全球海洋传感器产业分析报告：技术更新换代缓慢，有待突破

广州老梁 · 发表于海洋技术发展 2024-4-3 07:49:19

本文发表于中国科学院主管的中国高科技产业化研究会会刊《高科技与产业化》杂志，主要分析了当前全球海洋传感器产业的现状。

文中指出，中国90%的传感器依赖进口，只有通过国产化来降低成本，国内海工装备才用得起传感器；近20年来全球海洋传感器技术未有重大进步，但随着材料技术、信息技术、集成电路技术等突破，海洋传感器更新换代并不遥远；预计今后2年~5年内国产海洋传感器将实现量产，基于这些新的技术未来将实现传感器领域的弯道超车。

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海洋仪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，而稳定、可靠性和一致性，以及测量分辨率和精度等要求又特别高，需要在不断应用中改进制造工艺和提高技术性能。

传感器技术是海洋仪器设备的基础，其各方面性能是衡量仪器设备好坏的关键，同时也是调查数据质量的保证，各种数据订正方案应运而生，但是在长期的观测中，传感器的稳定性、漂移、准确度等指标依然是最重要的部分。

海洋传感器在海洋监测、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，还是海洋资源开发领域应用不可或缺的重要数据源。

因此，开发、研制海洋传感器，意义深远。

一、海洋传感器及其分类

随着海洋观测技术的不断发展，作为各种观测要素的感知、采集、转换、传输和处理的功能器件，传感器的作用日益突出。海洋传感器是海洋观测系统的神经末梢，作为海洋观测数据的设备基础，可获取海洋水质、水文、生态、成像、地形地貌、地震波等信息，其观测数据的准确性、原位性、连续性等，与最终海洋观测结果息息相关。

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。海洋传感器根据应用领域大致分为海洋生态环境保护应用、海洋资源勘探开发应用、国防安全应用和科学研究应用等。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。

海洋传感器根据检测参数类别可大致划分为水质类、水文类、地质地震类、声学探测类、光学探测类等，每一类检测参数大则包含上百项检测目标，少则数十项检测目标，且根据应用领域和应用环境的不同，每一项检测参数的工作原理和技术实现手段各有不同。

表1 海洋传感器及其分类

二、海洋传感器市场需求

目前的海洋温、盐、深、流速等物理传感器技术已经近20年没有更新换代，其响应时间慢、体积大、功耗大、重量大、成本高、非环保等缺点已经阻碍了海洋观测的需求和许多新的应用开展。

海洋化学传感器、海洋微生物传感器也都存在不能与时俱进的问题，我国目前尚不具备全面、完整的微生物数据库，适合长期海洋监测的便携、低功耗、原位、实时、快速、精确的海洋微生物传感器也未有相关产品。

中国90%的传感器依赖进口，只有通过国产化来降低成本，国内海工装备才用得起传感器。国外的海洋传感器已经近二十年没有更新换代了，但是在过去二十年，材料技术、信息技术、集成电路技术等都取得了很大的进步，当这些新技术渗透到海洋传感器领域的时候，就会有大的突破。

预计今后2年~5年内国产传感器将实现量产，基于这些新的技术未来将实现传感器领域的弯道超车。传感器的应用普及，将会对多个领域带来突破性的发展。未来国产传感器将实现远程实时监测，云端传送信息，由中心处理器来掌握实时信息，随时进行检测校对。

据统计，2017年中国的传感器市场为2070亿元，预计到2021年可以达到5937亿元。世界智能传感器市场2015年已经达到1万亿元，在2016~2020年间，可以达到20%的年复合增长率。因此，传感器的需求量极大，在全球也具有广阔的市场。

未来，我国将基于创新的光电集成芯片和光学传感原理，基于光电集成芯片技术，依靠发展成熟的集成电路的制造设备与工艺水平和在中国国产化的集成电路芯片制造水平，结合我国已搭建起的芯片产业链，通过国内外的密切合作，开发具有自主知识产权的芯片级海洋物理、化学和微生物传感器，并且实现微型化与国产化，推进“两用”研究，进一步将海洋传感器开发应用到高端智能装备的制造领域，加速实现“中国制造2025”所依托的高端智能传感器芯片的国产化。

三、检索式策略

传感器种类非常多，应用领域也非常广泛，在工业领域有大量的应用。本次检索策略的构建主要是聚焦海洋应用领域，重点检索专门应用于该领域的传感器研究论文和专利。论文数据来自科睿唯安WOS核心合集数据库，专利数据来自DII数据库。检索式及检索结果如下表，本报告根据检索式6进行数据检索及分析。

表2 海洋传感器领域论文和专利检索策略

四、海洋传感器科技论文研究情况

4.1 主要地区分布

海洋传感器领域发表SCI论文排在前15位的国家分别是美国、中国、法国、英国、日本、意大利、德国、加拿大、印度、西班牙、俄罗斯、澳大利、韩国、荷兰和挪威。其中美国在该领域发文量为3267篇，占全部总量的30.9% ；该领域发文量排前5位的国家研究论文数量达到该领域研究论文数量的59.7%。

图1 海洋传感器领域研究论文地区分布

4.2 主要研究方向

海洋传感器领域论文数量TOP10研究方向主要聚焦在遥感、海洋学、影像科学与摄影技术、工程、气象与大气科学、地质学、环境科学与生态、光学、海洋与淡水生物学、地球化学与地球物理学等方面。

图2 海洋传感器领域主要研究方向

对海洋传感器领域论文关键词进行主题聚类，主要的研究方向分为三个方向，海洋主题方向有探测对象、探测数据以及传感器。

红色聚类块的主题词主要聚焦在海洋年际变化、温度、海洋环流、海洋涡旋、海洋动力、海洋高程、海浪、海洋浮游植物等海洋参数方面；绿色聚类块主题词主要聚焦在遥感数据、Modis数据、气象卫星、海冰、海面温度、海洋气溶胶、高分辨率等观测数据方面；蓝色聚类块主题词主要聚焦在水色扫描仪、遥感探测、海色、海色影响、浑浊海岸、大气校正、气溶胶光深度、光谱、海湾、悬浮颗粒物、沿海水域、光吸收等传感器等方面。

图3 海洋传感器领域主要关键词聚类

4.3 主要研究机构

海洋传感器领域发文量TOP30机构分别来自美国、中国、法国、英国、日本、俄罗斯、欧盟、印度和加拿大。其中美国机构有16家，总计发文3085篇，占TOP30机构发文总量的62.7% ；中国机构有3家，总计发文652篇，占TOP30机构发文总量的13.7%。

该领域发表论文排名前5位的机构分别是美国国家航空航天局（NASA）发文612篇，美国海洋大气管理局发文522篇，中国科学院发文345篇，美国加州大学发文344篇，法国国家科学院发文193篇。

TOP30机构中，比较早的发文在20世纪70年代，并且大部分机构来自美国，其中中央华盛顿大学自1973年开始在该领域开展研究，并持续研究到现在；美国国家航天航空局、迈阿密大学、美国海洋大气管理局、哥伦比亚大学、在该领域的研究均保持在40年以上，美国海军早在1976年开始在该领域进行研究，但是2013年之后，就再无相关研究论文产出。加拿大渔业部自1979年开始进入该领域开展相关研究工作，并持续到现在。

表3 海洋传感器研究领域SCI发文排名TOP30机构

美国国家航空航天局的主要研究主题方向有海洋水色卫星、海洋大气校正、中分辨率成像光谱仪、算法、遥感卫星、模型、校准、变异性、反射率、浮游植物、叶绿素、航空网、气候、图像、表面等。

美国海洋大气管理局的主要研究主题方向有海洋水色卫星、中分辨率成像光谱仪、海洋大气校正、高分辨率辐射计、遥感卫星，变异性、模型、留水辐射率、校准、海面温度，折射率、可见光红外成像辐射仪、叶绿素等。

中国科学院的主要研究主题方向有海洋水色卫星、中分辨率成像光谱仪、大气校正，变异性、算法、遥感卫星、海洋颜色、回填、沿海水域，浮游植物、SEAWIFS图像、反射、叶绿素、叶绿素等。

美国加州大学的主要研究主题方向有海洋水色卫星、浮游植物、变异性、海洋颜色、叶绿素、遥感、模型、大气校正、算法、图像、吸收、废水、散射、加利福尼亚电流、系统、温度、表面等。

法国国家科学院的主要研究主题方向有海洋水色卫星、叶绿素、循环、变异性、模型、大气校正、遥感卫星、海洋色彩、地中海、浮游植物、动力学、海水、反射率、表面、海面温度、年际变化等。

南佛罗里达大学的主要研究主题方向有海洋水色卫星、海洋颜色、遥感卫星、大气校正、沿海水域、叶绿素、模型、中分辨率成像光谱仪、变异性、浮游植物、吸收率、遥感反射、算法、光学特性、图像等。

美国海军的主要研究主题方向有模型、海洋颜色、可变性、算法、循环、固有光学特性、海洋水色卫星、远程传感、吸收、图像、大气校正、废水、叶绿素、浮游植物等。

国家海洋局的主要研究主题方向有海洋水色卫星、大气校正、验证、模型、算法、海洋颜色遥感、海洋颜色、沿海水域、卫星、中分辨率成像光谱仪、SEAWIFS图像、可变性、浮游植物等。

迈阿密大学的主要研究主题方向有海洋水色卫星、大气校正、验证、海洋颜色、模型、海面温度、变异性、图像、北大西洋、中分辨率成像光谱仪、扫描仪、电离辐射度计等。

马里兰大学的主要研究主题方向有算法、中分辨率成像光谱仪、海洋水色卫星、验证、海洋颜色、模型、遥感、大气校正、海面温度、可变性、标定、游植物、高分辨辐射计等。

表4 海洋传感器领域主要机构研究方向

海洋传感器领域发文数量TOP30机构之间也有密切的合作关系，尤其以国内合作最为密切，国外合作较少。

美国的科研机构和高校之间的合作非常密切，美国国家航空航天局合作最为频繁的是科学系统和应用公司，其次是马里兰大学、哥伦比亚大学、加州理工学院，同时也和法国海洋开发研究院有合作；美国海洋大气管理局的密切合作伙伴是科罗拉多州立大学、迈阿密大学和中央华盛顿大学；加州大学的密切合作伙伴是哥伦比亚大学、美国伍兹霍尔海洋研究所；科学系统和应用公司和马里兰大学是密切的合作伙伴。

中国的国家海洋局和中科院以及中国海洋大学都是密切的合作伙伴，中科院与中国海洋大学之间也有科研合作。

法国的巴黎第六大学和法国国家科学院之间有密切合作；英国的普利茅斯海洋实验室和南安普敦大学在该领域有科研合作。

图4 海洋传感器领域TOP30机构合作图

五、海洋传感器专利技术分析

5.1 主要地区分布

海洋传感器领域专利申请数量较多的是中国、美国、韩国、日本、德国、英国、加拿大和法国。其中中国申请专利1074件，排在第一位，美国申请专利267件排名第二，排在第三位的国家是韩国，申请专利214件。

图5 海洋传感器领域专利技术区域分布

5.2 主要研究方向

海洋传感器领域专利技术方向主要集中在测量参数、应用领域、信号控制三个方向，其中测量参数和应用领域的研究方向比较多。测量参数主要有化学物理性质（G01N）、重力（G01V）、距离（G01C）、速度（G01S）、特定变量（G01D）、温度/ 热量（G01K）、力（G01L）、平衡（G01M）、电磁（G01R）等；应用领域有船舶（B63B）、污水处理（C02F）、渔业（A01K）、土层/ 岩石（E21B）、水下设备（B63C）等；信号控制方面主要是对测量值和信息的传输系统（G08C）。

图6 海洋传感器领域技术布局TOP10

5.3 主要研究机构

海洋传感器领域专利申请TOP25机构分别来自中国、美国、韩国和日本，中国机构有16家，美国、韩国和日本机构分别有3家机构。

其中美国海军安全部和山东省科学院海洋仪器仪表研究所在该领域的专利申请数量均超过了40件，排在前两位；其次是中国海洋大学、日本冲电气工业株式会社、国家海洋技术中心、韩国海洋科学技术源和天津大学在该领域的专利申请也都超过30件，排在前6位。

专利申请数量超过20件的机构还有浙江大学、浙江海洋大学、大连科技学院和韩国大宇造船海洋株式会社。

图7 海洋传感器领域专利申请数量TOP25机构

海洋传感器领域主要机构的技术布局也各有侧重。

美国海军安全部专利侧重在流量测量、重力测量、速度测量、船用设备和数据处理等方面进行技术布局；山东省科学院海洋仪器仪表研究所侧重在化学/物理测量、温度/热量测量、非特定变量测量、力的测量以及控制系统方面进行技术布局；中国海洋大学侧重在非特定变量、距离/摄影测量、化学/物理测量、重力测量和控制系统方面进行技术布局；日本冲电气工业株式会社侧重在非特定变量测量、船用设备、速度测量、电缆安装、机电传感器方面进行技术布局；国家海洋技术中心侧重在距离测量、化学/ 物理测量、温度测量、流量测量和船用设备方面进行技术布局；天津大学的专利技术主要布局在化学/ 物理测量、平衡测量、距离测量、船用设备和非特定变量测量等领域；浙江大学的专利技术主要布局在化学/物理测量、平衡测量、信号控制传输、液力机械和船用设备等领域；浙江海洋大学的专利技术主要布局在船用设备、化学/物理测量、控制系统、平衡测量、电场分离等领域；韩国海洋科学技术院的专利技术主要布局在化学/物理测量、船用设备、微观机械装置、纳米结构、速度测量等领域；大连科技学院的专利技术主要布局在非特定变量测量、化学/物理测量、长度/角度等测量、液力机械和距离/摄影测量等领域。

海洋传感器领域专利申请机构之间也有合作，其中以大连科技学院和中国海洋石油集团有限公司合作最为密切，这两家机构也与天津大学有技术合作。日本的三菱重工业株式会社和冲电气工业株式会社在该领域有技术合作；中国海洋大学和山东省科学院海洋仪器仪表研究所在该领域也有技术合作。

表5 海洋传感器领域主要机构专利技术布局

六、小结

1、海洋传感器领域发表SCI论文较多国家分别是美国、中国、法国、英国、日本，这几个国家的研究论文数量达到该领域研究论文数量的59.7%。

2、海洋传感器领域论文研究方向主要聚焦在遥感、海洋学、影像科学与摄影技术、工程、气象与大气科学、地质学、环境科学与生态、光学、海洋与淡水生物学、地球化学与地球物理学等方面。

3、海洋传感器领域发表论文排名前5位的机构分别是美国国家航空航天局、美国海洋大气管理局、中国科学院、美国加州大学和法国国家科学院。

4、海洋传感器领域专利申请数量较多的国家分别是中国、美国、韩国、日本和德国。

5、海洋传感器领域专利技术方向主要集中在测量参数、应用领域、信号控制三个方向，其中测量参数和应用领域的研究方向比较多。

6、海洋传感器领域专利申请TOP25机构分别来自中国、美国、韩国和日本，中国机构有16家，美国、韩国和日本机构分别有3家机构。其中美国海军安全部和山东省科学院海洋仪器仪表研究所在该领域的专利申请数量均超过了40件。

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