由于深海具有可视性差、水压力大和地形复杂 等特征,人类对深海的认知极其有限,深海探测技 术的研究和应用也极具挑战性。为实现精确、可靠 和 高 效 的 深 海 探 测,亟 须 开 展 关 键 性 技 术 攻关。

深海光学通信技术

目前深海探测主要以水声载波的方式进行信息交互,受海水介质的制约,声学通信数据传输的极限速率仅为1500m/s,同时存在数据损耗大、环境噪声大以及受水体折射和漫反射多径效应影响等问题,导致通信质量较差和稳定性较低。以人工智能和大数据处理为代表的新一代深海探测技术亟须突破通信“瓶颈”。光学通信具有传输速率高(GB/s级别)、无线、方向性好和隐蔽性强等优势,可弥补声学通信的诸多不足,是深海探测技术发展的“命脉”。未来深海探测的水上部分可采用电磁通信技术,水下部分可采用光学通信技术,实现各平台和传感器之间以及海-空-天之间高速和稳定的数据传输。

 深海导航定位技术

导航定位技术在深海探测技术体系中占有重要地位,直接反映水下作业的精确性和安全性,主要分为惯性导航、声学导航和海洋地球物理 导航3种技术类型。

(1)惯性导航是最基本的导航定位系统。受海水介质的制约,水下电磁波衰减严重,惯性导航系统仅能在入水前根据初始点推算导航定位,而无法实时反馈和修正位置信息,随着作业距离和时间的累计不可避免地存在偏差,须回到水上调整,极大地影响深海探测效率,且无法实现精确作业。

(2)声学导航利用信标发射和接收声学信号,通过一定的算法推算 导航定位,通常分为长基线(LBL)、短基线 (SBL)和超短基线 (USBL)3 个 类型。受海水介质的制约,声学导航系统存在严重延迟、易受干扰和易暴露等问题。

(3)海洋地球物理导航的误差与作业距离和时间无关,具有精度高、受限少和隐蔽性强等优势,是目前全球研究热点。随着光学传感技术的进步,深海光学导航定位技术越来越引起全球各国的重视,SLAM导航系统迅速兴起,通过识别和提取采集到的声呐图像和数字图像的特征点,实现深海探测定位和环境地图合成,有望产生革命性成果。

深海动力能源技术

由于存在燃料补充、废气排放和压力承受等困难,深海探测对动力能源提出更高的要求。深海动力能源技术既要突破耐高压、耐低温和耐腐蚀等难点,又要实现高稳定性、高安全性、高可控性、高容量和低成本等目标,是未来深海探测的关键性技术。目前深海探测的动力能源主要包括铅酸电池、银锌电池、镍基电池、锂电池、燃料电池、核能、海洋温差能和柴油等。其中,银锌电池是普遍采用的动 力能源,具有比功率、比能量、安全性和稳定性均较 高的优点,但也存在充电次数有限、寿命短和成本极高等缺点;锂电池是目前综合性能最好的动力能 源,具有电压高、能力强、寿命长和充电快等优点,我国4500米级载人潜水器已采用锂电池供电的技术方案。大型军事潜艇通常采用小型核能装置或封闭循环柴油机提供动力能源。核能具有无限续航、安全性高和连续工作时间长等优点,可有效解决深海探测动力能源持续供给的问题,发展前景广阔。

深海装备材料技术

综合考虑使用成本和加工难度,目前全球普遍选择不锈钢或镀层铝合金作为深海探测装备的主材,耐压壳通常采用不锈钢。这些材料造价适中,但密度较大,极大地增加装备的整体重量,使搭载设备受限。钛合金具有密度低、强度高和耐腐蚀等 优点,但价格昂贵且加工困难,难以广泛应用于深海探测装备。以碳纤维和多孔结构为特征的复合浮力材料 是深海探测装备的理想材料。日本将2种不同大小的中空玻璃微球添加到环氧树脂中,融合得到高强度和低比重的复合泡沫塑料,并应用于 “Shinkai6500”号载人潜水器。以陶瓷为基础的复合材料具有超强的耐压力 和天然的耐腐蚀力,且在同等耐压条件下密度较低和体积较小,可降低材料成本和防止结构老化。美国“海神”号深海运载器即采用大量陶瓷复合材料,其耐压壳采用氧化铝陶瓷作为基材,与采用纯钛合金相比轻331kg;“海神”号于2009年成功下潜至马里亚纳海沟10902m深度,充分验证其强大的耐压 性能。