海洋传感器技术 -海洋探测传感器

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21世纪是海洋世纪，随着国际安全形势的发展变化，世界各国尤其是海上大国特别注重发展海上装备。随着光电技术、生物计算机等先进信息技术、新材料、新能源等高技术的进一步发展，2l世纪海洋探测装备将向灵巧化、小型化方向发展，可能出现能在水下、水面、阻地、空军作战的多栖作战平台，海军武器装备和海洋探测方式将产生质的变化。

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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，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。开发海洋资源的前提是海洋信息的实时采集与监测，随着物联网技术在海洋领域的广泛应用，海洋环境实时监测、海洋信息实时采集成为了保障海洋环境质量的基础。

海洋传感器的特点包括微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化，不仅促进了传统产业的改造与更新换代，还可能建立新型工业，成为未来新的增长点。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，还是海洋资源开发应用不可或缺的重要数据源。

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一、海洋传感器对海洋监测的重要性

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传感器能够测量不同波段的海面反射、散射或自发辐射的电梯波能量，通过对携带信息的电梯波能量的分析，人们可以反演某些海洋物理量。目前用于海洋观测的所有卫星传感器，均根据电磁辐射原理获取海洋信息。遥感技术所使用的电磁波段主要为可见光、红外和微波,传感器又是收集、探测、记录地物电磁波辐射信息的工具。它的性能决定遥感的能力，即传感器对电磁波段的响应能力、传感器的空间分辨率及图像的几何特征、传感器获取地物信息量的大小和可靠程度。

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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。

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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。因此，开发、研制海洋传感器，意义深远。

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二、海洋传感器的分类

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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，见下表1。

表1 海洋传感器及其分类

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用于海洋探测的传感器按工作方式可分为主动式和被动式。被动传感器如可见光红外扫描辐射计、微波辐射计等；主动式如微波高度计、微波散射计、合成孔径雷达等。

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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前进。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，是目前物理海洋调查中使用最为广泛的仪器设备之一。

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在海洋仪器设备研发领域，不光要有重金投入，更要有技术积累，还要有多场景应用，用户越多，累积的场景越多，就可能对产品进行优化。像美国著名的海鸟（SBE）公司，是全球最大的海洋监测设备和方案供应商，在研制和生产海洋传感器及其各类CTD仪器领域已有45年历史，也会不断遇到新的技术问题，从而不断对产品进行改进、迭代。

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如由该公司研制生产的剖面浮标，就曾发现其油压系统存在空洞症状和气阀粘滞等问题；此外，还曾在不同类型的CTD中发现了压力传感器的微泄露和压力传感器的压力偏差等问题，也都及时做了召回处理。

温盐深测量仪，来自传感器专家网

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三、深海传感器

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海洋中使用了各种各样的传感器仪器，包括声学多普勒电流剖面仪，底流流量计，底部压力和倾斜仪，电导率-温度深度（CTD），溶解氧传感器，数码相机，高清摄像机，水听器，质谱仪，光学衰减传感器，pH和二氧化碳传感器，压力传感器，远程访问液体和DNA采样器，电阻率探头，地震仪，声纳，热敏电阻阵列和湍流电流计等等。

如今随着传感器，微电子学和计算机的最新发展，现代深海研究和开发取得了良好的进展。比如，具有低功率，精确且精致的传感器的电子系统可收集重要信息，可以帮助研究人员测量和记录深海环境和潮汐数据。再比如，水下无人机和带有智能传感器的便携式潜水机器人，可监测水温，自动罗盘方向和深度，转弯，俯仰和横滚等，可以自由，更快，更轻松地在海洋中移动。

深海探索给人类一种人类进步的感觉，因为它涉及大量的人力和技术。这也导致学术界和行业研究人员对深海传感器表现出极大的兴趣。斯坦福大学开发了一种名为“海洋之人”的机器人，其潜水深度超过了人类。该机器人就具有触摸传感器的类人物体，可以在深海中执行各种任务。它的手腕装有力传感器，可向操作员的控制系统提供触觉反馈。这些反馈信号可以识别动作，例如抓紧坚硬的物体，轻巧的物体。机器人的大脑能读取数据并确保其手牢牢抓住物体。

世界上潜水最深的水下航行器Nereus，可以配置为作为远程操作的车辆（ROV）进行操作，也可以独立于人为操作而作为自主的水下航行器（AUV）进行操作。Nereus能够使用声纳和照相机探索和绘制海床。

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人们通过在海底放置压力传感器来监测水下的地震活动，但是，压力传感器易于漂移，并且随着时间的流逝会失去准确性。为此，华盛顿大学的电子工程师现在正在测试一种低成本的自校准压力传感器，该传感器可以部署在海底以监视长期地震活动。来自深海传感器网络的数据可以帮助科学家了解沿断层线发生的情况。

与浅水通信相比，深海勘探需要一种不同的通信方法,水下应用包括监视、灾难管理、军事、导航和体育。水下传感器网络（UWSN）用于水下勘探，它是一个自治的传感器节点网络，这些节点在空间上分布在水下，以收集温度，压力和其他与水有关的数据。

四、我国海洋传感器的研究现状与突破

国内也一直有科研机构在从事海洋传感器方面的研究，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；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；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。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。

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在产业化方面，我国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，也是国内海洋传感器领域的机遇所在。

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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。

目前，进口CTD温盐深剖面仪、ADCP等海洋仪器设备在我国还有占有很大的市场份额。但令人欣喜的看到，通过近些年来国内相关科技企业的共同努力，在部分海洋传感器领域已经做到了国产代替，其实验室测量精度已与国外同类产品不相上下，与世界先进水平也已相差无几，只是其稳定、可靠性还需要进一步提升。

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比如：在CTD领域，青岛道万科技有限公司已经有系列化的国产替代产品进入市场，核心器件全部自主研发生产或国内采购，整机国产化率达99%，技术上实现自主可控；在ADCP市场，无锡海鹰加科海洋技术有限公司和江苏中海达海洋信息技术有限公司推出了完全国产化的用于浅水ADCP测量的系列产品，成为现在水利部门政府采购的主流产品；苏州声之源电子科技有限公司推出了国产自主可控的声呐系列产品，已经广泛应用于国产装备的海洋探测、海洋通讯和水下定位等领域，而且在深海领域也实现了突破。

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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，应用到高端智能装备的制造领域。

要解决海洋领域核心关键技术受制于人的问题，关键是增强科技攻关能力，强化自主创新成果的源头供给。在全球范围内传感器有超过2万亿的市场规模，我国传感器相关企业应抓住机遇，加强技术团队的学科交叉与协同攻关，强化新原理、新方法创新与已有技术的完善，多项并举才能掌握海洋科技发展主动权，合力解决海洋传感器领域的“卡脖子”问题。

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■本文参考《高科技与产业化》、传感器专家网、知乎、AI芯天下等相关文章内容综合撰写

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