1.4 海洋探测装备概述

1.4.1 海洋探测装备分类

海洋探测装备是人类探索、开发和利用海洋的主要工具，在海洋科学考察、海洋资源开发和水下工程维护等领域发挥着重要的作用。水面的海洋探测装备主要包括无人船（Unmanned Surface Vehicle，USV）和浮标（Buoy）等，水下的海洋探测装备则一般通称为水下机器人。按照是否搭载人员进行科考作业，水下机器人一般分为载人潜水器（Human Occupied Vehicle，HOV）和无人潜水器（Unmanned Underwater Vehicle，UUV）。按照能源的供给方式、作业模式和驱动机理等，无人潜水器又可分为自主水下机器人（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）、遥控水下机器人（Remotely Operated Vehicle，ROV）、自主/遥控水下机器人（Autonomous/RemotelyOperated Vehicle，ARV）、水下滑翔机（Glider）和着陆器（Lander）等。各类装备以不同的作业模式协助人类开展对海洋的研究与开发。下文分别介绍国内外几类典型水下机器人的发展现状。

（1）载人潜水器

载人潜水器是能够把人带到海洋深处进行观察和作业，并协助科研人员在深海现场将主观能动性和创造力发挥到极致的有效工具。

载人深潜技术起步较早，查尔斯·威廉·毕比（Charles William Beebe）和奥蒂斯·巴顿（Otis Barton）于1930年建造深海潜水球（Bathysphere），下潜到了水下245 m处，从此拉开了人类研制载人潜水器的序幕。而真正开启人类载人潜水器历程的典型代表应该是1964年美国研制的“阿尔文号”（Alvin）载人潜水器（图1-1a）。“阿尔文号”同时具备观察窗、高清摄像机和声呐等先进的探测设备，被认为是世界上最有效和最成功的载人潜水器，其对深海探测科考做出了重大贡献。20世纪60年代，“阿尔文号”成功为美国海军打捞一枚失落的氢弹；70年代，“阿尔文号”在大西洋和太平洋进行多次海底科学考察，发现了大西洋的脊裂缝和太平洋的热液区；80年代，“阿尔文号”为寻找“泰坦尼克号”沉船遗骸做出了巨大的贡献。至今，“阿尔文号”已经完成5 000多次下潜，成功带动了军事搜救、深海考察和考古调查等多个领域的发展。

在“阿尔文号”巨大贡献的影响下，世界各国加快研发载人潜水器工作的步伐。法国于1984年研制了“鹦鹉螺号”（Nautile）载人潜水器（图1-1b），其配备有水质采样器、沉积物取芯器、取样器等多种作业工具，且可携带一个小型的ROV，与其配合完成多种模式的作业考察任务。日本于1989年研制了“深海6500”（SHINKAI 6500）载人潜水器（图1-1c），配备有先进的三维水声成像设备等，开展了大量针对海洋生物群落的科学考察，在4 000多米深海处发现了古鲸遗骨和寄生在其中的贻贝、虾等生物群落，并从地球物理的角度探索了日本周边的地壳运动和地震、海啸等地质演化过程。苏联于1987年同时研制了2台6 000 m级载人潜水器——“和平1号”“和平2号”（MIR-1 & MIR-2）（图1-1d、图1-1e），配备有多功能机械手、取样器、高清摄像机及地形地貌探测设备等，在深海中的工作时间可达到17~20 h。2艘潜水器可协同完成复杂任务，当其中一艘在海底进行作业时，另一艘在甲板上时刻处于准备状态，一旦水下作业出现紧急状况，能在第一时间开展营救工作。MIR系列潜水器多次被用于记录和探索二战中沉没的战船，并成功完成了“共青团号”核弹潜艇的核辐射探测等危险工作。

我国载人潜水器研究起步相对较晚。中国船舶集团有限公司第七〇二研究所与中国科学院沈阳自动化研究所、声学研究所等国内几十家科研机构和企业联合技术攻关，设计研制了我国第一艘载人潜水器“蛟龙号”（图1-2a），攻克了一系列深海技术难题，并于2012年成功在马里亚纳海沟完成了7 000 m级海试，创造了我国载人深潜新记录。“蛟龙号”载人潜水器配备有七功能机械手和多种作业工具，可以完成海底的保压取样与潜钻取芯等复杂作业任务，其先进的水声数字通信系统可完成高速语音和图像传输，实现高精度微地形地貌的探测。

在“蛟龙号”成功研制和应用的基础上，我国启动了4 500 m载人潜水器“深海勇士号”（图1-2b）的国产化研制，旨在克服在以固体浮力材料、深海锂电池、钛合金耐压材料和多功能机械手等为代表的深海核心技术上对国外技术的依赖，提升我国载人深潜技术的自主创新能力。2016年，我国开启了全海深载人潜水器及其关键技术的研制工作。经过五年的攻坚克难，2020年11月，“奋斗者号”载人潜水器（图1-2c）成功下潜至马里亚纳海沟水下10 909 m处。“奋斗者号”配备有高清摄像机、高分辨率侧扫声呐、高精度组合导航系统、高速水声通信技术和多功能机械手等，且各项技术的国产化率达到了96.5 ％，这也标志着我国的载人深潜正式进入全海深时代。

（2）自主水下机器人

载人潜水器虽然有众多优点，能将科研人员送至深海科学研究现场，但安全事故时有发生，其安全性仍然令人担忧。载人需要足够的耐压空间、可靠的生命维持和安全保证系统，这导致载人潜水器体积庞大、系统复杂、造价高昂。此外，随着深海科学的研究不断深入，科研人员对海洋长期自主探测和单航次科考成本提出了新的要求，而载人潜水器的作业时间和作业成本都无法满足此类需求。自主水下机器人是集人工智能、自动控制、模式识别和信息融合等技术于一体，与母船之间没有任何物理连接，依靠自身所携带的动力能源完成复杂海洋环境下预定科考任务的自主移动平台。

当前，国外的自主水下机器人已经形成了相当规模的商业运作模式，如挪威Kongsberg公司研制的REMUS系列AUV、美国Hydroid公司研制的Bluefin系列AUV及法国Cybernextix公司研制的Alive系列AUV等（图1-3a~图1-3c）。其中，REMUS 6000在2010年成功完成了“法航447”失事后发动机残骸的搜救工作，Bluefin-21在2014年参与了“马航MH370”客机失联后的搜寻工作。同时，国外科研机构也开展了大量的AUV系统研制工作，如英国南安普顿国家海洋中心研制的AutoSub6000、美国伍兹霍尔研究所研制的SeaBed及佛罗伦萨大学设计的MARTA等（图1-3d~图1-3f）都是国际上比较有代表性的AUV。

20世纪90年代我国在研制AUV的技术上取得重大突破。“CR01”（图1-4a）是我国与俄罗斯共同研制的6 000 m级AUV，也是我国早期水下自主无人系统的代表。1995年10月，“CR01”在夏威夷海域完成了海底拍摄、地势测量和浅地层剖面测量等任务，精准绘制了锰结核矿区海底地形地貌图，同时建立了由资源库、环境库和文件库组成的“大洋矿产资源研究开发数据库”，推动了我国早期海洋科学研究的发展。几年之后，在中俄两国合作的基础上，研制了第二代AUV“CR-02”（图1-4b）。“CR-02”的该系统配备了8个避碰声呐换能器，使其能够在深海山区复杂地形环境中完成沿坡行驶、自主避障和微地貌测量等工作，为深海矿区资源开采的前期、后期环境考察提供技术支撑。

近年来，中国科学院沈阳自动化研究所自主研制的潜龙系列自主水下机器人见证了我国新一代AUV的发展历程。该系列主要包括“潜龙一号”“潜龙二号”和“潜龙三号”（图1-5）。2012年12月，“潜龙一号”在水下6 000 m完成了24 h不间断工作，并完成多次海试。2015年12月，针对大洋金属硫化物矿区探测的需求，在已有的基础上研制了“潜龙二号”AUV系统，其在自主避障运行、海底地貌扫描和浮力材料国产化等方面有了突破性提高。为进一步提高AUV系统探测性能，推进装备国产化进程，2018年4月，“潜龙三号”AUV系统应运而生，其智能化水平有了进一步提升，续航里程可达到157 km，水下作业时间可达到40多个小时，是当前自主水下系统最先进水平的代表。

（3）遥控水下机器人

海洋探测装备的动力能源是制约其作业时间和能力的关键因素。遥控水下机器人（遥控潜水器）不采用电池供电，而是由母船经光电复合缆提供动力，并由光纤实现远程控制与监视。同时，光电复合缆自身具有一定的强度，可以在ROV出现事故时将其强行拖回水面，完成救援。由于ROV动力能源充足，常搭载一些作业能力较强的作业类设备，如液压机械手、沉积物采样器和管线检修设备等，具有较高的实际工程应用价值。

全球关于遥控水下机器人的研究还在持续发展，尤其是日本、美国、法国、加拿大等发达国家。比较著名的有日本海洋科技中心研制的全球首台全海深无人遥控潜水器“海沟号”（KAIKO）（图1-6a）。该潜水器系统由中继器和ROV本体两部分组成，中继器通过一、二次缆分别与科考母船和ROV本体相连，避免了复合缆自身重力对作业深度的限制，其最大下潜深度可达11 000 m。但该潜水器在2003年一次海试过程中不幸丢失。随着深远海工程开发的实际需求不断增加，20世纪90年代，法国IFREAM联合英国、德国等国家的相关机构合作研制了VICTOR系列遥控潜水器，其中“VICTOR 6000”（图1-6b）的长宽高分别为3 m、1.85 m、1.83 m，有效载荷约为250 kg。该装备通过光电复合缆实时传输数据，模块化的设计使其可满足多种科学与工程任务的灵活组合。美国FMC Schilling公司的“Schilling UHD”（图1-6c），长宽高分别约为3 m、1.9 m、1.9 m，配置多个大推力推进器，可实现纵向1 070 kgf、横向1 040 kgf、垂向900 kgf的强负载作业，适用于近远海水下建筑施工、救援、海洋石油辅助和海底取样等场景。

我国针对遥控型探测装备开展了大量研究。2008年上海交通大学研发的“海马号”（图1-7a）可携带深海高清摄像机、声呐、机械手和采集篮等一系列探测和作业设备，拥有较强的科研勘探能力，可进行海底地形测绘、岩石与生物取样、物理海洋测量、海底现场作业等工作。2015年，“海马号”首次发现琼东南盆地西部海底的巨型冷泉，并利用大型重力活塞取样器获取块状天然气水合物实物样品，实现了我国对天然气水合物资源开发的历史性突破。另外，上海交通大学还研制了“海龙三号”遥控潜水器（图1-7b），其搭载了多种重型探测和取样设备，在西北太平洋海山区成功实施5次深海下潜、22次坐底，最大潜深4 200 m，近底观测作业16 h，采集到结壳和结核样品，以及海绵、海百合、红珊瑚等6类生物样品，完成了该区域典型海山环境的调查任务。2017年9月，中国科学院沈阳自动化研究所研制的科考型ROV系统“海星6000”（图1-7c）完成了海底海洋环境调查、生物多样性调查和深海环境原位探测等科考工作，最大下潜深度5 611 m。该装备的研制提升了我国6 000 m级深海科考的能力。

（4）自主/遥控水下机器人

随着光纤通信技术的发展，科研人员提出一种复合型水下机器人的概念——自主/遥控水下机器人（ARV）。该机器人具有两种工作模式，既能完成AUV模式的大范围移动探测，又能完成ROV模式的作业采样等工作，且微细光纤为ARV与科考母船之间提供高速、大容量的数据传输，以保障定点精细观测、采样作业和实时影像回传等。

作为新概念水下机器人，ARV凭借其自身独特的优点，受到各国海洋研究机构的青睐。比较有代表性的是美国伍兹霍尔海洋研究所研制的复合型水下机器人“海神号”（Nereus）（图1-8a）。2009年5月，该装备成功完成了海试实验，其作业深度可达11 000 m。“海神号”可在自主模式下完成海底大范围扫描，在遥控模式下完成近距离观察或精细作业。此装备的成功研制也使得美国率先获得了11 000 m国际海底优先使用权，但该装备在后期应用过程中发生事故，导致丢失。“海神号”发生事故之后，伍兹霍尔海洋研究所又在其基础上研制了第二代复合型水下机器人“海之女号”（Nereid）（图1-8b）。2013年，该装备携带20 km光纤完成了2 000 m海上试验，主要负责破冰船无法到达的极地冰下区域的生物、化学采样与调查。法国海洋开发研究院研制的“阿丽亚娜号”（Ariane）复合型水下机器人（图1-8c）于2015年完成了2 011 m海试实验（设计深度为2 500 m），其主要用于海底特殊地形的勘察和生物多样性的观测。同样，它在自主模式下通过水声通信的方式将数据传输至水面，在遥控模式下经微细光纤完成实时的数据传输和作业任务。

国内ARV系统的研制也在如火如荼地进行。2002年，中国科学院沈阳自动化研究所率先在国内开展极地ARV（图1-9a）的试验性研究，于2008年出征北极，顺利完成北极冰下环境科考调查，其携带的多种传感器获取了大量珍贵的海底环境原始数据，为我国建造新一代破冰船提供了重要参考依据。上海海洋大学深渊科学技术研究中心和西湖大学联合研制了“逐梦号”ARV系统（图1-9b），于2020年12月成功下潜6 347 m，并完成了沉积物和海水采样，验证了系统的功能性。此外，中国科学院沈阳自动化研究所联合多家科研单位于2016年启动了全海深ARV系统“海斗一号”（图1-9c）的研制工作，并于2020年4月在马里亚纳海沟完成了全海深高精度深度测量和多传感器信息融合等任务，增强了我国在全海深移动探测作业的能力。

（5）水下滑翔机

水下滑翔机是一种依靠自身浮力和姿态角进行调节的水下移动观测平台，其利用净浮力和姿态角的调整获得推进力，因只在调整净浮力和姿态角时消耗少量能源，具有噪声低、作业范围大、续航时间长、制造成本和维护费用低等优点，已成为一种通用的海洋观测装备。

各国相继研制和生产了多种类型水下滑翔机。美国Teledyne Marine公司生产的Slocum（图1-10a），是世界上最优秀的商业化水下滑翔机之一，最大航程配置可达13 000 km，续航最长可达18个月，最大下潜深度可达1 000 m，而且其模块化的设计方式可以满足多种不同需求。1999年美国斯克利普斯研究所和美国伍兹霍尔海洋研究所共同研制的Spray（图1-10b），工作深度可达1 500 m。2003年，美国斯克利普斯研究所和华盛顿大学在美国海军支持下研制了大飞行翼水下滑翔机X-Ray（图1-10c），其设计滑翔速度为2.5 m/s，翼长可达6.1 m，重量超过900 kg。2008年，X-Ray被升级为Z-Ray（图1-10d），翼宽6 m，重680 kg，升阻比高达35∶1，续航可达1个月，安装在前缘的水声器阵列可协助海军完成海洋哺乳动物的声学被动监测。近年，水下滑翔机的发展出现了新的方向。华盛顿大学海洋学院研制的Sea glider水下滑翔机（图1-10e），下潜深度达到1 000 m，由于耐压舱体采用玻璃纤维复合材料，取代了传统金属，其在空气中的质量仅为52 kg。在此基础上，该团队开发了第二代水下滑翔机Deep glider（图1-10f），以碳纤维复合材料作为耐压舱材料，进一步提升了装备耐压能力，其最大工作深度可达6 000 m。

国内关于水下滑翔机的研制从21世纪初才开始。2003年，中国科学院沈阳自动化研究所开展了水下滑翔机的基础研究工作，并完成了初代原理样机。2007年起开展“海翼号”系列水下滑翔机（图1-11a）的研制，并取得了自主知识产权。2009年，天津大学主导并成功研制了“海燕号”水下滑翔机（图1-11b），其在2014年创造了我国水下滑翔机在海上无故障航行距离最远和航行时间最长的纪录，标志着我国水下滑翔机的研制从此迈向了新阶段。

（6）着陆器

着陆器是一种无动力深海探测装备，只通过自身的重力和浮力下潜和上浮，其研究的开端可追溯至20世纪70年代。这一概念的提出源于海洋科学家对深海底部生态环境考察的需求，因着陆器结构简单，不需要母船支持，可搭载仪器设备实现底栖生物的影像记录、海洋环境参数测量、近海底生物诱捕及沉积物和海水采样等，大大降低了科考成本，具有较高的安全性，在海洋探测领域得到了广泛应用。

第一台深海着陆器是美国伍兹霍尔海洋研究所研制的FVR系列深海着陆器，最大作业深度5 200 m，高3.4 m，最大底边长2.2 m，可连续工作1~5 d。美国斯克利普斯研究所在此基础上研制了FVGR-1和FVGR-2等一系列深海着陆器，其结构如图1-12所示。

2006年，英国和日本联合发起了名为“HADEEP”的研究计划。该计划先后完成了2台万米级深渊着陆器的研制，利用所搭载的深渊勘探系统开展对深远海底的科学研究，尤其是对深渊特殊生命系统的研究。2009年，该着陆器在马里亚纳海沟和汤加海沟成功完成了万米海试实验。2012年3月，著名导演卡梅隆乘坐“深海挑战者号”（Deepsea Challenge）在马里亚纳海沟进行单人万米下潜前，着陆器作为先遣部队完成着陆，通过声学和光学通信定位技术与载人潜水器协同完成预定的任务。该着陆器还搭载有3D高清摄像机、照明灯和相关科学仪器设备，如水样采集器、生物诱捕器、多参数水质仪及声学光学定位装置等。深海着陆器因其研发成本和作业成本低等特点，也受到了商业公司的青睐，代表性公司有丹麦KC Denmark A/S。作为一家专业生产海洋采样、海洋环境检测和海水污染调查等设备的商业公司，其产品包括深海着陆器及其附属配件、海水取样器、生物诱捕器和水质仪器等，可根据客户的实际需求进行定制开发。图1-13为上述几款国外典型的深海着陆器。

虽然我国在深渊着陆器研制方面起步较晚，但进步较快。中国科学院深海科学与工程研究所和中国科学院沈阳自动化研究所研制了“天涯号”（图1-14a）、“海角号”和“万泉号”（图1-14b）等多台着陆器。在2018年的第三次万米深渊综合科考中，4台着陆器共进行了34次作业，其中20次下潜深度超过10 000 m，最大深度10 918 m，充分表明了深渊着陆器的可靠性。上海海洋大学深渊科学技术研究中心也研制了几台深渊着陆器。2018年，第二代“彩虹鱼号”深渊着陆器（图1-14c）顺利完成了马里亚纳海沟万米实验，并完成了深渊高清摄像和宏生物诱捕等工作。2020年，中国科学院深海科学与工程研究所研发的“沧海号”视频直播着陆器（图1-14d）克服了水下无线光通信、微细光纤通信和卫星通信等技术难点，将在马里亚纳海沟作业的载人深潜器“奋斗者号”的视频画面成功接入央视直播间，实现了全球首次全海深4K超高清视频直播。

1.4.2 海洋探测装备作业模式

海洋探测装备在作业过程中，通常是由科考母船运载至工作海域，再由母船配备的吊装设备进行布放，完成科考任务后在水面被回收。根据探测装备科考任务的不同，采用不同类型的作业装备，具有多种作业模式。图1-15所示为海洋探测装备典型作业模式。

载人潜水器（HOV）是一种由驾驶员操作、配置生命支持和辅助系统、具备水下机动和作业能力的深海探测装备。该装备可运载科研人员及各种作业工具到达深海作业现场进行高效的科学考察和开发作业，是人类实现深海开发和利用的一项重要技术手段。载人潜水器具有机动性好和作业能力强的优势，但受生命支持系统和能源等条件限制，其作业周期一般较短，且海底的作业过程呈“蛙跳式”，难以进行长周期、大范围作业。

自主水下机器人（AUV）由自身携带的电池供电，与水面支持母船之间没有物理连接，通过自身的导航和控制算法实现控制决策。AUV具有作业灵活性好、作业范围大等优点，但作业能力较差，作业过程中获得的数据信息无法及时回传，且难以在海底进行定点精细作业。

遥控水下机器人（ROV）是一种通过光电复合缆进行供电和遥控控制的水下机器人，经光电复合缆与水面支持母船完成能源和数据的传输，具有水下作业时间长、能够实现信息实时传输、作业能力较强等优点。但受光电复合缆长度的限制，其作业范围有限，且作业过程中需要水面支持母船全程跟随。

自主/遥控水下机器人（ARV）由自身携带的电池供电，可以通过微细光纤与水面母船相连，实时接收水面操作人员的控制指令并回传水下探测数据，也可以通过算法实现自主控制。相比于ROV，ARV的作业范围大、作业灵活性高，但作业能力和作业时间仍受限制。相比于AUV，ARV在数据回传的实时性方面有较大改善，能够通过遥控进行一定的精细作业，但其在遥控模式下依赖水面支持母船，作业范围受到限制。

水下滑翔机（Glider）是一种不依靠推进器提供动力的水下机器人，其通过调整自身的排水体积和重心与浮心的相对位置来调整水中运动的动力和姿态。水下滑翔机具有功耗低、水下作业时间长、航程远等优势，但只能在水中以较大尺度进行探测，能执行的作业任务有限，且缺乏精细作业能力。

着陆器（Lander）是一种海底观测型深海探测装备，其由水面支持母船布放后直接下沉至海底进行探测，作业过程中通常无法主动改变探测作业位置。深海着陆器具有作业周期长且能够进行定点精细探测等特点，但其作业范围和作业灵活性严重受限，通常不能实时回传科考数据，只有在被回收后才能传输数据。

综合以上分析，现有的海洋探测装备多为在水体中移动探测或坐底后采用“蛙跳式”等方式作业，Lander仅能在海底进行定点式的长期探测，无法完成移动作业的任务，而具有较强作业能力的ROV却受光电复合缆长度的限制，不具有进行较大范围移动的能力。表1-1为现有主要海洋探测装备的作业模式特点。