柳存根等：海洋水下立体观测技术装备发展研究

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系列论文全面介绍了国际水下三维观测系统的发展情况。例如，相关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部分：海底观测网、水下移动观测平台及传感器、水下立体观测信息系统。本文主要围绕前面两个部分展开研究，论述发展需求，在概要梳理国内外领域进展的基础上总结发展趋势、凝练存在问题、分析关键技术，据此提出领域发展建议。

二、海洋水下立体观测技术装备的需求分析

⒈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。

⒉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。

⒊保障海上国防安全

海洋水下三维观测技术和设备的发展是海洋国防的必然要求。中国海岸线长约18000公里，有8个海洋邻国，一些国家与中国存在领土/领海争端。一些国家在第一岛链建立了潜艇声学监测网络系统，这对中国海军装备的安全进入构成了威胁。为避免水下空间的“门户开放”和“单向透明”，自主建设水下监测系统和研制水下监测设备是我国海上国防建设的必然需要。

海洋水下三维观测技术和设备具有长期、实时、不间断、大规模的特点，支持水下监测系统持续、可靠地发挥作用，保护领海权益不受侵犯。

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三、国内外海洋水下立体观测技术装备的

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。

⒈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。

⒉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。

⑴无人遥控潜器

20世纪60年代，许多国际海洋科学调查和海洋资源勘探活动都是通过遥控无人水下观测平台进行的。在大水深下长时间工作的能力是主要原因。ROV在人工控制的海洋深处和海底危险区域执行各种命令和操作；除了观测的基本任务外，水下采样、安装、维护等操作也可以由机械手进行，具有独特的优势。ROV技术成熟的国家包括美国、俄罗斯、日本和法国，它们都有能力开发6000m及以下深度的ROV；更大深度的ROV仍处于试验阶段，尚未推广应用。

2020年6月，中科院沈阳自动化研究所研制的“海斗-1”ROV完成了10907米的潜水深度，打破了潜水器潜水深度和作业深度的国内纪录，填补了10000米作业无人潜水器的空白。上海交通大学研制的“海马”和“海龙”遥控潜水器的工作水深分别为4500米和6000米；中国715造船研究所开发的最终ROV的工作水深为5000米。中国已进入6000米遥控潜水器国家行列。

⑵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。

⑶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6000m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。

⑷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300～7000m、续航时间达40d，航程超过1000km。天津大学研制的“海燕”水下滑翔器，工作水深为3620m、续航时间达30d，航程超过1000km。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。

⒊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±0.003ms/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。

⒋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、我国海洋水下立体观测技术装备发展面临的问题

⒈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、测试和应用不断完善。

⒉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。

⒊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、海洋水下立体观测技术装备重点发展方向

海洋水下立体观测系统装备的建设，除了有更为成熟的海洋观测平台以外，搭载在海洋平台上的海洋传感器阵列成为海洋水下立体观测的关键。不同类型的海洋水下观测平台，在搭载海洋观测探测仪器、海底取样等水下作业装备之后才能完整构成装备体系，也才具备充分发挥综合技术体系效能的可能性。发展可供潜水器搭载的各类传感器、探测装置、通用/专用作业工具，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，我国尽管在传统海洋观测传感技术方面取得明显进展、逐步赶上国际先进水平，但在新型传感器、特殊功能传感器方面依然面临差距，甚至出现了差距扩大的现象，如高精准度CTD剖面仪、投弃式温深传感器、投弃式温盐深传感器、声学多普勒流速剖面仪、相控阵声学海流剖面仪等。应努力摆脱“空壳建造、装备总装”的现状，改进海洋水下观测探测装备综合性能，争取关键传感器的全面国产化；跟踪移动平台、组网观测等平台技术研究热点的同时，及时谋划并有效应对未来传感器小型化、低功耗、防污损的挑战。

⒈原位生物化学传感器

物理海洋学传感器已经面世数十年，国际上测量电导率、温度、深度的传感器也实现了高度成熟和小型化，但生物地球化学、生物海洋学类的观测传感器进展明显滞后。除了监测可食用鱼类以外，为实现海洋生态系统的可持续发展，有必要理解和掌握从浮游生物到鲸鱼在内的整个海洋生物链状态。目前国内外在海洋生物学的监测技术方面都不够成熟，这是我国海洋生物传感器研究进步的良好机遇。国际上生物监测逐步获得重视，化学测量新技术（如硝酸盐、磷酸盐）也在发展，在不远的将来有望成熟到可以持续利用的程度。我国应与国际同步，重视和发展相关类型的传感器，如原位营养传感器、220nm紫外光谱测量仪、原位自主硅酸盐电化学传感器、原位电化学硝酸盐传感器等。

⒉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。

⒊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。

六、对策建议

⒈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。

⒉统筹建设海洋水下立体观测的大数据处理与共享中心

海洋观测耗资大、周期长、涉及多方，多单位甚至多国联合实施相关项目是常态。一方面，围绕海洋科学的重大问题，基于通用的海洋观测平台，实现不同学科背景、不同学术思想和不同层次的研究力量协同，旨在以学科交叉的形式高效推进领域发展；另一方面，共享海洋观测平台可显著提高资源利用效率，更好促进观测装备及关键传感器的技术进步与更新。随着观测技术装备的不断发展，海量数据不断积累，数据处理、集成、产品化供应、科学管理成为迫切任务。尽快落实海洋观测平台共用、数据共享，破解国内科研人员只能与国外进行数据共享、一些国内产生的数据只能通过国外途径来获取等不良现象，扭转涉海数据自我封闭、自我管理的局面，是主管部门和科研人员共同的责任。

建议将统筹建设海洋水下立体观测的大数据处理与共享中心提上议事日程，开展领域建设统筹规划、构建数据共享制度；充分利用并发挥好现有国家重大科技基础设施的作用，支持发展海洋水下立体观测技术装备的核心关键技术，扎实提高核心装备、关键传感器、观测装备的国产化水平，在海洋环境监测与装备领域更快进入世界先进行列。

⒊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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