绿素等照相机多光谱扫描仪水色扫描图电视摄像系统（二）红外传感器0.781红外传感器：工作在红外波段的传感器传感器：红外扫描仪红外波长的方法反射红外热红外精度：0.2作用：全天候的水温监测（三）微波传感器微波130传感器：微波辐射计、散射计、雷达高度计、俯视雷达、合成孔径雷达等方法无源有源被动，本身无电磁波发射源主要，本身有电磁波发射源精度：波浪10，流速20 风速1.7，风向17作用：海水盐度、海冰厚度、海面风速、 波浪、流速、风向、海面油膜分布、 大气参数等。 具有全天时、全天候的能力。微波辐射计散射计合成孔径雷达卫星高度计

31、地面雷达三、遥感信息处理目的是将获取的信息变成可供用户使用的信息方法：电子光学影像增强技术、 计算机信息处理技术四、遥感技术在海洋中的应用（1）海洋气象学（2）海洋水文学（3）海洋生物学（4）海洋渔业（5）海洋环境监测（6）海洋航运（7）海洋工程http:/ 水声技术的由来 1490年，意大利达芬奇的听测管 1826年，瑞士法国的科学家测到声波在水下的传播速度是1435m/s 1912年，泰坦尼克号沉没，英国科学家里查逊提出利用声波在空气和水中探测障碍物。 1913年，美国费森登制造了超声波回声探测仪，开始了水声技术海中探测的时代。第四节水声探测技术水声技术：研究和开发海洋所用的声学技术。声纳

32、系统：利用水下声波的传播特性来进行水中目标探测、识别、定位、导航和通讯的设备系统。声纳是英文Soundnavigationranging的缩略语SONAR的译音，意即“声音导航测距”，已成为水下声波导航与定位设备的简称。声纳是目前最有效的水中探测和通信设备，它利用声波在水中的传播特性，通过电声转换和信息处理，对水中目标进行传感探测，其功能与雷达相似，广泛用于水下警戒、武器射击、侦察、通信、导航、探鱼、海底矿藏勘探等。声纳种类繁多，性能各异。 声纳的工作原理是回声探测法。这个方法是在第一次世界大战 期间研究出来的。用送入水中的声脉冲探测目标,声脉冲碰到目标就反射回来,返回声源(有所减弱) 后被记

33、录下来。如果知道脉冲的往返时间,并且知道超声在水中的传播的速度,就可以很精确测定出目标的距离。 声波在水中的传播速度随水的温度、盐度和压力而变化。常温时，淡水中的声速为1450米/秒，海水中声速的典型值为1500米/秒。如测得声波在水中往返的时间为3秒，则在海水中的深度为2250米；在淡水中的深度为2175米。一、主动声纳一种有源声纳，它利用一组换能器发射超声波信号，通过自身或另一组换能器从目标反射回来的信息来测目标的参数和性质。回声测深仪侧扫声纳探鱼仪声学多普勒海流计（一）回声测深仪 echo-sounder利用声波反射的信息测量水深的仪器。 回声测深仪的工作原理是利用换能器在水中发出声波，

34、当声波遇到障碍物而反射回换能器时，根据声波往返的时间和所测水域中声波传播的速度，就可以求得障碍物与换能器之间的距离。 种类：升沉补偿测深仪、拖曳式测深仪、多波束测深仪水深计算：水深声速换能器吃水深度（二）側扫声纳 一种用声波来探测海洋内部环境的有效系统，又称“旁视声纳”或“海底地貌仪”。 其工作原理类似于空中拍摄的大地测绘照片：由随船行进的拖鱼产生两束与船行进方向垂直的扇形声束,声波碰到海底或礁石、沉船等物体就被反射回来,或者是受到海水密度、温度的影响而传播方向和速度发生改变,反射回来的信号由拖鱼接收系统接收、转换放大,然后由处理器以图像的形式记录、显示反射和散射信号。所以,对侧扫声纳图像进行

35、处理和分析,就可以得知海洋的环境状况。 种类：进程、中程、远程 组成：拖曳体拖缆绞车收放装置发射接收系统终端记录装置测扫声纳示意图换能器向侧面海底辐射声脉冲，波束扇面照射海底成狭长窄带到达海底的声脉冲被海底反射回来，反射波被收到时间先后恰与海底远近想对应（三）探鱼仪 探鱼仪是根据水下声纳探测原理研制的探寻水中鱼情的电子仪器。它具有连续自动扫描监测功能和过去十秒内记录连续显示功能。数字显示水底深度，能探知鱼群活动水层的深度以及鱼群出现的频繁程度、鱼或鱼群的相对大小等。有规则地移动声纳传感器探头的位置，则可以探测水底凹凸地形状况、分辨水底沙石或淤泥等。 种类：垂直探鱼仪、水平探鱼仪、高分辨率探鱼仪

36、（四）声学多普勒海流计、多普勒导航仪 多普勒效应（Doppler effect） 是为纪念奥地利物理学家及数学家克里斯琴约翰多普勒（Christian Johann Doppler）而命名的，他于1842年首先提出了这一理论。多普勒认为，物体辐射的波长因为波源和观测者的相对运动而产生变化。在运动的波源前面，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高 (蓝移 (blue shift)。在运动的波源后面，产生相反的效应。波长变得较长，频率变得较低 (红移 (red shift)。波源的速度越高，所产生的效应越大。根据光波红/蓝移的程度，可以计算出波源循着观测方向运动的速度。除非波源的速度非常接近光速，否

37、则多普勒位移的程度一般都很小。所有波动现象 (包括光波) 都存在多普勒效应。 多普勒效应的发现多普勒效应的发现1842年德国一位名叫多普勒的数学家。一天，他正路过铁路交叉处，恰逢一列火车从他身旁驰过，他发现火车从远而近时汽笛声变响，音调变尖，而火车从近而远时汽笛声变弱，音调变低。他对这个物理现象感到极大兴趣，并进行了研究。发现这是由于振源与观察者之间存在着相对运动，使观察者听到的声音频率不同于振源频率的现象。这就是频移现象。因为是多普勒首先提出来的，所以称为多普勒效应。 多普勒海流计：用于测量海流速度的仪器。以海底和海水作为声源参照物，从船上向海中发射频率稳定的声脉冲信号，当声波到达海底，相对

38、运动船上的声源，就会产生多普勒频移，由船上的接收器接收海中和海底的声散射信号，通过计算机就可获得各层海水流动的速度。即利用相对运动物体的多普勒频移原理，将测得的频移量转换成速度。 多普勒导航仪（多普勒声纳） 根据多普勒效应，若船只和海底有相对运动，回波信号就会产生频移。同时测量 4个波束中由于船只对海底相对运动而出现的频移，经信号处理后，就可精确地测出船只对海底的运动速度，并画出航迹来。多普勒声呐也是一种引导大型船只靠岸的有效工具。 二、被动声纳被动声纳：只接收声源信号而不发射信号的声纳。这类声纳根据水中目标所辐射的噪音或声源所发出的声信号来判断发声体的位置和特性。作用：监视鱼群动态； 监测水

39、下地震 水中舰船、潜艇三、动态定位和井口重入技术 动态定位系统：在海底放一个水声应答器作为基准点，同时在船上布放三个水听器进行应答测距。在下钻作业时船上向基准点应答器发出脉冲，应答器收到信号之后发出回答脉冲，这回答脉冲被船上的三个测距水听器收到，这时可以测出三个水听器与基准应答器的距离。四、水声通讯技术水声通讯技术：是一类无缆的水下信息传输设备，它通过海水介质，以应答或自动方式，实时地传输各类传感器的输出数据至岸站、指挥船或水面浮标。通过水声信息传输，实现水下开关、数据调整等遥控功能。（一）水声通讯机 利用声波在水中传递信息以达到通信联络的设备。发射器接收器接收器发射器方式一种是载波语言调制声

40、波或直接辐射语言声波一种为数字编码通讯，为水声设备中常用作指令和控制的通讯方式。（二）水下图像传输即用水下电视摄像机摄取图像，再通过海水信道传送到水面（三）水声遥测系统通过测量仪器把所要测量的水下环境参数变换成水声信息，传到处理船或岸站上来。(四)水声遥控系统把指令或控制信号变成水声信号，以达到控制水下作业仪器的目的。五、海洋声层析术marine acoustic tomography利用声学方法在大范围海域测量海域动力特性的一种遥感技术。利用海中声速传播与海水温度、盐度、密度的关系，根据声传播时间的变化，反过来演算海洋中温度、盐度、密度分布状况。近似于医学上的CT成像术。海洋层析测量时，在所

41、测量的水域周围，布设若干个水声发射和接收换能器，一些换能器发射声信号，另一些接收声信号，并精确测量声波的传播时间，计算声波传播的速度。换能器数量愈多，穿过水团的声线愈多，获得的信息就愈多。利用电子计算机对取得的平均速度和往复速度差进行逆运算，就可以求出多个换能器包围的水域中的温度、盐度、流速、流向等的分布情况。在海洋观测中，海洋声学层析术和船只采样观测法相比，有实时、简便和节省人力物力的优点。使用100200 赫的声波，可以进行百万平方公里水域的层析观察和监测中尺度涡等中尺度海洋动力过程。使用频率更低（如30赫）的声波，可以进行更大面积的观测。 第五节 海洋观测仪器oceanographic

42、instruments海洋观测仪器： 用于海洋观测的所有仪器的总称，是观测和测量海洋的基本工具，通常指采样、测量、观察、分析和数据处理等设备。 发展概况 早在15世纪中叶，便有人研制测量海水深度的仪器。但是比较简便而又可靠的测温工具，是1874年研制出的颠倒温度表。随后又设计出埃克曼海流计。20世纪初研制出了回声测深仪。1938年研制出机械式深温计，从而可以快速观测水温随深度的变化。直到20世纪50年代以前，海洋观测主要使用机械式仪器，回声测深仪是唯一的电子式测量装置。60年代以后，海洋观测仪器在设计上大量采用新技术，逐步实现了电子化。海洋观测仪器的电子化，是从单项测量仪器开始的，以后又发展多

43、要素的综合仪器，例如盐温深测量仪。今后，海洋观测仪器将不断改进结构，降低功耗，增加可靠性，除传感器多样化外，信号形式和仪器终端将日趋通用化，并进一步向智能化发展。一、海洋观测仪器的种类（一）按其操作方式的分类（1）投弃式：投放入海完成任务后不再回收的仪器。（2）自返式：投放入海的仪器完成测量任务或采样，释放装置动作，卸掉压载的重物，仪器借助自身的浮力返回海面。（3）悬挂式：利用船上的绞车吊杆从船舷旁把仪器送入海中。（4）拖曳式：工作时从船尾放入海中，拖曳在船后进行走航观测。（二）按所测要素分类：（1）海洋物理性质观测仪器：用于观测海洋中的声、光、温度、密度、动力等现象。（2）海洋化学性质观测仪

44、器：主要用来测定海水中各种溶解物的含量。（3）海洋生物观测仪器。（4）海洋地质及地球物理观测仪器。温度计电子温盐深测仪浮子式验潮仪颠倒采水器返回盐度计PH计溶氧测定仪分光光度计荧光测定返回筛网采泥器拖网生物网电子称GPS返回海底表层取样设备：重力采泥器 弹簧式采泥器 箱式采泥器柱状取样设备：重力取样管 振动活塞取样管 重力活塞取样管海洋地质及地球物理观测仪器磁力仪重力仪取样管返回二、海洋仪器的发展特点（1）海洋仪器向多样化发展（2）系统化（3）采用计算机技术等高新技术复习思考题1.什么叫海洋调查船？海洋调查按任务来分有哪些类型？2.海洋调查船有哪些特点？3.什么是海洋浮标？海洋浮标有哪些种类和作用？4.什么是遥感技术？5.有哪些种类的传感器？各有什么作用？6.遥感技术在海洋中有哪些方面的应用？7.什么叫水声技术？它包括哪些技术？8.什么叫海洋观测仪器？有哪些种类的海洋观测仪器？