【海洋技术】近年海洋探测与观测技术取得新进展与新技术

海洋技术包括海洋探测技术和海洋开发技术，现代海洋技术是20世纪50年代后围绕着海洋探测技术和海洋资源开发技术两个方面的变革发展起来的，是当代新兴的科学技术之一，同样是一门涉及许多门类的综合性学科。海洋高技术对海洋认识、开发与保护的支撑作用越加明显，成为各国海洋实力构成的核心要素。

二十一世纪是海洋的世纪，海洋因其复杂性、独特性等特点成为人类探索未知世界的主要方向，是科学和技术创新的重要舞台，海洋观测、探测技术与装备是进行海洋开发、控制、综合管理的基础，集中体现着国家海洋竞争力，同时在一定程度上标志着国家综合国力和科技水平。2020年，主要海洋国家在海洋观测、探测技术方面取得诸多突破，本文就来具体罗列一下。

主要海洋强国的战略规划

2020年9月，欧洲海洋局（EMB）发布《对海洋观测领域预见有贡献的倡议、战略和路线图的报告》，收集了与欧洲海洋观测和预报有关的主要预见性倡议和文件，并强调海洋观测的复杂性与重要性。报告指出，随着各利益攸关方都认识到海洋观测对于理解气候变化的重要性，海洋观测领域也得以发展。但是，海洋是一个复杂系统，海洋观测在各个层面上相互联系，需要各方协调合作以构建一个更好且可持续的全球海洋观测系统。

2020年8月，美国国家海洋和大气管理局发布《海洋、沿海和五大湖酸化研究规划：2020—2029年》，以帮助科学家、资源管理者和沿海社区解决海洋、沿海和五大湖的酸化问题。该规划规定了三个主要研究目标：一是扩展和推进观测系统和技术，加深对酸化趋势和过程的理解；二是了解酸化如何影响重要物种及其生存的生态系统，并提高预测生态系统和物种对酸化和其他压力源的反应能力；三是促进利益相关者及合作伙伴参与该规划的实施，评估需求并生成支持管理、适应和抵抗酸化的产品和工具。

2020年8月，英国国家海洋学中心（NOC）发布《2022—2025发展战略》。描述了英国国家海洋学中心成为世界上最具创新性的海洋研究机构的愿景，并设定了一系列目标，旨在通过研究和技术开发，推进海洋领域的前沿发展。根据战略目标，英国国家海洋学中心未来将开展以下四个方面工作：一是对海洋进行研究和持续观察，并共享研究成果；二是确保所有人都能获得海洋数据；三是领导和促成国家与国际研究合作；四是就海洋资源和生态保护提供独立的科学和技术咨询等。

为完成海洋大国向海洋强国的蜕变，逐步缩小与美、欧、日等海洋强国和地区的差距，我们应该紧密关注国际海洋发展态势，根据国情不断完善海洋科技、经济等领域的发展战略，积极推动海洋观测、海洋装备、船舶及气候变化等领域的高精尖技术原创性研发，以消除科技瓶颈。

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积极推动深海装备的研制能力

近年来，深海已经成为新一轮国际争夺目标，深潜（深潜科学考察）、深钻（国际大洋钻探）、深网（海底科学观测网建设）作为当今探索深海的三大手段，在深海探索与开发中发挥着重要作用。

2020年，基于深钻、深潜及深网相结合的“三深”技术，不断取得新突破。2020年5月，俄罗斯先期研究基金会对外证实，俄罗斯深水潜水器“勇士”（Vityaz）号首次潜入马里亚纳海沟，潜深达10028米。基金会表示，除去下潜和上浮时间，潜水器在海底作业超过3小时，对海床进行了绘图、拍照和录像，为科学家收集了海底环境技术参数。该潜水器借助人工智能控制仪器可以自动避开障碍，在有限空间中寻找出路并找到其他智能解决方案。

2020年1月，日本政府宣布，从2021年开始利用“地球”号深海探测船对南鸟岛周边的深海海底稀土进行开采实际验证。“地球”号拥有世界最强的钻探能力，甚至能够钻探到海底7000米以下的矿产。日本政府原本预定于2022年年底开始这项实验，但鉴于中国此前提交的第五块专属勘探区已经获得国际海底管理局（ISA）批准，故日本准备加快步伐以抢占先机。

2019年12月，印度政府表示，印度国家海洋技术研究所（NIOT）正在开发一套深海采矿系统，以利用海洋资源满足印度日益增长的矿产需求。2020年2月，意大利石油和天然气巨头埃尼集团开始在阿曼海域钻探第一口深海海上探井。埃尼集团是阿曼第52号区块的运营商，该区块面积约9万平方千米，水深从10米到3000多米不等，是一个尚未开发的地区，有丰富的碳氢化合物储量。

2020年6月，中国科学院沈阳自动化研究所主持研制的“海斗一号”全海深自主遥控潜水器，在马里亚纳海沟成功完成首次万米海试与试验性应用任务，填补了中国万米级作业型无人潜水器的空白。2020年11月，中国自主研发制造的万米级全海深载人潜水器“奋斗者”号在西太平洋马里亚纳海沟成功下潜至10909米，创造了中国载人深潜新纪录。

发达国家作为深海领域的先行者，其深海技术已发展得较为成熟，无人/载人深潜器、水下机器人、钻探船及海底观测网等相继问世，不断刷新深海探测深度与广度。中国深海科技虽起步较晚但发展迅速，目前已成为深海领域的后起之秀。以深潜装备为例，中国建造了“蛟龙”号载人潜水器、“海龙”号无人缆控潜水器和“潜龙”系列无人无缆潜水器，“奋斗者”号全海深载人潜水器也创造了中国载人深潜新纪录，成为继日、美之后第3个拥有万米级无人潜水器研制能力的国家。

在深海尚未实现大规模开发的背景下，中国仍处在战略机遇期，一是继续加大深海核心技术装备的研发投入，力求掌握深海核心技术，为深海空间拓展、深海安全维护以及深海利益保障提供支撑；二是加大国际合作力度，深海开发尤其是深海资源钻探技术要求高、经费投入大，需要依靠国际合作。中国可依托国际合作培育深海采矿产业，逐步实现深海采矿高端装备设计制造、作业、矿物冶炼以及加工利用的全产业链跨越式发展。

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加快谱系化海洋无人装备的研发

依照国防计划要求，美国将在2021—2025财年为无人水面舰艇领域投入约22亿美元、为无人潜航器领域投入约19亿美元，具体在推动水面、水下力量“无人化”方面的举措主要分以下两个方面。

2020年1月，DARPA发布“海上列车”项目招标公告，提出将4艘以上中型无人水面艇通过物理连接或编队航行的方式组建“海上列车”。DARPA希望在全程无人工干预的情况下，“海上列车”能够在恶劣海况下航行约6500海里（约合12038千米），抵达任务区域后分解执行任务，能够各自在不同海况下航行约1000海里（约合1852千米），最后再组成“海上列车”返航。该项目将增加无人水面艇航程，提高海军舰队的持续作战能力。

2019年美国海军已向波音公司提供了一份价值4300万美元的合同，购买首批4艘“虎鲸”超大型无人潜航器，根据美国海军的设想，“虎鲸”可搭载传感器载荷，进行海洋环境观测和情报收集；可搭载战斗载荷，进行布雷/反舰作战，甚至直接威胁到敌潜艇；可搭载通信设备，构建美军的水下传感器和通信网络，为水下作战服务。

DARPA希望通过开发一种无须考虑安置船员等相关设计因素的舰船，挑战传统海军平台模式，证明其在尺寸、成本、海上可靠性及海上生存能力等方面的优势，并通过优化船体结构来提高船舶动力效率。DARPA认为NOMARS项目有望将美国海军无人水面舰艇的领先向前推进10年。

2020年2月，DARPA授予洛克希德·马丁公司一份价值1230万美元的合同，用于“曼塔·雷”（Manta Ray）超大型无人潜航器项目的第1阶段研发和演示。“曼塔·雷”是一种长航时、长航程、大载荷及高自主无人潜航器，能在无后勤支持和维护的情况下执行任务。

2020年6月，美国国防部长办公室的一项内部研究报告建议投资大型无人潜航器，并建议美国海军投资建造50艘超大型无人潜航器，以大幅提高美国海军的水下观测能力。美国海军希望无人潜航器能够替代传统大型载人潜艇执行一些基本作战任务，以使载人潜艇解放出去执行更复杂的作战任务。

2020年11月，美国海军“霸主”无人水面舰艇完成了长达4700海里（约合8704千米）的航行，其中包括在几乎没有人员辅助的情况下从大西洋航行到太平洋。“霸主”项目旨在利用大型无人水面艇增强海军现有有人驾驶战舰的补充能力，提高舰队的作战效能。

美国之所以如此注重海上无人力量建设，一方面是欲在海军建设上寻求新方向来维持其绝对领先的优势，另一方面是担心中国在无人作战力量研发上实现技术领先。为了使中国海军在未来水下无人作战领域占据重要一席之地，应依据自身海洋环境特点与实际国情，尽快制定海上无人系统顶层策划，同时加大对海上无人装备研发的支持力度，不断提升研发能力，尽快建立一套适应我国海军武器装备体系和未来作战需求的海上无人系统。

2020年3月，英国国防部授予普利茅斯大学船舶自主研发公司MSubs价值100万英镑的合同，为英国皇家海军研制一款长30米、航程3000海里（约合5556千米）的超大型无人潜航器。该型潜航器主要用于情报收集，可在不载人的情况下自动离开船坞，秘密潜入作战区域，续航时间最长可达3个月。

2020年4月，英国船舶工程设计公司BMT正式发布新一代五体无人水面艇Pentamaran项目的相关概念设计方案。一般的高速艇均为三体船的船体构型，船的主体和侧体构成字母M的形状。Pentamaran在中央船体的两侧各布置两个片体，旨在尽可能降低阻力。测试表明，与单体、双体和三体等传统船体相比，五体船阻力明显降低。新艇可助力英国国防和商用客户执行军事、巡逻、情报监视侦察、反潜战和水文测量等任务。

2020年7月，以色列埃尔比特公司（Elbit Systems）完成“海鸥”（Seagull）无人水面艇与“云雀-C”（Skylark C）微型无人机的集成测试，进一步提升“海鸥”无人水面艇的情报搜集和态势感知能力。“海鸥”是一种自主式多用途无人水面艇，采用模块化设计，任务载荷即插即用，可执行反潜战、反水雷战、电子战、海上安全和水下勘测等多种任务。“云雀-C”是一型电动无人机，能够从空中观察目标，进行沿海侦察，执行持续性暗中监视并向陆基控制单元传输可视信息，“云雀-C”的加入扩大了“海鸥”操作员的视线，可协助执行反潜战和扫雷等多项任务。

2020年8月，英国SEA-KIT公司建造的无人船Maxlimer完成为期22天的勘测任务，成功绘制大西洋逾1000平方千米大陆架的海底地图。在航行过程中，SEA-KIT通过3颗卫星全程遥控指挥整个航程。利用经由互联网的通信和控制系统，操作员得以远程获取船舶的闭路电视录像、热成像和雷达，同时监听该船周围的实况，甚至与附近的其他人进行通信。

2020年10月，澳大利亚国防创新中心（Defence Innovation Hub）向法国泰雷兹集团授出一份价值380万美元的合同，用于支持开发可执行反潜战和持久监视任务的无人水面艇“蓝色哨兵”样艇。该艇部署在水面或水下，用于探测、识别和定位水面/水下噪声或产生声反射的舰船，可在任何天气条件下长时间在大片海域自主巡逻，执行水下情报、监视与侦察任务。

2020年4月，荷兰国防装备组织（DMO）与瑞典萨博公司（SAAB）签订合同，为荷兰皇家海军采购“海黄蜂”遥控深潜器。“海黄蜂”基于萨博商用遥控深潜器设计，是一种小型遥控式无人潜航器，长1.7米，宽0.5米，高0.4米，重约90千克，由艇体、发电机、手动绞盘和供电装置等组成，可执行水雷探测和侦察等任务。此外，该潜航器是一种经济有效且安全的水下军械处理解决方案，可以识别、重新定位和处置位于水中、港口区域的简易爆炸装置。

2020年6月，德国常规潜艇制造商蒂森克虏伯船舶系统公司（TKMS）对外展示了最新研发的大型模块化无人潜航器。该潜航器采用电力作为主要动力能源，并安装有燃料电池，必要时通过锂离子电池模块提供动力，可不受气候影响全年全天候运行，将主要应用于民用海事领域。例如，有效载荷运输和部署，海上风能、石油和天然气行业中的应用，以及对北极冰区等海域的勘探等。

2020年11月，俄罗斯联邦工业与贸易部公布一项招标，寻求高度自主无人潜航器原型机。根据招标文件，该潜航器研发资金达5亿卢布，试验设计工作拟于2023年10月全部完成，暂定投入使用时间为2024—2025年。招标文件显示，新型潜航器将配备声呐系统和无线电通信设备，应能在约1000米深的水下自主运行至少24小时，水下最大航速至少达到4.9节，可自动避开障碍物，能够在水体密度为1000～1054千克/立方米的水域内进行水底地表及目标测绘，并测量整个潜航作业深度范围内的介质参数。

2020年12月，印度理工学院开发出一款小型太阳能无人测量船。该船完全由太阳能供应动力，配备用于深度测量的回声测深仪和用于跟踪的机载GPS系统，并且可以添加360度摄像头，以及用于地形测量的光检测和测距激光，即使在浅水区域也能够进行精确的水深测量，并具备远距离实时传输数据的能力。研究人员表示，测量船适用于在交通繁忙的内河航道、港口及珊瑚礁等海域进行测深。

2020年，各国在海上无人系统装备研制的节奏明显加快，主要国家重点推进大中型无人舰艇、无人潜航器研制列装，未来海上无人装备谱系图像日益清晰。在军用领域，多国基于自身海上作战需求，加快海上智能无人装备的研制采办，并推动与有人装备的不断融合；在非军用领域，新型海上无人装备在海底测绘、勘探等领域展现出巨大的应用潜力。

加紧对海洋观测、探测新技术的探索

当前，海洋监测与探测技术方面，海洋观测新技术、新手段不断涌现，全球海洋观测系统向高密度、多要素、全天候和全自动的立体化海洋观测方向发展。海洋通信技术方面，水下中远距离通信成为技术突破的重点方向，增加可靠的中继节点使水下通信更加稳定高效。海洋导航技术方面，以惯性导航为主，借助航位推算导航、地球物理匹配导航和水下声学导航等技术的水下组合导航成为研究热点。

2020年7月，日本基金会宣布开展“大洋地势图”（ GEBCO）项目下的“大洋地势图海床2030”项目，拟将1450万平方千米的新观测数据纳入最新的GEBCO网格中。截至2020年年底，全球近1/5的海底已被绘制成地图，新数据显示的面积相当于澳大利亚的两倍。“大洋地势图”项目于2017年推出，目前已累计有133个官方合作伙伴，海床测绘覆盖率已从6%增加到19%。编制一份完整的世界海洋地势图将有助于增强对海洋循环、天气系统、海平面上升、海啸、潮汐、泥沙运输、底栖生物栖息地分布和气候变化等基本过程的认识。

2020年12月，美国斯坦福大学研究人员开发出一种新型空载声呐水下勘测技术，找到了在不接触水的情况下从机载平台发送和接收声呐信号的方法。声波、雷达在面对水—空屏障时都无法有效传输信息，但研究人员发现，光声方法至少可以在一个方向上突破屏障获得信号。基于此，研究人员开发出一种足够灵敏的光声机载声呐系统。该系统可以检测到从水中向空中传播的信号，并且在记录信号后对其进行软件分析，以创建浸没物体的3D图像。该技术有望应用于海床绘制和海洋生物勘测领域。

2020年，DARPA授予帕罗奥多研究中心（PARC）两份合同，分别获取1500部和10000部分布式传感器。此举旨在推动“海洋物联网”项目，即通过部署大量低成本浮标所形成的分布式传感器网络来对大面积海域进行持久地海洋态势感知。每部智能浮标都包含一套商用传感器，可采集海面温度、海况和位置等环境数据及商业船只、飞机甚至海洋生物的活动数据。浮标通过卫星定期将数据传输到云网络，以便存储和实时分析。

2020年11月，美国国家科学基金会拨款5300万美元用于开展ARGO全球海洋观测网项目中的生物地球化学项目。该资金将在未来5年内为新项目增加500个浮标。这些浮标从海面到水下2000米的深度进行采样，将提供第一张全球海洋化学和生物学地图。浮标采集的数据能够跟踪有关海洋化学和生命的大规模气候变化规律，并在大量沿海监测数据集之间建立联系。

2020年2月，俄罗斯远程无线电科学研究所研发出一款名为Laguna-M的机动式超视距雷达。该雷达能够在多种恶劣天气条件下连续自动地监测和跟踪200海里（约合370千米）以内的逾200个水面目标，并实时传输目标数据。2020年8月，美国毕格罗海洋科学实验室与欧道明大学的研究成果表明，用激光雷达探测藻类和测量相关指标，能探测的海洋深度最高可达卫星遥感测量深度的3倍。激光雷达通过发出激光脉冲，并计算光束触及微粒和弹回的时间，可以感知海水中的微粒，有望填补太空探测海洋生物能力的空白。

2020年11月，美国迈阿密大学提出一种监测全球海平面上升的新系统。该系统利用美国国家海洋和大气管理局全球表层漂流浮标项目中现有的大约1200个浮标的阵列。这些浮标随海流自由漂移，可承载更多传感器来记录海水表面海拔高度，每小时传输一次数据，形成世界各地平均海平面的长期数据集，以更好地了解全球和区域性海平面变化，尤其是评估全球变暖对此造成的影响。

2020年11月，美国SpaxeX公司的“猎鹰-9”号火箭将一颗NASA和欧洲航天局联合开发的先进海洋测绘卫星“哨兵-6A”（Sentinel-6A）送入轨道。该卫星由空客公司耗资9700万美元制造，携带多台仪器，可以追踪海平面变化，精确度达到厘米级。依托“哨兵-6A”卫星收集的数据，世界各地的科学家将能够对近海进行更高分辨率的观测，以实现对风暴登陆的更精确预警预报。

2020年4月，加拿大渥太华大学研究人员利用量子通信技术，在30米深的湍急水流中成功传输数据，传输速率为每秒72千比特，相当于每秒传送4600字符。量子通信技术曾被用于在静态水流条件下传输数据，是量子理论在创建超安全通信技术手段上的实际应用，其原理是将通信数据存储在脆弱的量子态中，一旦黑客侵入，量子态即刻崩溃避免信息泄露，能够解决目前数字化方式下的数据传输安全问题。

2020年9月，美国应用声学工程公司（AAE）宣布推出新的超短基线海底定位系统Pyxis USBL。Pyxis USBL是一种便携式、无须校准的系统，能够在到达工作地点后立即部署在任何船只上运行，是AAE公司迄今为止最精确、最远程的海底定位系统。该公司称，该系统非常适用于部署水下机器人以及跟踪磁力计和侧面扫描声呐等短程或远程拖曳传感器。此外，该系统与惯性导航系统相结合，能够进行精确的水下追踪，且具有测量性能。

2020年6月，沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学开发出一种水下无线传输系统（Aqua-Fi）。该系统结合了激光器和现成的组件，可以为水下设备建立双向无线连接。在系统测试实验中，研究人员在两台相距几米的静态水中的计算机之间同时上传和下载多媒体，最大数据传输速度为每秒2.11兆字节，往返的平均延迟为1毫秒。未来，若使Aqua-Fi系统在商业领域实现大面积应用，仍需解决激光对准等难题。

2020年11月，美国麻省理工学院开发出一种新的导航系统，无须电池就可在水下进行导航。新系统采用压电材料，这种材料在机械压力之下会释放电荷，压电感应器会利用这些电荷，选择性地反射部分声波。随后，接收器会将收到的反射序列转化成1（已反射声波）和0（未反射声波）组成的二进制代码。由此产生的二进制代码可以携带有关海洋温度或盐度的信息。研究人员称，新系统以及基于相同技术的未来系统可以更好地适用于绘制海底地图，并进行各种自动监测和海底导航。

2020年5月，英国推出一款用于无人潜航器的全球导航卫星系统。该系统可承受几千米的水压，在水下准确记录平台位置，适用于遥控水下潜航器和自主水下潜航器。该系列中MiniPod101G型号额定下潜深度为50米，可在靠近水面处工作，并将位置信息传送至2000米外的母船；MiniPod103G和MiniPod106G型号的额定下潜深度分别为1000米和6000米，可与超短基线定位系统等水下声学定位系统结合使用，提供实时监测，实现水面跟踪/回收和丢失资产的重新定位，适用于观测级或深水作业级的遥控水下潜航器。

2020年9月，法国iXblue公司向法国海军集团（Naval Group）交付Marins惯性导航系统，并将其装备在法国海军新型大型水面战斗舰上。该导航系统基于iXblue的光纤陀螺仪技术，可满足先进战舰的作战需要，即使在全球导航卫星系统信号拒止环境下，仍可提供精确的定位、航向、横滚、俯仰和航速等导航信息。

2020年，中国相继成功发射“海洋一号D”卫星和“海洋二号C”卫星。“海洋一号D”与此前发射的“海洋一号C”进行上下午组网观测，打造中国首个海洋民用业务卫星星座，填补中国海洋水色卫星下午无观测数据的空白。此外，“海洋二号C”与此前发射的“海洋二号B”组网，可大幅提升中国海洋观测范围、观测效率和观测精度。

2020年8月，中国首套全国产化海气界面观测浮标在西太平洋布放，正式开启在深海为期一年的示范运行。该型浮标是由中国国家海洋技术中心主持研发的首套全国产化的资料浮标，采用大深度、高密度、多节点、长期及同步感应耦合剖面观测，填补了中国大深度、高密度、长期实时获取深海剖面观测数据的技术空白，为中国深远海海气界面观测浮标业务化运行奠定了基础。

2020年9月，由中科院声学所与南京锐声联合研制的深海低噪声毛发阻尼阵列在2020年（第五届）青岛海洋科技国际展览会上首次向全球公开发布。这是中国自主研发的首条完全国产的深海低噪声毛发阻尼阵列，属于海洋探测领域的关键核心技术装备。该阻尼阵列产品在最大工作深度、设备生存能力等一些关键性能指标上有显著提升，已经完全可以替代国外装备，将广泛应用于石油勘探、海洋环境噪声研究及目标探测等领域。

                               
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