海洋水下立体观测技术装备发展研究

海洋观测依赖于装备的技术进步：早期人类认识海洋主要是从船上或者岸上；20世纪遥感技术的出现使得从空间获取海洋动态性信息成为可能；进入21世纪，从水下和海底观测海洋成为探索热点。建立水下立体观测网来获得科学、实时、全面的数据，是未来认识、开发、利用海洋的重要方向。

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一、前言

海洋观测有赖于设备的技术进步：早期人类对海洋的认识主要来自船舶或海岸；20世纪遥感技术的出现使从太空获取海洋动态信息成为可能；在21世纪，从水下和海底进行海洋观测已成为勘探的热点。作为一个复杂的时空耦合过程，海洋过程的观测需要移动和固定观测平台的协同使用。

海洋水下立体观测系统是指基于有线或无线方式，借助固定或移动平台对海洋进行实时观测的网络。海洋观测技术和设备是海洋观测系统的基础，是维护海洋安全、预防和控制海洋灾害、促进海洋科学进步的重要支撑。

自20世纪60年代以来，许多国际海洋科学调查和海洋资源活动开始探索使用各种水下观测技术和设备。例如，水下遥控器作为无人水下观测平台，具有一定的机动性，可以在大水深下长时间工作，发展迅速。中国海洋科学家于1997年提出了从海底观测地球的倡议。他们认为，在建造海底观测网方面存在着国际竞争，这可能导致国际权利和安全方面的争端。中国应尽快起步,争取主动;；在分析加拿大海底科学长期观测网研究进展的基础上，阐述了海底观测网的价值。国家海洋技术中心发表的一系列论文全面介绍了国际水下三维观测系统的发展。例如，文献介绍了水下自航海洋观测平台，分析了该领域的发展历史和现状，提出了我国相关研究的重要性和可能的方向；分析了国内外水下观测信息系统的现状和发展趋势，并对我国水下观测信息系统的发展提出了建议。

海洋水下立体观测网通常分为三个部分：海底观测网、水下移动观测平台和传感器、水下立体观测信息系统。本文主要围绕前两部分，在总结国内外该领域进展的基础上，探讨了该领域的发展需求，总结了发展趋势，浓缩了存在的问题，分析了关键技术，并提出了该领域的发展建议。

二、海洋水下立体观测技术装备的需求分析

（一）促进海洋科学发展

海洋科学是一门以观测为基础的学科。新的发现和新的进步离不开海洋观测技术和设备。全面提高海洋水下三维观测设备的水平，既是推动我国海洋科学发展的需要，也是解决海洋科学重大问题的关键。如果把地面和海面作为地球科学的第一个观测平台，把空气作为第二个观测平台，那么海底就是第三个观测平台。海洋水下三维观测平台将从地表到海床的范围纳入人类探索和监测的视野，有望从根本上改变人类对海洋的认识方式，开创海洋科学的新阶段。

海洋科学中的重大发现和科学问题需要建立在长期观测的基础上。海洋水下观测技术和设备的发展，为科学家提供了从地表到水下、从水到海底深部地壳的全方位、大尺度、全面、实时的高精度观测条件；通过观察，我们可以更好地了解海洋科学问题，如人类活动引起的海洋变化、海洋生物、海底-海水-大气、海底和沉积动力学之间的关系。

（二）防控海洋灾害

海洋观测是海洋灾害有效预测预警的信息来源，世界上有约80%的火山喷发、地震发生在海底，且主要沿着地壳的边界。水下立体观测技术装备对海底地震进行监测、评级、定位，通过数据的处理、建模、分析，准确预报台风、海啸等自然灾害；监测风暴、藻类勃发、海底喷发、滑坡等各种突发事件，降低灾害带来的经济损失，为沿海地区的经济社会发展提供防灾减灾保障。

（三）保障海上国防安全

发展海洋水下立体观测技术装备是海上国防的必然需求。我国海岸线长约 18 000 km，海上邻国有8个，且一些国家与我国存在领土/领海纠纷。一些国家在第一岛链设置了海底声学监听网络系统，对我国海军装备的安全出入构成威胁。为了避免海洋水下“门户洞开”、水下空间“单向透明”状态，自主建设水下监测系统、发展水下监测装备是我国海上国防建设的必然需求。

海洋水下立体观测技术装备具有长期、实时、不间断、大范围的特点，支持水下监测系统作用的持续可靠发挥，保障领海权益不受侵犯。

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三、发展现状与趋势

海洋水下立体观测系统主要涉及三方面：海洋观测平台、传感器、数据处理。鉴于数据（综合）处理方面，目前国内与国际存在较大差距，加之专业度较高、还需要更深层次的探究，因此本文主要围绕海洋水下固定观测平台（海洋水下观测网）、水下移动观测平台、海洋传感器等装备展开论述。

（一）海洋水下观测网

海洋水下观测网计划最初由美国提出，但由于资金问题进展缓慢。1999年6月，加拿大率先建立了海王星海洋水下观测网；海底观测点通过复合电缆连接成环，形成海底火山状态、地震和海啸活动的实时观测能力，支持海洋与大气相互作用和气候变化的深入研究；目前，观测设备超过138台。进入21世纪，各国都在积极建设海洋水下观测网络，如日本于2003年建立的新的实时海洋水下监测网络（arena）、2004年建立的欧洲海洋水下观测网络（esonet）、2006年建立的澳大利亚综合海洋观测系统（IMO），2013年印度北部印度洋系泊浮标（Omni）等。这些设施集防灾减灾、科学研究和其他功能于一体。观测传感器数量较多，观测对象趋于丰富，有效拓宽了观测范围。

中国海洋水下观测网在“十一五”期间规划，在“十二五”期间建设，在“十三五”期间扩建；参与研究和建设的单位有同济大学、浙江大学、中国海洋大学、声学研究所、中国科学院、中国造船研究院715、恒通集团有限公司2009、同济大学率先与相关单位合作建设。“小曲山海床观测实验站”，这是中国第一个综合海床观测测试和演示系统。2013年，“三亚海床观测演示系统”由中国科学院南海海洋研究所、沈阳自动化研究所和声学研究所共同建设的中国科学院海洋研究所投入使用。2014年，浙江大学建成“结若山岛三维海洋观测示范研究与试验系统”。“十二五”期间，中科院声学研究所牵头并联合国内优势单位承担了国家863计划重大项目“海底观测网测试系统”的研究，重点研究了海底观测网测试系统的总体技术，在水下高压远程供电、大深度高精度定位布放与回收、大深度水下接线盒及仪器等一系列关键技术上取得突破，如大深度高压光电复合电缆，深水无人遥控潜水器（ROV）的水下湿堵，实现了深海海底观测网络系统的建设和稳定运行。2017年，同济大学牵头、中科院声学研究所共建的“国家重大海底科学观测网科技基础设施”项目建议书获得批准，建设期5年；2018年，“国家重大科技基础设施潜艇科学观测网”项目可行性研究报告获得批准。海底科学观测网是对深海海底地壳、海底界面、海水水体和海面进行高分辨率、大尺度、全天候、全面、长期、连续、实时观测的主要手段。为国家海洋安全、深海能源资源开发、环境监测、海洋灾害预警预报等提供支持。总体而言，我国海洋水下观测网建设起步较晚，尚未正式建成；开发的新技术需要不断验证，离正式应用和推广还有一段距离。

（二）海洋水下移动观测平台

海洋水下移动平台机动灵活，如 ROV、载人潜器（HOV）、自主水下航行器（AUV），广泛应用于海洋水下立体观测过程，在海洋水下观测网的安装和维修方面也发挥了重要作用。海洋水下观测网为水下移动平台提供充电、信息传输中转等服务，二者结合将发挥更大的作用。

1. 无人遥控潜器

20世纪60年代，国际上的许多海洋科学考察、海洋资源探测活动，较多利用遥控的无人水下观测平台开展，在较大水深中长时间工作的能力是主要原因。ROV在人工控制下，在海洋深处、海底危险区域执行各种指令与操作；除了开展观测基本任务外，还可通过机械手进行水下取样、安装、维护等作业，优势独特。ROV技术成熟的国家有美国、俄罗斯、日本、法国等，均具备研制6000 m及以下深度ROV的能力；更大潜深的ROV还处于试验阶段，尚未得到推广应用。

2020年6月，中国科学院沈阳自动化研究所研制的“海斗一号”ROV完成了10907m的下潜深度，刷新了我国潜水器下潜深度及作业深度的记录，填补了万米作业型无人潜水器的空白。上海交通大学研制的“海马号”“海龙号”ROV作业水深分别为4500 m、6000 m；中国船舶第七一五研究所研制的定型ROV作业水深为5000 m。我国已进入拥有 6000 米级 ROV 的国家行列。

2. 载人深潜器

HOV最早出现在20世纪60年代，由于航行能力和作业能力有限、体积大、运输不方便，未能获得推广应用。美国“阿尔文”HOV于1964年研制成功，1966年在地中海协助完成打捞工作，20世纪70年代发现了海底热液喷口。“阿尔文号”最大潜深为4500m，可让研究人员到达地球上约2/3的海底；经过升级改进后，最大潜深接近6500m，可覆盖98%的海底面积。美国伍兹霍尔海洋研究所“深海挑战者号”在马里亚纳海沟下潜至10908m，日本“新海6500号”最大潜深为6500m。

在我国，“蛟龙号”HOV潜深为7020m；“深海勇士号”HOV国产化率达到95%，核心国产设备性能和技术状态稳定，标志着我国大深度载人深潜技术和装备制造取得重大进展。

3. 自主式水下航行器

AUV 造价低、安全性好、连续工作时间长，可以自主设定航线、搭载多类水下传感器，目标区域的观测效果较好。国外 AUV 经过数十年的发展，产品技术体系较为成熟，功能性能基本稳定；占据国际市场主要份额的国家是美国、英国、挪威等，市场上成熟的 AUV 产品类型超过 100 种。

在我国，中国科学院沈阳自动化研究所等单位牵头研制的 AUV 完成了水下 6000 m 自主航行演示，仍处于研发测试阶段，功能性能有待进一步验证。未来 AUV 技术的发展方向是仿生性、多功能性，兼顾提升灵活性和续航性能。

4. 水下滑翔器

水下滑翔器依靠侧翼产生的水平动力在水下潜行，通过调节内部配重进行上浮和下潜；搭载温盐深（CTD）等多类传感器，在水下大范围内持续搜集环境参数，成为海洋科考较为经济的水下观测工具之一。美国最早开展水下滑翔器的研制，目前拥有最为成熟的技术；法国、英国、日本等国家也很早就开展各类水下滑翔器技术的研究。

中国科学院沈阳自动化研究所研制的“海翼”水下滑翔器，工作水深为 300~7000 m、续航时间达 40 d，航程超过 1000 km。天津大学研制的“海燕”水下滑翔器，工作水深为 3620 m、续航时间达 30 d，航程超过 1000 km。相关产品的研制和应用，标志着我国基本掌握了水下滑翔器技术体系。

（三）海洋观测传感器

随着海洋观测活动的不断发展，在海洋水下、海底和深海环境长期连续观测需求的牵引下，美国、日本和德国开发了多种新型海洋环境观测传感器，如CTD传感器，温度测量精度为±0.001℃，电导率测量精度为±0.003 MS/cm，压力测量精度为±0.015%FS。

在国家的支持下，我国海洋观测传感器、仪器和测量系统的研究起步较晚，进展迅速：部分技术指标达到国外同类产品水平，部分海洋水下观测设备已形成系列产品，一些水文仪器已应用于海洋调查和国际联合调查。在国家863计划和海洋公益事业科研项目的支持下，中国研制了自动气象站、高精度CTD仪器、海流剖面仪、磁强计等各类海洋调查采样设备；已开发的深海取样设备包括深海电视抓斗、多管取样器等，海洋观测平台种类繁多，如浮标、潜艇等被动观测平台。这些设备的开发和应用推动了特殊传感器技术的进步，如海洋调查和观测以及环境监测。

（四）海洋水下立体观测技术装备的发展趋势

随着海洋水下观测需求的不断发展，海洋观测已经从海面转移到水下，进而扩展到海底全方位、三维的观测阶段。这就要求海洋水下三维观测系统覆盖各种观测平台，如测量船、浮标、浅浮标、水下航行器、海底观测站等；通过多个观测平台的有机结合，形成水下全方位三维观测能力。多平台协同三维作业已成为未来海洋观测的发展趋势。观测范围也从水面扩大到海底，从近海扩大到深海和远海。未来，海洋水下观测平台将演变为自适应的、有机集成的海洋水下观测平台阵列。

在深海环境和生态环境长期连续观测需求的驱动下，全海绝对速度剖面仪、深海高精度海流仪、多极盐度传感器、快速响应温度传感器等海洋水下观测传感器，湍流剪切传感器和多参数水质计已成为关键产品类别。随着海洋观测平台技术的发展，产生了具有运动平台自动补偿功能的环境监测传感器，如温度、盐度、湍流、pH值、营养盐、溶解氧等传感器，适用于自主潜水器、遥控潜水器、水下滑翔器、，深海拖体等运动平台。未来，自动补偿传感器的改进及其在海洋水下观测平台阵列中的应用将成为一个重要的发展趋势。

在未来的海洋水下观测系统中，海洋传感器技术正朝着系列化、模块化、标准化、通用化的方向发展，海洋观测平台技术正朝着多样化、多功能的方向发展。无人水下航行器行业趋于成熟，新型无人水下航行器不断出现，海洋观测仪器设备不断进步，为海洋水下三维观测技术和设备的建设提供了坚实的支撑。此外，随着数字信号处理器和大容量存储器的发展，海洋观测仪器设备正朝着小型化、多功能方向发展。

四、我国发展面临的问题

（一）国产传感器与国际先进水平差距较大

经过十多年的发展，我国相关行业在海洋观测平台上的技术已经比较成熟，但观测平台上搭载的CTD、光学传感器等海洋观测核心传感器的进口比例仍然较高。除潮汐、海洋气象等测量仪器外，国内大多数海洋观测仪器设备可靠性低，产业化水平低。在线观测仪器管理体系不完善，专业海洋观测仪器设备的开发、生产、应用和管理仍处于不协调的“亚健康”状态；海洋业务观测的数据采集能力和数据质量不高，即使在恶劣的海况下也难以获得灾害环境预警所需的基础数据。掌握数据采集和后期维护改进技术难度较大。在特殊时期的海洋观测活动中，存在设备停运、关键信息泄露等问题。目前，国内传感器的开发大多处于原理样机或工程样机阶段，参与国际市场竞争的实力较弱；一些核心技术还有待攻关，传感器技术的产业转型也需要通过现场监测和实验应用进行改进和升级。

（二）海量数据与现实需求之间出现脱节

海洋观测数据具有多重角色：核心信息装备的研发引擎，海洋水下立体观测网的直接目的，传输网络的载体，中心处理平台的依据，海洋应用的基础。经过长期发展，国内的海洋遥感、岸基、水面、水下等观测平台搜集了海量数据，但目前相关数据利用率、使用价值均不高；从学术研究层面分析，主要原因有：反演信息欠精准，信息提取知识欠科学，知识服务欠智能。获得海量数据之后，应提高数据使用的有效性，切实为最终目标服务，否则形成“数据孤岛”而难以产生实际效能和投资回报。

（三）国产传感器缺乏使用验证和必要改进

我国海洋监测管理机构“多头管理”现象依然存在，导致研究力量分散、资源配置不合理，制约了重点工程实施成效，不利于领域长远发展。在水下立体观测网的信息处理和搜集方面，目前服务对象不够明确，水下信息的流通范围较窄，信息采集、交换标准不一致，数据整合度和利用率偏低，社会力量参与积极性不高，不利于水下观测信息发挥应用效能。以 863 计划海洋技术领域专项为例，许多国产传感器处于样机层面，实地使用偏少，也很难继续进行必要的修正和改进；许多国产传感器仅限于试用或者“沾水出数据”即可，未能进行产品化并持续保持更新、改进、修正；因后续的使用、改进、实验等方面资源支持不足，转化机制缺失，在研发和产业化之间出现了断层。

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五、重点发展方向

除了较为成熟的海洋观测平台、海洋水下三维观测系统设备的建设外，安装在海洋平台上的海洋传感器阵列已成为海洋水下三维观测的关键。不同类型的海洋水下观测平台只有配备海洋观测探测仪器、海底取样等水下作业设备，才能形成完整的设备体系，并有可能充分发挥综合技术体系的效能。潜水器各种传感器、探测装置和通用/专用作业工具的研制，不仅是水下作业技术的基本模式，也是人类认识海洋、开发深水资源的重要途径。

值得注意的是，虽然我国在传统海洋观测传感技术方面取得了重大进步，并逐步赶上国际先进水平，但在新型传感器和特殊功能传感器方面仍存在差距，甚至差距还在扩大，如高精度CTD剖面仪，废弃的温深传感器、废弃的温盐深度传感器、声学多普勒海流剖面仪、相控阵声波海流剖面仪等，努力摆脱“空壳施工、设备组装”的现状，提高海洋水下观测探测设备的综合性能，争取关键传感器的全面国产化；在跟踪移动平台、网络观测等平台技术研究热点的同时，及时规划并有效应对未来传感器小型化、低功耗、抗污染的挑战。

（一）原位生物化学传感器

物理海洋学传感器已有几十年的历史，国际上用于测量电导率、温度和深度的传感器也已达到高度成熟和小型化，但生物地球化学和生物海洋学观测传感器的进展明显滞后。除了监测食用鱼，为了实现海洋生态系统的可持续发展，有必要了解和掌握从浮游生物到鲸鱼的整个海洋生物链的状态。目前，国内外海洋生物监测技术还不够成熟，这为我国海洋生物传感器的研究进展提供了良好的契机。生物监测逐渐受到国际关注，新的化学测量技术（如硝酸盐和磷酸盐）也在发展。预计在不久的将来，它将成熟到可持续利用的程度。我国应与世界同步，关注和发展相关类型的传感器，如原位营养传感器、220nm紫外光谱仪、原位自治硅酸盐电化学传感器、原位电化学硝酸盐传感器等。

（二）原位芯片海洋观测技术

国际市场公开销售的基于试剂的化学、生物传感器都没有采用原位芯片实验室（LOC）技术，相关技术仍处于少数国家（如英国、日本）、少数实验室的专利授权期。尽管微流体技术、LOC 技术取得了新的进展，但在海洋观测方面的应用潜力仍待挖掘和明确。原位芯片海洋观测技术技术性能高、具有潜在的低成本优势，能够测量海洋水下观测的多种参数，非常适合填补目前海洋观测能力的差距，未来发展空间较大。原位芯片技术的易用性提升极为重要，在生物参数测量方面应用潜力较大。

（三）传感器主动防污技术

生物污垢的积累会干扰传感器运行、减少流向传感器的水流、影响平台机械运动、增加仪器质量和阻力，进而影响观测的准确性，因此保护传感器免受生物污染极为重要。传统处理方式主要有：采用防污涂料、涂层，或选择防止生物污损的基质，但对观测环境不友好；配置擦拭器、通过设定不同的擦拭频率来去除各种新沉积的污垢生物体；采用紫外线照射、淡水冲洗、纳米聚合物涂层等来防止生物污垢沉积。在诸如东海等区域的高结垢环境中，传感器需要综合采用多种方式来实施可靠保护。未来传感器的发展，应将生物附着性纳入评估内容，根据结垢环境特征采用不同方式、不同频度的除垢措施，尤其需要关注主动擦拭器、电解氯化方案、紫外线照射、纳米聚合物涂层等。

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六、对策建议

（一）支持海洋关键传感器的高效成果转化

传感器是海洋观测最重要的构成部分，性能优劣直接反映海洋水下立体观测技术装备的水平高低。国内存在着海洋传感器研制结题后因缺乏持续必要支撑而难以实施成果转化的情况，使得一些传感器技术供应与市场需求结合不紧、产品研制缺乏必要的试用与改进，从而影响了前期研发投入的产出和回报。海洋关键传感器尽管类别多样，但相关技术瓶颈具有共性，这些问题应及时梳理并集中解决。

建议开展行业顶层设计，论证国家海洋传感器综合规划，争取事关海洋关键传感器研发与应用的必要资源保障；采取市场化方式、制定明确规则，促进海洋关键传感器科技成果的高效转化；鼓励原始创新、推进应用创新，重点支持国内需求迫切且难以稳定进口渠道的传感器关键技术攻关和应用，配套合理必要的政策和资源支持。

（二）统筹建设海洋水下立体观测的大数据处理与共享中心

海洋观测花费大量资金、周期长、涉及多方、多个单位甚至多个国家共同实施相关项目是正常的。一方面，围绕海洋科学的重大问题，以通用海洋观测平台为基础，实现不同学科背景、不同学术理念、不同层次研究力量的协同，以跨学科的形式有效促进该领域的发展；另一方面，共享海洋观测平台可以显著提高资源利用效率，更好地促进观测设备和关键传感器的技术进步和更新。随着观测技术和设备的不断发展以及海量数据的不断积累，数据处理、集成、产品供应和科学管理已成为当务之急。尽快实现海洋观测平台和数据共享，解决国内研究人员只能与国外共享数据、国内部分数据只能通过国外渠道获取的不利现象，是主管部门和研究人员的共同责任，扭转海洋相关数据自密封、自管理的局面。

建议将海洋水下三维观测大数据处理共享中心整体建设提上议事日程，对现场建设进行统筹规划，构建数据共享体系；充分利用和发挥国家现有重大科技基础设施的作用，支持海洋水下三维观测技术和设备核心和关键技术的开发，切实提高核心设备、关键传感器和观测设备的国产化水平，迅速进入海洋环境监测和装备领域的世界先进行列。

（三）建立海洋水下立体观测技术装备国家公共试验平台

建立技术装备国家公共试验平台，有利于装备测试与方案改进以提高性能，可以持续培养海洋领域的研究与技术人员，积累装备与仪器的立项、研制、改进经验，加快工程应用进度。

建议开展海洋水下立体观测技术装备国家公共试验平台建设，按照企业化、业务化、市场化方式运作，提供长期、连续、实时、多学科、同步、综合的观测试验平台和基础设施功能；建立资源共享、要素完整、军民兼用的海上试验场，为我国海洋仪器与海洋模型的研发、检验和工程化应用提供统一、优质、高效的服务。

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