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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。
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; T/ a, a, c# {- [: ~ 我国海洋监测仪器装备发展方向 ( z, ?- ]% G( |7 w7 f
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全球海洋立体观测网建设
4 A0 m- B7 B' n& } 1.一体化、可视化、智能化 9 t- `0 N9 s: s$ m' f( @' |7 e" V9 Y
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。
1 G4 D$ H- M" M; {6 S 2.实时、精细、长期化
( m6 m# B4 y L: \ 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。 ; ]6 M8 P W: y+ }$ h8 J" ?+ L
3.智慧应用与服务连接 4 u# z4 a4 ]- ?- ~1 u. X1 L. c" A7 P" X
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。 7 u5 _ x4 d3 _7 P. |6 s1 b( T0 y
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8 [/ d6 R8 S# I4 z5 `7 Y 国家近海业务化精准观测系统建设 " a: {4 _: T! u. X
1.精细化、精准化、标准化、一体化观测 " q; r4 u, X, c( Q8 g! S0 s; i
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。 5 R$ R& F: V, o- C( Y) M$ s
2.生态要素业务化观测 7 b6 D# Z$ S' Z/ q7 N6 b* O( o* y
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。
( v( Q: i5 A6 h' B9 a! l 3.精准应用与服务
6 K+ c3 x/ G3 E }; E 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。 . J" n/ y5 A! q/ }. t+ Z( x& T
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, [, M- f1 a" D, {& k2 e 自主化海洋环境探测技术装备研制
7 O* L- r; r1 H( h3 z2 M 1.自主可控与产品化 $ r/ N7 q5 ~0 t- X2 K6 G" c! x1 Z
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。
- N" U; s2 e0 n9 \ a# N6 e3 H 2.原始创新与智能化
. p) M) L" }4 t; n. `: |" U0 b 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。
, l1 R0 Y) j3 H$ ~+ p$ v7 Q 3.协同观测与网络化
, B$ m8 x4 F$ r* j; f( i 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。 - ]7 r: M$ {7 B3 E+ G) T' ?5 A

( {" W/ |% w5 X& ~5 L 我国海洋监测仪器装备研发重点
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高性能海洋传感器基础研发
. k1 |. r8 A# F% H8 S( b o5 _ 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。
5 _" R& x1 g/ _5 J) Q' A 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。 ( D" o. ]+ {( ]6 l
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。
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海洋环境立体监测关键共性技术 % c* c3 o% y+ ~- K+ k" z2 K, |+ _
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。 * H3 v4 w9 I/ o. d- m1 f) n
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。
7 {" k: d; x& W3 ~7 l 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。 . b' h9 a- m$ o; m9 r" |8 g" _
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国际化海洋传感器检定校准测试体系建设
* }; d0 n0 R0 Q: y) Y: h 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。
" o8 w, U% E" g, }3 x6 @ 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。
/ Z D0 n% w8 P* P, x: Y 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。 1 D$ v5 \5 x* V/ m' t R
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 ( B: x v4 f3 a0 d4 |
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
( X. u4 r7 k" o" k6 Q% t 排版 | 数智海洋公众号 转载请礼貌注明排版及原刊来源
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7 h) P, c' ?/ h 推动海洋数智化进程 * r+ K3 W/ K. [% m: a
往/期/回/顾 - n$ B4 ]) l& |2 h, E3 e
专家观点 | 我国海洋监测仪器装备发展现状
- ~9 N1 L; X1 n. K& w# b7 P 未来海洋平台现场监测技术的发展方向 3 p( o1 b3 k1 w( \# T" @+ Z* _5 k" o% M8 h
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