阿基米德曾講：“給我一個立足點(diǎn)和一根足夠長的杠桿，我就可以撬動地球?！蹦墙o你一根足夠長的尺子，你能測量大海有多深嗎？

從浩瀚宇宙遙望，地球是一顆美麗的藍(lán)色星球，它表面71%被海洋所覆蓋。海洋是一座巨大的資源寶庫，蘊(yùn)藏著豐富的海洋生物、礦物、化學(xué)以及動力資源。人們?nèi)绻肷钊肓私夂Ｑ?、在海上開展科學(xué)實(shí)驗(yàn)，開發(fā)或保護(hù)海洋資源，都需要獲得一個最基礎(chǔ)的海洋信息——水深。地球上海洋的平均深度大約為3800米，其中最深處是太平洋馬里亞納海溝“挑戰(zhàn)者深淵”，深度大約11000米。那么，該如何測量這11000米水深呢？

那些年為了測量海深，我們都動了哪些腦筋

在陸地上，人們通常使用激光測量物體之間的距離，那么能用激光測量最深海域的水深嗎？答案是不可行的。因?yàn)榘す庠趦?nèi)的電磁波在水中傳播時衰減非常快，傳播幾百米就沒能量了，所以無法用于11000米深海域探測的。

你肯定還想到了一種方法，就是用繩子綁上重物放入水中，等重物沉到底后，通過測量繩子的長度獲得水深?？上н@種方法不僅效率很低，測量結(jié)果誤差非常大，而且只有特殊制作的繩子才能身負(fù)重物沉到11000米水深還不斷裂，所以使用繩子測量深海水深實(shí)際上是難以實(shí)現(xiàn)的。

那么到底怎樣才能測量11000米水深呢？

一種方法是布放深度計(jì)（或壓力計(jì)）到海底進(jìn)行測量，但布放回收過程耗時長，而且水深結(jié)果是根據(jù)壓力和海水特性反演出來的，結(jié)果也具有一定誤差。這種方法雖然空間分辨能力非常高，但探測效率（單位時間所探測的面積）非常低。

還有一種方法是，根據(jù)重力影響下不同深度的海平面高度不同這一特性，利用衛(wèi)星遙感測量海平面高度，反演出水深。此方法的探測效率非常高，但是探測結(jié)果的空間分辨能力較低，無法得到精確的海底地形數(shù)據(jù)。

目前最常用的是聲學(xué)方法。因?yàn)槁暡ㄔ谒袀鞑r衰減遠(yuǎn)小于電磁波，頻率越低衰減越小，所以通過合理選擇頻率，可實(shí)現(xiàn)11000米深海域探測。

一開始，科學(xué)家們使用的是單波束測深儀，它安裝在船底，工作時向船的正下方發(fā)射一束聲波信號，聲波到達(dá)海底反射回來再由單波束測深儀接收。結(jié)合聲波在水中傳播速度、發(fā)射到接收所用傳播時間，就可以計(jì)算出海底深度。單波束測深儀可以快速有效地測量海洋深度，但一次測量只能獲得一個位置的水深結(jié)果，效率還是比較低。

高效準(zhǔn)確探測 還得它出馬！

為了進(jìn)一步提高11000米海域的聲學(xué)探測效率，全海深多波束測深系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。

全海深多波束測深系統(tǒng)也是安裝于船體，工作頻率一般為12kHz，從外觀上看是兩條陣，第一條是發(fā)射陣，沿著船體龍骨方向安裝，它發(fā)出的聲波信號會形成一個“發(fā)射扇面”，“照射”到垂直船體龍骨方向的海底條帶的各個位置。在“發(fā)射扇面”上，波束沿著龍骨方向張開的角度較小，為0.5至2度，當(dāng)波束角度為1度時，發(fā)射陣的長度約為8米。

第二條是接收陣，垂直于船體龍骨的方向安裝，用于接收從海底反射和散射回來的聲波信號。利用聲學(xué)信號處理方法，接收陣可以只接收來自特定方向的聲波信號，形成定向的“接收扇面”。在“接收扇面”上，角度為1至2度的多個窄波束垂直龍骨方向回收，當(dāng)波束角度為2度時，接收陣的陣長約為4米。

“接收扇面”與“發(fā)射扇面”相交方向“照射”到的海底就是被測區(qū)域，根據(jù)聲波信號傳播回來的方向與往返時間，可以計(jì)算出被測區(qū)域的水深和距離船體的水平位置。
 

多波束測深系統(tǒng)的接收陣可以同時接收成百上千個特定方向上的回波，也就是說，一次測量就可以獲得成百上千個位置的水深。因此，全海深多波束測深是目前既高效又準(zhǔn)確的11000米海域（包括深海海域）水深測量方法，其空間分辨能力顯著高于衛(wèi)星遙感測量方法。

通常情況下，船一邊向前航行，一邊測量水深，這樣一次又一次的測量結(jié)果拼接起來，就能夠得到一片區(qū)域的水深圖，也就是海底地形圖。

實(shí)際測量中，全海深多波束測深系統(tǒng)必須面臨的難題是波束穩(wěn)定技術(shù)。

眾所周知，大部分時間里海面不會風(fēng)平浪靜。海水中的聲速約為1500米/秒，探測11000米海域時，全海深多波束一次測量過程（從開始發(fā)射聲波到接收完最遠(yuǎn)端返回的聲波）需要幾十秒，在這段時間里船的姿態(tài)始終隨著風(fēng)浪變化，此時聲波的發(fā)射方向和回波接收方向可能都不再是預(yù)設(shè)的方向，得到的水深結(jié)果就會存在誤差，拼接起來的水深圖可能會發(fā)生扭曲。

這時候就要放大招了！通過預(yù)測船體的姿態(tài)，全海深多波束測深系統(tǒng)采取相應(yīng)的補(bǔ)償措施，無論船的姿態(tài)如何變化，最終發(fā)射和接收的聲波都能穩(wěn)定在預(yù)定的方向上，獲得更加均勻的探測結(jié)果。

為了使聲波條帶盡可能與船航行方向垂直，發(fā)射時采用向不同方向分別發(fā)射多個聲波扇面拼成整個聲波條帶的策略，此時各個扇面“照射”海底區(qū)域的中心的連線垂直于船行方向。此外，為更好地實(shí)現(xiàn)11000米海域水深探測，全海深多波束測量還采取多種消除誤差和偏差的措施，包括選擇合理的發(fā)射信號，進(jìn)行姿態(tài)、位置、聲速偏差修正以及多普勒效應(yīng)修正等。

在實(shí)現(xiàn)11000米深海域高效準(zhǔn)確探測的同時，全海深多波束測深系統(tǒng)還具備最淺在20米深海域進(jìn)行探測的能力，并利用聲波探測海底地貌與水中目標(biāo)，為深海海域探測提供更豐富的探測信息。

結(jié)語

近期，以中科院聲學(xué)所為核心的科研團(tuán)隊(duì)，經(jīng)過十年的艱苦研制與技術(shù)攻關(guān)，成功研制出了我國首套具有自主知識產(chǎn)權(quán)的全海深多波束測深系統(tǒng)，并且已安裝于科學(xué)考察船開展了6000多公里測線應(yīng)用示范，使我國成為繼挪威、德國和丹麥之后第四個研制出現(xiàn)代全海深多波束測深系統(tǒng)的國家。來源：科普中國