王军成院士等：我国海洋监测仪器装备发展现状及研发方向和重点

上下五千年 · 发表于每日资讯 2023-5-29 11:10:28

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海洋浮标专家、中国工程院院士王军成

海洋监测仪器装备是关心海洋、认识海洋、经略海洋的基础保障和重要前提，虽然我国海洋监测仪器装备技术水平与业务化应用近年来进步显著，但相比海洋发达国家仍在“卡脖子”技术、关键设备研制方面存在一定差距。本文从全球海洋立体观测网、国家近海业务化观测系统、海洋环境监测探测技术与核心装备3个层面着手，辨识并剖析了我国海洋监测仪器装备的发展需求，梳理了我国海洋监测仪器装备发展现状。
一、我国海洋监测仪器装备发展现状

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01
海洋立体观测体系建设
着眼海洋防灾减灾、海洋开发、海洋管控、气候变化研究等需求，建设全球海洋立体观测网，是实现海洋强国的必经之路。
“十三五”时期，我国将全球海洋立体观测网列为重大工程，自主发展由HY-1B、HY-1C、HY-1D、HY-2B、HY-2C、HY-2D、中法海洋卫星7个星座组成，覆盖海洋水色、海洋动力、海洋监视和监测三大系列的遥感卫星系统，逐步形成多种观测技术优化组合的全球海洋观测与数据获取能力。后续将开展国家海洋环境实时在线监控系统、海外观测站点建设，建成全球海洋立体观测系统，保障海洋生态、洋流、气象等观测应用。
在全球海洋观测站点覆盖方面，我国在西太平洋、东印度洋、南极、北极等海域部署观测站点，初步开展全球重点海区观测。“十三五”时期，我国积极整合国家海洋观测能力，深度参与国际Argo计划、热带太平洋观测系统计划，建设覆盖太平洋台风活跃区、厄尔尼诺区等重点区域的长期观测系统，成为国际海洋观测的重要参与国。此外，我国参与建设国际岛礁生态链和观测系统，与21世纪海上丝绸之路沿线国家共建海洋观测系统，提升对全球海洋预报观测的贡献度。
在全球海洋数据通信方面，随着北斗卫星导航系统全球服务能力的形成，基于北斗卫星通信的海上实时传输终端应用趋于成熟。天通一号卫星星座建设完毕，覆盖太平洋、印度洋大部分海域，具备基本的数据通信能力。低轨通信卫星星座有望在5~10年内进入全面应用。基于水声通信的水下无线传感器网络研究深入开展，试验结果基本达到国外主流水平。蓝绿光通信技术进入海上试验阶段，标志着无线光通信技术进入工程化应用研究阶段。
在海洋大数据管理方面，我国初步建成以气象局、海洋局等机构为主体的海洋立体观测数据业务处理平台，但管理方式、数据标准、数据共享等有待协调统一。传统海洋强国积极建设海洋数据管理及共享机制，海洋环境监测规范及标准、海洋科学数据共享平台较为完备，支撑了资料收集、组织、存储、检索、维护、共享工作有序展开;随着国际海洋资源竞争加剧，各国间的数据资料趋向利益互换、协商交换的共享模式。相较之下，我国海洋大数据管理与应用水平有待加强。
02
近海业务化观测网
我国初步建立以卫星遥感、海洋浮标、岸基台站为核心，地波雷达、断面调查、志愿船等手段为辅助的近海业务化观测网，观测参数包含气象、水文、生态等环境参数，覆盖渤海、黄海、东海、南海(近岸)等海洋区域。观测参数、站位分布密度、长期连续性等基本满足海洋业务化观测需求，积累了大量资料数据，在数据处理、管理模式、体系建设等方面形成系列标准和规范。
在海洋业务观测网分布方面，根据《海洋技术进展2021》数据，在位海洋站观测系统有330多个，海岛(海上平台)自动气象站有310多个，强风观测站有200多个，船载自动气象站有100多个，业务化锚系浮标有230多套，表层漂流浮标有200多套，Argo浮标有200多套，潜标有40多套。专业河口水文站、验潮站、气象站、雷达站等也有一定规模。国家海洋调查船队常年调查的海洋标准断面调查站位有100多个，海上志愿观测船有数百艘。
“十四五”时期，围绕海洋环境安全保障能力提升，重点发展海洋自主传感器研制能力(如可移动观测的海洋生物化学原位传感器、电磁场传感器、声学智能探测仪)，高可靠智能固定观测平台技术(如高可靠性实时通信潜标、海气交互大剖面综合观测浮标)，易布放式移动观测平台技术。开展海上试验，促进新研传感器、平台、组网技术的规范化。构建自主可控的南海观测示范系统、西太平洋深海科学观测网等，发展自主同化及预报技术，实现重点海区观测水平、预报产品、预警能力的跨越式发展。开发海洋生态环境保护、治理、修复等共性关键技术，支撑海洋生态文明建设。
随着观测技术、传感设备的发展，观测需求的增加，新型传感设备进入近海业务化观测网成为常态，观测参数不断丰富、观测精度不断提高、覆盖范围不断扩展。
03
自主化海洋环境探测技术装备
1.海洋观测平台技术
海洋观测平台是各类传感器的载体、全球海洋立体观测网建设的核心节点，我国已基本掌握固定海洋观测平台的核心技术。大型浮标平台技术相对成熟，规格系列化的海洋浮标产品供应市场，整体达到国际先进水平;特别是大型浮标，在极端恶劣海况下的可靠性达到国际领先水平，满足沿海海域业务化运行需求。潜标研制工作起步较晚但发展迅速，潜标观测系统关键技术基本获得突破，数据实时传输、长期在位观测、水声探测等技术进展良好。海底观测网已在东海海域进行示范运行，验证了相关技术成果。
水下、水面、空中无人航行器等移动观测平台发展迅速，有效载荷和续航能力进一步提高，技术层面进步显著;保持多样化发展态势，种类分布与国际主流同步。在无人潜器研制方面，波浪能滑翔器、无人水面艇、无人帆船、深海Argo，部分遥控水下机器人(ROV)、自主水下机器人(AUV)、载人水下机器人(HOV)、水下滑翔机等装备的整体性能接近或达到国际先进水平。深海环境中的水下导航与定位、浮力材料、水下高能量密度电池等技术则有待研究和突破。
在卫星平台方面，发展了海洋水色、海洋动力环境、海洋监视监测等系列海洋卫星，多颗卫星在轨运行。逐步建设由国产卫星主导的海洋空间监测网，基本实现全球海洋环境的逐日观测。此外，在水色遥感、海洋要素反演、卫星精密定轨等技术方向成果丰硕，支持了业务化监测应用与示范。
2.传感器技术
传感器技术是构建海洋观测能力的基础和前提。近年来，我国在海洋环境传感器技术方向进展显著，新型传感器不断涌现，促进海洋观测、监测、探测朝着实时、原位、精细、立体、智能方向发展;但对比国际先进，国产化海洋传感器技术整体水平仍处于“跟跑”阶段。在“十二五”“十三五”时期国家重点研发计划等渠道的支持下，约70%的近海、常规传感器实现国产化;但超过80%的深远海、高端传感器依赖进口，潜在的市场垄断和技术封锁不可忽视。国产原位在线生态传感器的长期可用性仍待提高。在传感器通用技术方面，受工业基础、原材料、关键元器件等制约，敏感元件、微弱光电信号检测与处理、功能材料等系列关键技术尚存差距。

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二、我国海洋监测仪器装备发展方向
1
全球海洋立体观测网建设
1.一体化、可视化、智能化
为实现我国海洋立体观测网的能力覆盖全球化，应以需求为牵引，按照顶层规划分步实施。立足现有海洋观测网络基础，逐步扩大覆盖范围，由我国近海向中、远海拓展，重点典型海域向全球海域发展，水面向水下、海底延伸。综合应用固定观测、移动观测、遥感观测等平台，形成全球立体观测平台与能力，建成“空、天、地、海”一体化、可视化、智能化的全球海洋立体观测网，为我国周边和全球的海洋科学研究、作业活动提供全维信息支持。
2.实时、精细、长期化
着眼全球海洋立体观测网建设需求，弥补传感器、平台、组网等技术短板，加强智能化、覆盖范围、观测方式、综合保障、数据共享等方面的能力建设。持续完善观测平台技术，如地球同步轨道海洋卫星观测，“天、空、海”“水面、水中、海底”智能组网观测;发展在全球大洋快速机动组网观测、在重点区域进行长期观测的技术能力，以立体观测部署多样化、静/动态设备组合化、观测规模扩大化支持“实时、精细、长期化”的海洋观测。积极参与国际合作计划，完善监测区域分级制度，逐步提升对全球海洋、气候、环境变化过程的监测及预测能力。
3.智慧应用与服务连接
观测数据与应用的纽带在于全球海洋观测数据管理。发展全球海洋观测大数据实时通信与传输技术，提升全球海洋数据实时获取与自主可控水平。延续现有观测数据业务处理平台，扩充面向国际、服务不同层级用户的智慧型终端产品，进行海洋观测大数据的集中存储、处理、分发、共享;高效利用全球海洋数据，支持防灾减灾、经济发展、气候变化、环境保护、权益维护等海洋领域应用需求。
2
国家近海业务化精准观测系统建设
1.精细化、精准化、标准化、一体化观测
构建覆盖管辖海域，“空、天、地、海”一体的业务化监测系统，提升近海业务化的精准观测能力，支持空间/时间精细化观测、多要素精准化测量。建立具有国际先进水平的区域精细化海洋监测业务系统，改善“风浪流潮”等动力要素的观测数据质量，提升观测要素精度、观测设备可靠性、观测数据准确性。同步开展观测数据协议、传感设备接口标准化建设。
2.生态要素业务化观测
以海洋业务观测形成的水文气象参数为基础，进一步扩展观测要素种类，如生态环境要素原位自动观测、海洋碳源/碳汇观测、生物光学测量、海水表皮层光学特性测量、海水化学成分测量、海表面大气成分测量，形成精细化的海洋监测业务系统。实现生态要素的现场自动监测，融入业务化观测体系，支持海洋生态灾害预报预警、生态治理与修复。
3.精准应用与服务
以防灾减灾、海洋生态保护等业务化观测为主导，统筹陆/海系统建设，优化站点布局和分布密度，增强对海洋动力、海洋生态等要素的精准测量能力。研发多源观测数据同化技术，形成业务化产品，提高现场长期观测的准确性、稳定性、可靠性，构建生态要素的现场自动监测能力。针对海洋环境污染防治、生态保护修复、海洋碳中和等研究与应用需求，提高海洋动力灾害预报准确率、生态灾害早期精准预警能力。
3
自主化海洋环境探测技术装备研制
1.自主可控与产品化
突破海洋探测装备中的“卡脖子”技术，提高海洋环境观测仪器装备的自主可控水平，逐步实现高端、核心仪器装备的自主供给。开展海洋传感器技术工程化、标准化、产业化、成熟化研究，改善传感器的功耗、寿命、稳定性、可靠性，提高装备对复杂海况、恶劣环境的适应性。支持国内海洋仪器品牌发展，形成包括研发、设计、建造、配套、试验、运维等环节在内的全产业链产业化能力，积极参与国际市场合作与竞争。
2.原始创新与智能化
吸收并转化人工智能、智能制造、大数据等新兴技术成果，研究和应用新原理、新技术、新方法、新材料、新能源，支持海洋传感器核心技术、水下氢燃料电池等能源供给技术攻关，为原创、高端传感器及装备自主研制筑牢科技基础。注重智能化传感器及装备研发，在多功能模块设计、高精度导航定位、控制算法、信息传输、负荷搭载、浮力材料等方面进行系统突破，提高装备及应用的智能化水平。
3.协同观测与网络化
在信息感知、物联网、云计算等新兴技术的推动下，利用组网协同技术增强装备的观测和探测能力，实现海洋环境测量参数综合化、观测系统模块化、数据传输实时化、观测服务网络化。
三、我国海洋监测仪器装备研发重点
1
高性能海洋传感器基础研发
一是开展新型海洋传感器研究与应用。突破传统思路和技术惯性，探索新测量原理和方法，为全面解决海洋传感器的高灵敏度、高精度、高响应速度、高信噪比、高可靠性、高耐受环境能力、微小体积及重量等要求提供新路径。深入研究传感器阵列技术、等离子体共振技术、膜技术、生物传感技术等，完善海洋监测传感器关键技术体系。
二是发展微型化、智能化、集成化、网络化传感器技术。研发具有自补偿、自校准、自诊断、远程设定、状态组合、信息存储及记忆等功能的智能化传感器，实现传感器的紧凑体积、极小质量、极低功耗，适应单功能到多功能的集成需求。
三是发展深远海、极地、极端海洋环境、特殊事件应用传感器技术。开展深海高压、极地极寒等极端恶劣环境下的新型传感测量、水密耐压、极寒环境供电等关键技术研究，自主研发海洋系统多圈层探测和观测技术装备。
2
海洋环境立体监测关键共性技术
一是水下监测实时通信技术。①大水深和全水深深海数据实时传输技术，具备深海数据长距离稳定传输、全水深实时传输节点接力及错时通信、实时观测系统小型便携、大水深/全水深实时潜标海上布放回收等能力，实现深海潜标全水深观测数据的实时回传。②深海潜标和岸基站的双向通信技术，根据实时回传数据结果，发出指令改变设备的观测频率、分层、数据回传周期等，为科研和业务用户提供更可靠的服务。③深海实时通信多要素、多平台组网观测技术，建立海洋多学科参数集成观测系统，增建坐底和悬浮观测平台，消除已有潜标系统在边界层、水平面上的观测盲区。
二是深远海海洋监测仪器装备能源补给技术。①海洋可再生能源发电技术，涵盖波浪能深远海阵列式应用技术及装备，海流能规模化智能化关键技术及装备，海洋温差能发电及综合利用，漂浮式风电技术及装备，海泥电池、同位素电池、海水温差发电等。②海底充电桩技术，在大洋海底建立电力储能装置，利用海洋能产生的电力进行转化储存，克服深海海底电力储能材料、发(充)电设备小型化等应用瓶颈。③供电技术，通过电力转换并在海底建设充电桩泊位，为水下移动监测仪器设备充电;通过有缆供电方式，为锚系潜标、海底观测网等固定平台提供补充电力，满足水下监测设备一年以上周期的电力需求。
三是海洋环境多光谱联合的多参数同步原位探测技术。①发挥光谱探测具有的非接触、免定标、快速响应等优势，开发基于多种光谱、多功能联合的探测技术，通过共享器件方式在一台设备中实现多种技术兼容并行，形成海洋多种参数的同步测量与监测能力。②开展多种技术的交叉验证，更精细地反映海洋实际状况，形成高通量、多参数的原位快速检测分析方法，攻关基于多光谱联合的水下原位定标、高灵敏度探测、准确定量分析、关键器件国产化等技术瓶颈。③研发紫外深海拉曼光谱仪，开展针对深海热液系统的多光谱联合探测技术应用;发展激光诱导击穿光谱与拉曼光谱联合的系统、具有多种光谱联合探测能力的新型光谱类传感器。
3
国际化海洋传感器检定校准测试体系建设
一是构建与国际评价体系接轨的我国海洋传感器检定校准测试体系，形成统一的海洋监测仪器测试环境。开展海洋传感器校准测试的基础理论方法研究，发展海洋传感器新传递量值标准器、量值溯源传递体系。建立海洋传感器标定、校准实验条件并达到国际一流水平，革新海洋传感器标定与校准体系并提高检定校准及评价水平。
二是借鉴国际海洋传感器评价方面的先进技术及标准，构建系统完备、运行高效的我国海洋标准化评价体系。建设计量校准检测技术支撑平台，形成海洋标准计量质量“三位一体”工作模式，体现严谨公正，达到国际领先水平。实施“海洋标准化+”工程，推动标准融入海洋领域各细分方向，改善标准制定、修订的速度与质量。
三是开展海洋监测仪器检测评价、标准化、质量控制方面的国际合作。建设全球海洋传感器计量检测技术交流合作平台，逐步扩大我国海洋传感器评价体系的国际影响力，推动海洋标准、海洋监测仪器计量校准结果的国际互认。

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信息来源：本文节选自《我国海洋监测仪器装备发展分析及展望》原刊于《中国工程科学》2023年第25卷作者 | 王军成，孙继昌，刘岩，刘世萱，张颖颖，陈世哲，漆随平，王波，厉运周，曹煊，高杨，郑良数智海洋公众号编排。
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