海洋探測尖兵

人類的生活和海洋息息相關(guān)，因而從非常早的時(shí)期就開始從事海洋探索工作#65377;探索的區(qū)域可以從全球性的區(qū)域#65380;數(shù)個(gè)國家的共同開發(fā)區(qū)域#65380;單一國家區(qū)域，到某個(gè)地區(qū)沿海數(shù)海里內(nèi)的區(qū)域#65377;探索的內(nèi)容包括物理#65380;化學(xué)#65380;生物學(xué)#65380;海洋地理#65380;氣象#65380;環(huán)保#65380;海洋資源的研究與開發(fā)等，非常多元化，非常復(fù)雜#65377;以下介紹海洋研究船與水下無人載具，如遙控載具(remotely operated vehicle，ROV)#65380;自主式水下載具(autonomous underwater vehicle，AUV)#65380;自主式水下滑翔機(jī)(autonomous underwaterglider，AUG)等#65377;

海洋研究船

基本上，海底世界可以說是一個(gè)高壓#65380;黑暗#65380;電訊不通的惡劣環(huán)境#65377;海里每增加10公尺深度就增加一個(gè)大氣壓，而海洋的平均深度是

3 770公尺，換言之，海底是平均377個(gè)大氣壓的高壓環(huán)境#65377;此外，陽光穿不透數(shù)十公尺深的海水，因此能見度低，幾乎是伸手不見五指#65377;同樣的道理，電磁波也很難在海水里遠(yuǎn)距離傳送，使得聲波成為主要的信息傳遞與探索工具#65377;

要探索海洋必須依賴各式各樣的研究設(shè)備與儀器，這些工具則由海洋研究船把它們載運(yùn)到世界各角落，因而海洋研究船基本上可以視為具有各種研究器材及設(shè)備，具多重功能的海上移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室#65377;海洋探索儀器與設(shè)備的種類非常多，也非常復(fù)雜，以下簡介其中較常用的幾種#65377;

深/淺海多聲束回音探測系統(tǒng):是一種可以測量海底深度和地表的聲納系統(tǒng)，功能就像是拍攝海底地形的照相機(jī)，只不過它是利用聲波反射原理，而不是像照相機(jī)利用光的傳遞及感應(yīng)形成影像#65377;它可以同時(shí)發(fā)射多束聲波，由聲波反射回來的情形，同時(shí)探測海底數(shù)個(gè)不同地點(diǎn)的地形#65377;探測深度可從數(shù)公尺到數(shù)千公尺，并可直接繪圖顯示海底的深度及地形#65377;

深/淺海單聲束回音探測系統(tǒng):如同多聲束回音探測系統(tǒng)，但單聲束系統(tǒng)一次只能發(fā)射一束聲波，一次探測海底一個(gè)點(diǎn)的地形，藉以核對多聲束回音探測系統(tǒng)所測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度#65377;

海底層輪廓掃描器:是一種可以發(fā)射高功率#65380;高能量，能穿透海底地層的聲波，以探測海床底下地形構(gòu)造和巖石侵蝕的聲納系統(tǒng)，可以在水深數(shù)千公尺內(nèi)，探測海床下數(shù)百公尺深度的地形構(gòu)造#65377;

多頻地震探測系統(tǒng):是一種高穿透力的海底層輪廓探測系統(tǒng)，可從一個(gè)聲波發(fā)射器上產(chǎn)生和接收聲波脈沖，藉以描繪海底地質(zhì)和巖層的結(jié)構(gòu)#65377;

傳導(dǎo)性#65380;溫度及深度探測系統(tǒng)(CTD):利用不同的探針測量海水的導(dǎo)電度#65380;溫度及壓力，由海水的導(dǎo)電度可以計(jì)算出海水鹽度，由海水的壓力可以計(jì)算出海水深度，因而CTD可得到海面下不同深度的海水溫度#65380;鹽度#65380;導(dǎo)電度資料#65377;CTD所探測的資料與電腦連線，提供學(xué)者基本的海洋水文資料#65377;另外，配合不同研究者的需求，CTD可加掛各類其它探針，例如熒光探針#65380;透光度探針#65380;溶氧探針#65380;PH探針等，可以在很短的時(shí)間內(nèi)得到各種海洋水文數(shù)據(jù)，提供對海水成分全面性的了解，是海洋研究船上重要且不可缺的測量儀器#65377;

海水采樣系統(tǒng):是一種以不同的采水瓶及采水器深入海底采集不同海水樣品的裝備#65377;采水瓶有不同的樣式及容量，可以掛在CTD系統(tǒng)上，同時(shí)采集數(shù)種不同深度的海水樣本，供化學(xué)及生物實(shí)驗(yàn)中分析培養(yǎng)用#65377;

拖拽式載具:拖拽式載具像個(gè)小型的載運(yùn)機(jī)，拖在海洋研究船的船尾，適于載運(yùn)各種小型聲納系統(tǒng)及CTD系統(tǒng)#65377;傳統(tǒng)的CTD施放方式是船停靠某個(gè)定點(diǎn)后由船上施放，一次只能得到施測點(diǎn)下垂直方向分布的海水性質(zhì)#65377;若CTD裝在拖拽式載具中，隨研究船前進(jìn)，并經(jīng)由電腦控制載具的運(yùn)動(dòng)，則可得到連續(xù)整條線或不同水層的連續(xù)性水文資料，尤其在大面積海域研究中，能快速得到更多的資料#65377;

多層式浮游生物采集網(wǎng):具有各式各樣的浮游生物采集網(wǎng)，采集各類海中浮游生物供研究使用，分層式采集網(wǎng)可一次進(jìn)行最多4個(gè)水層的浮游生物采集#65377;

水底沉積物采樣系統(tǒng):用來取得海底各種沉積物的設(shè)備，采樣系統(tǒng)種類繁多，有活塞巖心采樣器#65380;抓斗與拖拽型沉積物采樣器#65380;箱形巖心采樣器#65380;多管型沉積物采樣器等#65377;箱型巖心采樣器所取得的沉積物，主要用于有機(jī)物的氧化作用#65380;營養(yǎng)鹽的再生和沉積速率等研究#65377;重力和活塞巖心采樣器所取得的沉積物，主要用于長時(shí)間的地化作用#65380;氣候變遷在沉積物內(nèi)的痕跡#65380;古生物隨時(shí)間演變的紀(jì)錄及礦物的形成等研究#65377;

動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)(DPS):海洋研究船在海上執(zhí)行研究任務(wù)時(shí)，隨時(shí)會受到風(fēng)#65380;海流及海浪的影響而偏離既定的工作范圍#65377;因此必須準(zhǔn)確地估算出風(fēng)#65380;海流及海浪的力量，以及船偏離工作地點(diǎn)的距離，并且利用船上的螺旋#65380;舵及側(cè)推器等動(dòng)力系統(tǒng)，把船推持在既定的工作范圍或航線上，DPS就是整合上述功能的系統(tǒng)#65377;由DPS的感應(yīng)系統(tǒng)快速偵測船舶離開預(yù)定位置的偏離量，然后由控制系統(tǒng)精準(zhǔn)地計(jì)算出反制環(huán)境我力及把船推回預(yù)定位置所需的推力和力矩，并下達(dá)指令給動(dòng)力系統(tǒng)來完成任務(wù)#65377;

由于海洋研究船配備有以上各式各樣的研究器材及設(shè)備，它可以探索海洋的每個(gè)角落，成為海洋偵測大隊(duì)的尖兵#65377;

水下無人載具

為了降低風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)省營運(yùn)及維護(hù)成本，并擴(kuò)大海洋的探索，水下無人載具如遙控載具(ROV)#65380;自主式水下載具(AUV)等，便逐漸成為目前廣泛使用于海下探索的工具#65377;而隨著衛(wèi)星定位與通訊技術(shù)的發(fā)展，自主式海洋感測網(wǎng)絡(luò)(AOSN)技術(shù)中的一環(huán)——長程巡拽的自主式水下滑翔機(jī)(AUG)也逐步驗(yàn)證了它的價(jià)值#65377;

所謂水下載具，是指不需有人在載具內(nèi)駕駛或操控，而由人在施放載具的工作母船上，藉由電纜#65380;無線電波或聲波直接遙控的水下載具，或由載具本身搭載的電腦軟硬件自主操控#65377;ROV與AUV都是水下無人載具，其差別主要在于ROV須經(jīng)由人機(jī)介面與人進(jìn)行大量互動(dòng)，由人進(jìn)行遙控，而AUV本身具備自主性#65377;所謂自主，包含感測#65380;判斷與行動(dòng)三要素，因此AUV在執(zhí)行工作時(shí)，可以不需要人的介入#65377;

至于外觀的差異，ROV有電纜線連接，通常機(jī)體是開放式機(jī)架;AUV則沒有電纜線連接，且通常機(jī)體是有蒙皮的減阻造型#65377;ROV是利用電纜線接收來自工作母船的控制訊號及電源，并把水下工作所收集的訊號傳遞給工作母船#65377;AUV則沒有這樣的臍帶存在，必須利用本身具有的人工智慧和動(dòng)力執(zhí)行任務(wù)，必要時(shí)也可以由工作母船以聲波下達(dá)有限的人為指令，指揮AUV在海底應(yīng)變以達(dá)成任務(wù)#65377;

ROV或AUV都是海洋研究船的研究配備之一，憑藉海洋研究船，也就是工作母船，把它載運(yùn)到工作海域#65377;其上可以裝設(shè)如單聲束回音探測系統(tǒng)#65380;多聲束回音探測系統(tǒng)#65380;CTD#65380;水下攝影機(jī)等各式各樣的海洋探測儀器，宛如另一艘小型的海洋研究船#65377;

ROV技術(shù)在1960年達(dá)到實(shí)用化，而在1970年隨著石油危機(jī)所促進(jìn)的海底石油開采需求而蓬勃發(fā)展，逐漸取代潛水人員成為水下作業(yè)的主流#65377;隨著現(xiàn)代資訊處理能力的提升#65380;自動(dòng)控制理論的發(fā)展，以及水下聲學(xué)與載具技術(shù)的進(jìn)步，ROV可以隨探勘目的來設(shè)計(jì)，可以加裝機(jī)械手臂用于采集樣本#65380;海底打撈#65380;掃除水雷等#65377;現(xiàn)今一些功能強(qiáng)大的ROV，幾乎就等于“水下機(jī)器人”#65377;

小型的ROV使用船上的吊桿就能施放#65377;中型以上的ROV，當(dāng)它漂浮在水面時(shí)，由于本身重量大，加上海浪的推撞，若不小心碰到工作母船，往往會造成極大的損傷，因此必須有特殊的布放及回收裝置，才能在各種不同的海況下執(zhí)行任務(wù)#65377;當(dāng)ROV在作業(yè)時(shí)，工作母船必須盡量保持不動(dòng)，以免因?yàn)榇倪\(yùn)動(dòng)而拉扯到控制電纜，影響水下ROV的工作#65377;這時(shí)就必須憑藉由前面所介紹的動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)，把工作母船維持在固定

位置#65377;

如何在工作母船上知道ROV在水下的正確位置，是發(fā)展ROV的另一個(gè)重要課題#65377;海洋研究船一般都配備有GPS，但是GPS是靠接收衛(wèi)星的無線電訊號，計(jì)算水面船只的位置#65377;由于無線電波在水中的衰減太快，無法穿透海水，因此在水中不能使用無線電波定位，水下定位系統(tǒng)是以聲波反射原理來偵測ROV的位置#65377;ROV除了接受工作母船下傳的指令外，還必須把海底所偵測到的資訊上傳到水面，因此有大量資料往返于工作母船與ROV之間#65377;

AUV和ROV設(shè)計(jì)理念有異，前者強(qiáng)調(diào)自給自足，而后者重視系統(tǒng)的擴(kuò)充性與操控性#65377;因此，AUV常用流線型的外罩來降低流體阻力，節(jié)省有限的能源#65377;而ROV為使系統(tǒng)可容易地裝載或卸除各種儀器設(shè)備，大量采用開放式的機(jī)架#65377;

AUV不需要通過一條電纜線和水面上的工作母船聯(lián)系，活動(dòng)更為自由，應(yīng)用領(lǐng)域更為寬廣#65377;例如冰層底下的調(diào)查及制圖作業(yè)#65380;軍事科學(xué)的應(yīng)用#65380;聲納部署及安全監(jiān)哨#65380;危險(xiǎn)廢棄場地的調(diào)查#65380;火山地震的地質(zhì)震動(dòng)調(diào)查及記錄#65380;海底沉船偵測#65380;作為長程武器的載具#65380;港口監(jiān)視#65380;環(huán)境監(jiān)測等#65377;

AUV的實(shí)用化是近十年的事，已經(jīng)有許多商業(yè)應(yīng)用的實(shí)例#65377;例如海底電纜的檢測，顯示AUV和ROV更具經(jīng)濟(jì)效益#65377;使用AUV的每日單價(jià)比ROV高，但是AUV較不受海流#65380;波浪等環(huán)境因素的影響，因此作用#65380;效率遠(yuǎn)高于ROV，完成同一工作所需的時(shí)間與經(jīng)費(fèi)會遠(yuǎn)比ROV 低#65377;此外，隨著AUV技術(shù)的成熟與精進(jìn)，軍用潛艇也有逐漸發(fā)展成為配備多艘AUV的水下母艦的趨勢，藉由AUV執(zhí)行攻擊，以避免水下母艦暴露行蹤#65377;

自主式水下滑翔機(jī)

傳統(tǒng)上的海洋研究調(diào)查與觀測作業(yè)，通常高度依賴海洋研究船的支援，利用船上大型聲學(xué)儀器探測，或從船上施放儀器進(jìn)行取樣與分析，這類方法較難有效掌握海洋水體參數(shù)變化的時(shí)空歷程#65377;而利用飛機(jī)或衛(wèi)星的遙測技術(shù)，雖然對海洋表面的監(jiān)測十分有效，卻難以穿透水體，有效進(jìn)行較深海域的監(jiān)測#65377;

自1990年開始逐漸成熟的自主式水下載具技術(shù)，以及于2000年逐漸發(fā)展成熟的自主式水下滑翔機(jī)技術(shù)，配合衛(wèi)星定位及通訊技術(shù)的商用與普及化，使得海洋監(jiān)測得以建立嶄新的技術(shù)與架構(gòu)，譬如美國海軍研究處自1990年開始贊助發(fā)展的自主式海洋取樣網(wǎng)絡(luò)(AOSN)#65377;

AOSN計(jì)劃已于2003年夏天在美國加州Monterey Bay進(jìn)行歷時(shí)1個(gè)月的實(shí)驗(yàn)，成功驗(yàn)證了它的功能#65377;實(shí)驗(yàn)除了使用衛(wèi)星遙測海面水測資料，以及動(dòng)用4艘研究船之外，還使用了21架無人水下載具，其中包括3艘AUV#65380;1艘UUV#65380;以及17架自主式水下滑翔機(jī)，以進(jìn)行海水資料的行動(dòng)式收集#65377;因?yàn)樾袆?dòng)式取樣資料涵蓋時(shí)空歷程，而得以成功掌握Monterey Bay海域涌升流的特性#65377;這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)也同時(shí)驗(yàn)證了自主式水下滑翔機(jī)在AOSN架構(gòu)中所扮演的重要角色#65377;

在17架水下滑翔機(jī)中，12架是潛深200公尺#65380;航速0.5節(jié)#65380;續(xù)航力20天的Slocum Gliders;5架是潛深1 500公尺#65380;航速0.6節(jié)#65380;續(xù)航力150天的Slocum Gliders，而感測范圍包括鹽度#65380;溫度#65380;深度#65380;葉綠素#65380;懸浮粒#65380;透光度等海水基本資料#65377;

相對于水下滑翔機(jī)長達(dá)數(shù)十天甚至數(shù)月的續(xù)航力，傳統(tǒng)上由螺旋槳驅(qū)動(dòng)的大型AUV續(xù)航力至多60個(gè)小時(shí)，而AOSN實(shí)驗(yàn)使用的Dorado AUV的續(xù)航力是24小時(shí)#65377;另外2艘RemusAUV的續(xù)航力僅10個(gè)小時(shí)，Aries UUV只有4小時(shí)#65377;因此在AOSN架構(gòu)里，還必須為AUV設(shè)置水下充電站，讓AUV自主進(jìn)入，充電#65377;

雖然AUV通常航速較高，可達(dá)3節(jié)，但是每次充電只能航行百余公里，仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于水下滑翔機(jī)的數(shù)千公里#65377;水下滑翔機(jī)利用重力自然下潛，再用浮力引擎產(chǎn)生浮力上浮，在上下的過程中藉由雙翼轉(zhuǎn)換出向前的推力，使得載具循鋸齒狀軌跡掃描海洋水體，收集資料#65377;當(dāng)水下滑翔機(jī)浮出水面時(shí)，就可藉由衛(wèi)星通訊傳遞資料與接收指令，同時(shí)藉由GPS實(shí)行定位#65377;水下滑翔機(jī)只有在水底啟動(dòng)浮力引擎產(chǎn)生浮力時(shí)需要耗電，在滑翔的過程中并不需要，這就是AUG可以巡航數(shù)千里的主要原因#65377;