海洋传感器分类特点及其发展应用

传感器一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。传感器一般由敏感元件、转换元件、变换电路和辅助电源四部分组成，其中，敏感元件直接感受被测量，并输出与被测量有确定关系的物理量信号；转换元件将敏感元件输出的物理量信号转换为电信号；变换电路负责对转换元件输出的电信号进行放大调制；转换元件和变换电路一般还需要辅助电源供电。

按用途分类，传感器分压力敏和力敏传感器、位置传感器、液位传感器、能耗传感器、速度传感器、加速度传感器、射线辐射传感器、热敏传感器。按输出信号分类，传感器分模拟传感器、数字传感器、开关传感器，其中，模拟传感器将被测量的非电学量转换成模拟电信号，数字传感器将被测量的非电学量转换成数字输出信号，而开关传感器则是当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时相应地输出一个设定的低电平或高电平信号。

物理海洋学的研究离不开大量的实测海洋数据，集成了各种性能优异的传感器仪器设备是海洋调查的基础。海洋传感器是指对各类海洋观测要素进行感知、采集、转换、传输和处理的功能器件，受到了各方面的重视，其性能的稳定性、漂移、准确度等是衡量海洋传感器优劣的关键，同时也是海洋调查与海洋测量数据质量的保障，因此各种数据订正方案应运而生。

海洋传感器种类繁多，常规监测参数达上千种，常用传感器达数百类，大致划分为水质类、水文类、地质地震类、声学探测类、光学探测类等，可获取海洋水质参数、水文要素、生态要素、地形地貌、光谱特征、声学参数、地震波等信息。

海洋传感器设备的一个最大特点是，生产批量小、应用范围窄、使用寿命短，与海水的腐蚀有关，也与服务对象的小众有关，而深远海调查又对仪器的稳定、可靠性和一致性以及测量分辨率和精度等提出了很高的要求，因此需要在不断应用中改进制造工艺和提高技术性能，以适应不同场景的需求及满足人类对认识未知世界的渴望。

海洋传感器在海洋探测、监测和观测领域的应用十分广泛，可测量并提供各种海洋环境要素，如温度、电导率/盐度和压力/深度等基本物理海洋学要素的原始数据，不仅用于海洋科学研究，还是海洋资源勘探开发、海洋生态环境保护、海防安全等领域不可或缺的重要数据源。在不同的应用领域，观测目标和参数各有不同，同一参数的观测方法和原理也多种多样。

海洋观测有以下四个主要特点：一是观测时空尺度跨度大，例如从厘米级的湍流观测到几千千米洋流观测；二是长期连续性，从变化周期为几个月的动力学系统的观测，到需要几年的海洋温度变化、板块运动观测；三是同步性，例如海气相互作用的观测；四是越是极端恶劣情况越需要观测，其数据的价值越高，例如风暴潮观测；五是海洋环境的复杂性，同样的设备在不同海区呈现的能力不尽相同，与观测区域海洋环境参数关系极大。这就要求海洋观测技术要解决观测设备的长期可靠性、低功耗、小型化、抗恶劣环境等技术问题。

海洋的温盐深观测，是现今海洋调查的基本内容之一。从20世纪60年代开始，温盐深测量仪（CTD）已被广泛用于海洋调查中，它的发展随着科学技术的进步而同步发展。CTD能适应如走航实时观测、定点自容观测、抛弃式探头观测等多种观测方式，并且获取调查海区水体现场实时的高精度物理环境参数，是目前海洋调查中使用最为广泛的仪器设备之一。CTD（电导率、温度和深度）提供了水体的化学和物理参数，这些参数通常使用无人机、海洋调查船、水下滑翔机、波浪滑翔器、水面无人艇和各类浮标等平台获得，并且通过各种参数分析来预测海洋的行为。

早在1876年，英国排水量2300吨的“挑战者号”海洋科考船开始了为期三年半的海洋科考活动，开启了近代海洋科学研究的历史。此次科考活动目的在于探测除北冰洋外的其他各大海洋区域，内容包括水文调查、深度测量、生物探测、温度测定。通过此次科考，科学家得到了海洋深层水温分布数据，发现了4400多种海洋生物，绘制了部分海域的等深线图，首次采集到了锰结核，并发现了深海软泥和红土等。该科考船上装备了那个年代最为先进的海洋探测仪器，包括回声探测器（早期的声呐），温度传感器、压力传感器（深度传感器）、拖网、海水采样器、沉积物采样等，这些设备为海洋研究奠定了坚实的基础。

电子计算机的出现极大推动了海洋事业的发展，以水下潜航器和水声技术的发展为标志，海洋探测技术进入了自动化时代。由于微波与光学设备很难穿透海水，而声呐技术在水下则具有良好的传播特性，因此水声学成了海洋探测的重要手段和技术基础。如今，利用声学探测海底的地形地貌，进行水下通讯和水下导航等技术已经十分成熟。相关的仪器包括：单波束测深仪、多波束测深仪、侧扫声呐、前视声呐、3D声呐、合成孔径声呐、浅地层剖面仪、单道地震、声学多普勒流速仪（ADCP）、水声通讯系统、水声定位仪、鱼探仪等。此外，利用电学、光学等原理的传感器设备也层出不穷，如水质传感器、光谱仪、压力传感器等。这些新型海洋传感器设备的发展，使人们能够更精确地探测海洋，对于海洋的认识在短时间内获得极大的提升。

自20世纪90年代以来，国际物理海洋传感器技术取得了长足的进步，现已有多个品牌、多种类型、适应于不同平台应用的物理海洋传感器产品。其中，在温盐深传感器方面，美国海鸟（Sea-Bird）公司的产品一直居于全球市场主导地位；在潮位仪方面，美国Aquatrak公司的声学潮位传感器产品和WaterLOG公司的雷达潮位传感器产品世界知名；在海流计方面，挪威安德拉（AADI）、美国RDI、Sontek/YSI、Nortek等公司的产品市场销量很大；在声呐产品方面，重点厂商有R2Sonic、Klein、Marine、Systems、Kongsberg、IXblue、Teledyne、Tritech、NORBIT等；在测波仪方面，有荷兰datawell公司、美国ENDECO/YSI公司、挪威FugroOceanor公司的测波浮标，而德国Ocean Waves GmbH公司和挪威MIROS公司的测波雷达占据了主要市场。美国占据了世界物理海洋传感器技术的领导地位，技术最为全面领先，挪威、日本、英国、德国等国家则在某些领域有自己特长。

进入21世纪，随着海洋经济的发展及各国对海洋的重视，催生了庞大的海洋装备市场。由于海洋广袤的特性，传统的调查手段需要人员跟随船舶或者浮台长时间逗留海上，成本和人员工作量随着调查任务的增加而显著增加，由此智能化传感器设备应运而生。智能化传感器监测设备能够搭载于各种调查平台上，在无人控制的情况下自动工作。在搭载平台方面，这些传感器往往会搭载于自沉式剖面探测浮标（Argo浮标），水下滑翔机、水下机器人、波浪滑翔机、无人潜航器、水面无人艇、无人机、自容式水下监测平台等平台上。以Argo浮标为例，其上搭载的温、盐、深传感器能够自动化收集各项数据，然后由浮标通过卫星数据链将数据发送出去，大大地改变了人们的作业模式。

从“九五”开始，国家加大了对海洋仪器行业的科技投入，一大批科研院所、涉海高校与涉海企业进入海洋仪器科研领域，如中国科学院的海洋所、声学所、南海所及海岸带所，中船重工的部分研究所，自然资源部下属的科研机构，崂山实验室、南方实验室、广州实验室、东海实验室等新型科研机构，哈尔滨工程大学、西北工业大学、上海交通大学、天津大学、浙江大学、中国海洋大学、海军工程大学、江苏科技大学、山东科技大学等涉海高校，及一大批涉海研发企业。

这些研发机构基本覆盖了海洋气象、水文、水质、地质、测绘、勘探等所有领域，在海洋仪器研发、海洋资源勘探、海洋环境监测和海洋灾害预警预报等方面有了较大的进步，形成了一批高技术科研成果；先后研制出声学多普勒海流剖面仪（ADCP)、多波束测深系统、合成孔径声呐、高精度CTD、侧扫声呐、浅地层剖面仪、光谱仪等一系列海洋观测仪器，并研制了多种海洋移动平台观测系统，如深海载人潜水器、无人艇、水下滑翔机、波浪滑翔机、AUV、ROV、跨介质飞行器、Argo浮标、海洋监测浮标、波浪能发电装置等。海底观测网也在计划实施中，使得中国海洋仪器的监测能力及技术水平取得很大的提升。

尽管如此，我国在海洋物理海洋传感器技术上，除个别技术接近国际先进水平外，整体水平与发达国家差距仍较大，尤其在深远海和高精度产品方面。主要表现在：一是产品稳定性和可靠性不足，用户认可度低；二是探头材料、制作工艺等基础性、关键性技术研究基础薄弱，对传感器技术的基础性不够重视、投入不足，在长期稳定性、环境适用性等方面远远落后于国际先进水平；三是在新原理、新方法等探索类创新技术上研究力度不足，缺乏自主创新，以跟踪发达国家传感器产品为主，缺乏对海洋传感器创新测量原理和测量方法的指导。唯有通过不断加大创新投入，加大其对海洋传感器测量原理和方法的创新攻关，才能提升我国海洋传感器产业的国际竞争力。

当前在全球范围内，传感器有超过2万亿的市场规模，且传感器更新换代一般在20年左右，如今我国海洋传感器相关企业和研究机构应抓住机遇，在全新的赛道上实现换道超车。