探测深海奥秘和发掘地下的宝藏

七、探测深海奥秘和发掘地下的宝藏

千百年来人类一直在探测深海奥秘和发掘地下的宝藏。海洋占整个地球总表面的71％，扩大开发和利用具有丰富资源的海洋是21世纪各发达国家战略计划的重要组成部分。将来人类的食物和能源及环境安全都与海洋密切相关，目前无论从政治、经济还是从军事角度看，世界各国在海洋开发利用方面既有争夺的一面又有合作的一面。开发利用海洋已从原始的方法步入利用高科技手段的阶段了。

利用卫星遥感技术进行宏观的探测，用超声成像及声呐技术可以获得很多水下的重要信息。回声测深仪就是根据超声波能在均匀介质中匀速直线传播，遇不同介质面产生反射的原理设计而成的。在船底安装声波发射装置和接收装置，船底到海底的深度就可以根据超声波在海水中的传播速度和超声波信号发射出去到接收回来的时间间隔计算出来（科学家们已测得海水中的平均声速为1500m/s）。现代测深仪最浅可测0.5m水深，最深可测万米以上。全球海洋最深点——太平洋马里亚纳海沟深达11 034m就是用深海测深仪测得的。利用扫描技术和计算机进行数据处理，可以获得超声波成像的海底全景图形。

水下机器人也是一种高科技手段之一，它在海洋开发和利用中扮演着重要的角色，其重要性不亚于宇宙飞船在探索太空和利用太空资源方面的作用。

水下机器人，顾名思义，它不是人而是机器，但要比一般机器灵活、聪明。它具有感觉、对外能照明，并具有视觉，甚至有手有脚的，有一定智能，它可以到达人类难以到达到的几千米甚至上万米深的海洋深处，代替人去完成很多危险环境中的工作。1890年西蒙制造的海底探测器，是用厚木板制成的，用沥青进行密封以防漏水，还用汽油机作动力，潜水员经软管通向水面作为通气管，通过视窗观察海底世界的奥秘及采集海底标本。1985年美国人罗伯特·巴拉德与他的两个好朋友乘坐“阿尔文”号潜水器，对沉没在大西洋底70年之久的“泰坦尼克”探秘。潜水器携带了一个电子机械手，在他们的操控下，历时两年，获得了数百件有价值的物品。这次深海考察轰动了世界，水下机器人的研究更为科学家们所关注。科学家把摄像机密封起来送到海底，把人的视觉延伸到了神秘的海底世界。1960年，美国研制成功世界上第一个具有真正意义的有缆水下机器人，它在西班牙的外海找到了一颗失落在海底的氢弹，这件事在全世界引起了极大轰动。

20世纪70年代由于石油价格的上涨，使得海洋石油产业得到快速发展，它得益于现代电子技术及计算机技术的日新月异发展，促进了有缆机器人的性能提高和更加实用化，并形成了机器人产业。因为海底石油开采需要采用大量的各种机器人。人们用水下机器人来完成海底石油钻探、钻井平台的检修、维护甚至事故抢修。水下机器人拥有微电脑及电子机械手，它可以根据预先编制好的工作程序一步一步地准确无误地工作，而且不怕累、不怕脏。有缆机器人可通过电缆供给能源，传送出采集的信息或图像，而且还可以由操作人员在海面上指挥控制，通过观察水下电视图像并参考水下各种信息。

机器人实现人机交互的控制过程：人来思考和决策，让水下机器人来执行各种动作。操作人员向水下机器人发出新的指令或新编的工作程序，它就会按新的工作程序工作。随着计算机技术的广泛应用，逐步开发出更生动形象的人机操作界面，操作人员的工作逐步变得轻松和简单，因为他可根据计算机提示的操作步骤和操作顺序进行工作，使要求复杂而精确的操作不出现错误。人们还在开发更多新型软件和应用新型技术，如多媒体技术、临场感技术及虚拟现实技术，这样将更形象地实现对水下机器人的控制。现在，水下机器人在海洋开发的许多领域都得到了广泛应用。在江河、码头、内湖等水下环境进行各种工程作业都离不开水下机器人。

在深海科学考察、矿藏探测及开采、大桥桥墩的水下检查与维修、水库大坝及闸门的裂缝、损坏情况检查与维修，特别是五大洲的通信用海底电缆联通，海底电缆的铺设、检查、维修工作，水下机器人是立了大功劳的。它们在救助与打捞沉船、养殖业资源调查等方面也发挥了很大作用，并具有广泛的发展前景。

深海科学考察，包括绘制海底地图、拍摄海底地形、制作三维数字海底地貌图、拍摄及测定海底生物形态、采集生物样本和岩石样本以及考察海底火山活动情况及海啸发生后引起的变化。在水下考古方面，水下机器人可确定水下文物及沉船的准确位置，录制现状，帮助确定打捞价值。一种有缆自由航行遥控水下机器人在1986年1～2月间，参加打捞美国“挑战者”号航天飞机残骸的水下打捞作业，并成功完成打捞任务。这些复杂而细致的深水作业，都是依靠水下机器人来完成的。

我国第一台有缆水下机器人“海人1号”由沈阳自动化所与上海交大等单位于1980年开始研制，为我国水下机器人的起步和发展奠定了基础。随后，引进美国先进的生产技术，生产出的实用化有缆遥控水下机器人产品，已在我国多项海洋石油、水下工程等项目中应用。以后，又制造了另一个水下机器人“金鱼号”，它是用于内湖地区水下观测和检查用的低成本遥控水下机器人。

近二三十年现代电子技术、微电子、计算机技术、人工智能、遥测遥控、自动控制、导航等的进展，使水下机器人在水下的搜索、识别、存储记录、安全准确可靠的工作等方面的性能得到较大的提高，而且越做越灵巧，体积小了、重量也轻了，外置的各种传感器也增多了。这些超强的本领早就被各国海军所重视，并开始研究用于军事目的的水下机器人，特别是无缆水下机器人成为研制发展的热门。由于其技术要求高，在能源、精确定位、导航、材料、通信、智能技术以及回收技术等方面仍存在一些难题，需要研究解决。无缆水下机器人在控制技术上的要求相对于有缆机器人要高，因为它在完成使命的过程中人是不可能实时介入的，它的自治控制涉及面多，如机器视觉、环境建模、决策规划、路径规划、回避障碍、故障诊断、多种传感器信息的综合处理等。

目前，国际上只有为数不多的发达国家才有能力制造这种无缆水下机器人。我国“CR-01”的研制成功，标志着我国的无缆水下机器人技术已跨入世界领先地位，成为世界上少数拥有此项技术的国家之一。同时我国对除海沟外的97％的全球海域，具备了详细探测的能力。在军事方面，无缆水下机器人，可用于护航和警戒潜艇，充当敌方攻击假目标，作为海战训练时的水下靶艇、作为巧妙排除水雷的工具。

早在距今六七千年的新石器时代，人们就在居住地凿井取水饮用了。发掘地下的有用物质（如铁、铜、金银矿），改变了人们生活的进程，人类逐渐由野蛮走向了文明。千百年来人们总是对发掘地下的宝藏有着莫大的兴趣。1835年我国劳动人民在四川盐都自贡自流井，钻凿成功世界上第一口最早由人工钻凿的超千米深井。它在钻井技术上堪称世界之最。其井深1 001.42m，既产卤，又产气。当时，卤水自喷量每日约14m³，并且能日产4800～8000m³天然气，可供14t盐的制作燃烧用气。11年后，俄国的谢苗诺夫于1846年钻成一口浅井，采出少量井油。再过13年之后，美国的狄拉克才于1859年8月，钻成一口21.69m深的井，而且只从井里采出1.8t多的井油。由此看来，中华民族不仅是一个勤劳勇敢的民族，而且具有闻名于世界的探测，开发宝藏的聪明才智。

近20年来人工探矿逐渐被高科技的电磁探测、雷达探矿和卫星勘查所代替。我国雷达探矿在20世纪90年代初，已在目标信号采集、提取、识别和成像方面取得进展，探地雷达和配套软件开始应用于探矿、考古、隧道、地质勘探。探地雷达是一种利用电磁波在传播过程中遇到电性界面会发生散射的原理，通过向地下发射电磁脉冲，并接收由地下反射回地面的回波信号来勘查地下情况的物探方法，具有探测速度快、操作方便灵活等优点。它的特点是探测效率高，费用低；连续探测，实时二维图纸显示；全数字化；非破坏性。近年来，我国探地雷达取得长足发展，尤其在三维成像（数字化的立体图像）方面的重大突破，使地下深埋的矿藏情况更加一目了然。同时在不同领域的地球物理探测应用，它可以进行各种浅、中、深层埋地目标的探测。例如，提供首都机场的地质资料、十三陵水库大坝的地质资料、绘制上海市地下管道图、洛阳考古、协助弄清日军“731”遗址及埋地毒气弹的分布情况（可以清晰地分辨炸弹大小）等方面，探地雷达都达到了非常好的效果。我国的探地雷达技术方面已达到国际先进水平。未来的探地雷达将从低频段到高频段，系列化、小型化、智能化方向发展，从我国研究趋势看，部分技术性能指标还超过国际同类产品。

遥感探矿方面。石油、天然气、煤、铁和其他稀有金属埋在地下，作为地表情况反映的遥感图像信息为什么能够把埋藏的矿产也反映出来呢？应该说，通常的遥感手段不能直接测知地层深处的矿产，但是能够根据遥感图像信息的色调、轮廓及相关要素间接地推测地质信息。一方面，地表岩石、土壤、地貌等细节的形状、结构、颜色等都与产生它们的地质过程有关，通过对摄取的遥感图像的分析，能够见微知著，发现有矿产远景地段的线索。另一方面，航空磁测、航空重力测量、地震测量等物探资料能够印证或鉴别遥感测量圈定的找矿地段是否正确。比如在飞机上利用地磁仪可以探测地下是否有铁矿，利用伽马射线光谱仪可以估测地下是否有铀矿。把遥感信息与物探资料进行比较和综合分析，就可能比较准确地圈定找矿远景地段。法国地质局从卫星相片上发现非洲尼日尔盆地的一些线性结构可能埋藏着铀矿，于是进行航空磁测和放射线测量，并制作了1∶10万的伽马等值线图和剩余磁场图。果然在这里发现了放射线异常，并经过野外实地检测，圈定出寻找铀矿的远景地段，进而在这里找到了铀矿。

科技考古人员运用先进的遥感技术，还发现了位于塔克拉玛干沙漠中心的古桑园；发现了在沙漠腹地消失了近2000年的古代“精绝国”遗址；找到了淤积了1000多年的隋炀帝开掘的大运河。我国科技考古人员还运用彩色红外航测片，揭示出北京市内长城的现状、圆明园古建筑基础平面形态，以及河南北宋东京外城垣的走向，了解了3500年前殷王盘庚之所以迁都河南安阳的生态环境原因。

现代电子信息技术在探测深海奥秘和发掘地下的宝藏方面，确实发挥了巨大的作用。