技术交流▏探析水声定位技术在海洋测量的应用
水声定位技术最先应用于军事，后由于海洋开发、勘探、资源开采的需求逐步应用于各类商用、民用工。它能够提供海底勘查设备如ROV和AUV等重要的定位、导航和通信支撑。
一、水声定位技术的概述
水声技术始于第二次世界大战初期，海洋探测和海军的需求是水声技术发挥的两大基本推动力。第二次世界大战后，水声技术在民用方面的应用日益广泛，海洋开发、捕鱼、海底地质测绘、导航、水下机器人研制等方面都有水声设备的应用。目前，声波是海洋中唯一能远距离传输信息的有效载体。因此，水声技术作为海洋开发的主导技术之一。
水声技术是获取和传递水下信息最有效的手段，这是无线电和光电设备等用于水下都显得无能为力的根本原因。水声技术的工作环境是海洋，信息载体是声波，工作目标是水中目标，这使水声技术具有自己的独特之处。
二、水声定位技术在海洋测量的应用
⒈ 水声定位技术在海洋油气开采作业的应用
深海海洋石油开采分为移动平台钻井、海底管线与海底开采平台安放施工、系统开采油气作业、停止开采封井四个阶段。海底管线与开采平台系统安放施工主要包含三类作业：管线铺放、水下结构物的沉放、跨接管长度的测量与安装。深水区域的管线测量一般使用水面支持船搭载USBL对沿管线行进的ROV实时定位。通过定位系统对ROV载应答器定位测绘管线的实际水平位置与走向，据此调节铺管船的航向，减小实际管线与设计偏差。
管线铺设完成后需要获取管端基盘（PLET）的大地绝对位置，在作业中将使用LBL 定位系统。水下结构物的安放包括管汇基盘（PLEM）、管汇（Manifold）与水下分配基盘（SDU）等的安放作业。作业中首先沉放3种水下结构物的底座，随后在声学定位系统的引导下完成顶层结构与底座的对接，作业中使用了LBL定位系统。作业中通过水下基阵对安装在水下结构物的应答器进行声学定位，据此测量安装过程中结构物的大地绝对位置以及方位角。为避免管线铺设以及水下结构安装产生的误差，水下结构物之间通过测量两者接口之间实际距离后选用匹配的跨接管完成衔接。
⒉ 水声定位技术在海底矿产资源开采的应用
深海矿藏开采系统则需要定位系统提供处于深水工作单元的位置与状态信息。深海锰结核开采系统主要由集矿、扬矿、水面采矿船和测控动力四个子系统组成。水声定位导航设备属于测控系统的一部分。水声定位导航设备主要用于测量集矿机的运动状态。要求水声定位设备能够准确测量集矿机运动方向、运行速度、运行轨迹、沉浮及偏转情况，为水面监控人员判断集矿机是否沿既定路线行进采集提供信息。热液矿床开采系统与锰结核类似。美国采用在采矿船下拖一根数千米长的钢管柱，然后利用真空抽吸装置和细矿管将软泥矿吸到采矿船上的方式采集。水面仍需要通过水声定位系统对深水矿石采集设备进行位置的监视、跟踪与控制。
⒊ 水声定位技术在深海空间站的应用
鉴于深海资源开采需要合适于深海条件的特殊开采手段，深海空间站的概念应运而生。空间站能为深海能源的勘探与开采技术研究提供有效的实验平台，可作为水下作业与控制中心携带相应的作业模块，实施深海资源的试验性开采工程作业。美国正在酝酿世界上第一个深海生活- 工作实验室—海洋大气海底综合研究基地。而法国2009 年也提出了自己的新型海洋空间站—海洋科学考察船。
由于深海环境恶劣，空间站的日常维护、物资运输、科学考察等工作都需要ROV、AUV等无人或载人潜器代替人力的直接参与。这就要求空间站能够对其附属的各只潜器的位置进行实时监控。通过水声定位系统对各只潜器进行同时的定位，使得监控中心与潜器自身都能够有效实施导航；通过高速率的水声通信系统完成空间站-潜器、潜器-潜器之间的信息交互，实现空间站工作区域的数据共享与一体化。
⒋ 水声定位技术在其他海洋工程的使用
水声定位在海洋科学考察、海底残骸打捞中对水声定位系统同样有着迫切的应用需求。由于研究海洋生物、海洋地质、海底地貌的需要，ROV/AUV等水下潜器被广泛应用于生物、矿石的采样，海底环境信息采集与地形扫面勘探之中。为监测引导ROV/AUV的行进路线，必须在水面母船上加装水声定位系统。英国南安普顿海洋中心（SOC）就为其Isis号ROV配备了Fusion定位系统，并于2007年1月出色地完成了南极半岛科学考察任务。海底沉船或失事飞机残骸的搜索打捞作业中必须动用ROV或AUV对失事区域进行大范围搜索，同样需要水声定位系统提供定位导航服务。挪威为其“SEABED WORKER”号船装配了HiPap100高精度定位系统，并于2011年完成法航空客A330-200失事飞机残骸搜索作业，最终成功发现了失事飞机的残骸。
三、水声定位技术的展望
水声定位系统为海洋工程的对接、建造、安放、载体引导等环节提供定位导航服务，贯穿了海洋工程作业的始末并发挥着重要作用。同时应当看到，目前世界上应用于海洋工程领域的水声定位系统，无论在设备上、技术上还是在应用市场上均被国外垄断。而我国水声定位技术与设备与国际先进水平仍存在较大差距，致使我国各种海洋工程中的声学定位设备完全依赖于进口。因此发展水声定位技术仍应坚定地立足国内，同时放眼世界。由于中国海域特点和海上科考资源有限的瓶颈，水声技术的发展需要多方、多专业的理解与支持，尊重彼此专业，平衡与协调各种资源，制定科学的研究计划，特别是应用研究计划。
四、结束语
综上所述，陆地上的资源有限，而海洋蕴藏着丰富的资源。随着人们对海洋开发的重视，人类进一步探测海洋、开发海洋的步伐将会进一步加快。在海水里，大量信息的采集只能通过水声定位技术解决。因此，如何把控好水声定位技术，加强水声定位技术在海洋测量的应用，将是工程技术人员面临的重要课题。
■尹金星，男，中交第四航务工程勘察设计院有限公司，本文来自《建筑知识》，版权归作者所有。
相关阅读推荐
公众号
溪流之海洋人生
微信号▏xiliu92899
用专业精神创造价值
用人文关怀引发共鸣
您的关注就是我们前行的动力
投稿邮箱▏452218808@qq.com