中國工程院院士最新論文：我國海洋監(jiān)測儀器&傳感器仍在“卡脖子”

我國海洋監(jiān)測儀器裝備發(fā)展現(xiàn)狀

著眼海洋防災(zāi)減災(zāi)、海洋開發(fā)、海洋管控、氣候變化研究等需求，建設(shè)全球海洋立體觀測網(wǎng)，是實現(xiàn)海洋強國的必經(jīng)之路。

“十三五”時期，我國將全球海洋立體觀測網(wǎng)列為重大工程，自主發(fā)展由HY-1B、HY-1C、HY-1D、HY-2B、HY-2C、HY-2D、中法海洋衛(wèi)星7個星座組成，覆蓋海洋水色、海洋動力、海洋監(jiān)視和監(jiān)測三大系列的遙感衛(wèi)星系統(tǒng)，逐步形成多種觀測技術(shù)優(yōu)化組合的全球海洋觀測與數(shù)據(jù)獲取能力。后續(xù)將開展國家海洋環(huán)境實時在線監(jiān)控系統(tǒng)、海外觀測站點建設(shè)，建成全球海洋立體觀測系統(tǒng)，保障海洋生態(tài)、洋流、氣象等觀測應(yīng)用。

在全球海洋觀測站點覆蓋方面，我國在西太平洋、東印度洋、南極、北極等海域部署觀測站點，初步開展全球重點海區(qū)觀測?！笆濉睍r期，我國積極整合國家海洋觀測能力，深度參與國際Argo計劃、熱帶太平洋觀測系統(tǒng)計劃，建設(shè)覆蓋太平洋臺風(fēng)活躍區(qū)、厄爾尼諾區(qū)等重點區(qū)域的長期觀測系統(tǒng)，成為國際海洋觀測的重要參與國。此外，我國參與建設(shè)國際島礁生態(tài)鏈和觀測系統(tǒng)，與21世紀海上絲綢之路沿線國家共建海洋觀測系統(tǒng)，提升對全球海洋預(yù)報觀測的貢獻度。

在全球海洋數(shù)據(jù)通信方面，隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)全球服務(wù)能力的形成，基于北斗衛(wèi)星通信的海上實時傳輸終端應(yīng)用趨于成熟。天通一號衛(wèi)星星座建設(shè)完畢，覆蓋太平洋、印度洋大部分海域，具備基本的數(shù)據(jù)通信能力。低軌通信衛(wèi)星星座有望在5~10年內(nèi)進入全面應(yīng)用?；谒曂ㄐ诺乃?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/481119.html">無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究深入開展，試驗結(jié)果基本達到國外主流水平。藍綠光通信技術(shù)進入海上試驗階段，標志著無線光通信技術(shù)進入工程化應(yīng)用研究階段。

在海洋大數(shù)據(jù)管理方面，我國初步建成以氣象局、海洋局等機構(gòu)為主體的海洋立體觀測數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)處理平臺，但管理方式、數(shù)據(jù)標準、數(shù)據(jù)共享等有待協(xié)調(diào)統(tǒng)一。傳統(tǒng)海洋強國積極建設(shè)海洋數(shù)據(jù)管理及共享機制，海洋環(huán)境監(jiān)測規(guī)范及標準、海洋科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺較為完備，支撐了資料收集、組織、存儲、檢索、維護、共享工作有序展開;隨著國際海洋資源競爭加劇，各國間的數(shù)據(jù)資料趨向利益互換、協(xié)商交換的共享模式。相較之下，我國海洋大數(shù)據(jù)管理與應(yīng)用水平有待加強。

02 近海業(yè)務(wù)化觀測網(wǎng)

我國初步建立以衛(wèi)星遙感、海洋浮標、岸基臺站為核心，地波雷達、斷面調(diào)查、志愿船等手段為輔助的近海業(yè)務(wù)化觀測網(wǎng)，觀測參數(shù)包含氣象、水文、生態(tài)等環(huán)境參數(shù)，覆蓋渤海、黃海、東海、南海(近岸)等海洋區(qū)域。觀測參數(shù)、站位分布密度、長期連續(xù)性等基本滿足海洋業(yè)務(wù)化觀測需求，積累了大量資料數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)處理、管理模式、體系建設(shè)等方面形成系列標準和規(guī)范。

在海洋業(yè)務(wù)觀測網(wǎng)分布方面，根據(jù)《海洋技術(shù)進展2021》數(shù)據(jù)，在位海洋站觀測系統(tǒng)有330多個，海島(海上平臺)自動氣象站有310多個，強風(fēng)觀測站有200多個，船載自動氣象站有100多個，業(yè)務(wù)化錨系浮標有230多套，表層漂流浮標有200多套，Argo浮標有200多套，潛標有40多套。專業(yè)河口水文站、驗潮站、氣象站、雷達站等也有一定規(guī)模。國家海洋調(diào)查船隊常年調(diào)查的海洋標準斷面調(diào)查站位有100多個，海上志愿觀測船有數(shù)百艘。

“十四五”時期，圍繞海洋環(huán)境安全保障能力提升，重點發(fā)展海洋自主傳感器研制能力(如可移動觀測的海洋生物化學(xué)原位傳感器、電磁場傳感器、聲學(xué)智能探測儀)，高可靠智能固定觀測平臺技術(shù)(如高可靠性實時通信潛標、海氣交互大剖面綜合觀測浮標)，易布放式移動觀測平臺技術(shù)。開展海上試驗，促進新研傳感器、平臺、組網(wǎng)技術(shù)的規(guī)范化。構(gòu)建自主可控的南海觀測示范系統(tǒng)、西太平洋深海科學(xué)觀測網(wǎng)等，發(fā)展自主同化及預(yù)報技術(shù)，實現(xiàn)重點海區(qū)觀測水平、預(yù)報產(chǎn)品、預(yù)警能力的跨越式發(fā)展。開發(fā)海洋生態(tài)環(huán)境保護、治理、修復(fù)等共性關(guān)鍵技術(shù)，支撐海洋生態(tài)文明建設(shè)。

隨著觀測技術(shù)、傳感設(shè)備的發(fā)展，觀測需求的增加，新型傳感設(shè)備進入近海業(yè)務(wù)化觀測網(wǎng)成為常態(tài)，觀測參數(shù)不斷豐富、觀測精度不斷提高、覆蓋范圍不斷擴展。

03 自主化海洋環(huán)境探測技術(shù)裝備

1.海洋觀測平臺技術(shù)

海洋觀測平臺是各類傳感器的載體、全球海洋立體觀測網(wǎng)建設(shè)的核心節(jié)點，我國已基本掌握固定海洋觀測平臺的核心技術(shù)。大型浮標平臺技術(shù)相對成熟，規(guī)格系列化的海洋浮標產(chǎn)品供應(yīng)市場，整體達到國際先進水平;特別是大型浮標，在極端惡劣海況下的可靠性達到國際領(lǐng)先水平，滿足沿海海域業(yè)務(wù)化運行需求。潛標研制工作起步較晚但發(fā)展迅速，潛標觀測系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)基本獲得突破，數(shù)據(jù)實時傳輸、長期在位觀測、水聲探測等技術(shù)進展良好。海底觀測網(wǎng)已在東海海域進行示范運行，驗證了相關(guān)技術(shù)成果。

水下、水面、空中無人航行器等移動觀測平臺發(fā)展迅速，有效載荷和續(xù)航能力進一步提高，技術(shù)層面進步顯著;保持多樣化發(fā)展態(tài)勢，種類分布與國際主流同步。在無人潛器研制方面，波浪能滑翔器、無人水面艇、無人帆船、深海Argo，部分遙控水下機器人(ROV)、自主水下機器人(AUV)、載人水下機器人(HOV)、水下滑翔機等裝備的整體性能接近或達到國際先進水平。深海環(huán)境中的水下導(dǎo)航與定位、浮力材料、水下高能量密度電池等技術(shù)則有待研究和突破。

在衛(wèi)星平臺方面，發(fā)展了海洋水色、海洋動力環(huán)境、海洋監(jiān)視監(jiān)測等系列海洋衛(wèi)星，多顆衛(wèi)星在軌運行。逐步建設(shè)由國產(chǎn)衛(wèi)星主導(dǎo)的海洋空間監(jiān)測網(wǎng)，基本實現(xiàn)全球海洋環(huán)境的逐日觀測。此外，在水色遙感、海洋要素反演、衛(wèi)星精密定軌等技術(shù)方向成果豐碩，支持了業(yè)務(wù)化監(jiān)測應(yīng)用與示范。

2.傳感器技術(shù)

傳感器技術(shù)是構(gòu)建海洋觀測能力的基礎(chǔ)和前提。近年來，我國在海洋環(huán)境傳感器技術(shù)方向進展顯著，新型傳感器不斷涌現(xiàn)，促進海洋觀測、監(jiān)測、探測朝著實時、原位、精細、立體、智能方向發(fā)展;但對比國際先進，國產(chǎn)化海洋傳感器技術(shù)整體水平仍處于“跟跑”階段。在“十二五”“十三五”時期國家重點研發(fā)計劃等渠道的支持下，約70%的近海、常規(guī)傳感器實現(xiàn)國產(chǎn)化;但超過80%的深遠海、高端傳感器依賴進口，潛在的市場壟斷和技術(shù)封鎖不可忽視。國產(chǎn)原位在線生態(tài)傳感器的長期可用性仍待提高。在傳感器通用技術(shù)方面，受工業(yè)基礎(chǔ)、原材料、關(guān)鍵元器件等制約，敏感元件、微弱光電信號檢測與處理、功能材料等系列關(guān)鍵技術(shù)尚存差距。

1 全球海洋立體觀測網(wǎng)建設(shè)

1.一體化、可視化、智能化

為實現(xiàn)我國海洋立體觀測網(wǎng)的能力覆蓋全球化，應(yīng)以需求為牽引，按照頂層規(guī)劃分步實施。立足現(xiàn)有海洋觀測網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)，逐步擴大覆蓋范圍，由我國近海向中、遠海拓展，重點典型海域向全球海域發(fā)展，水面向水下、海底延伸。綜合應(yīng)用固定觀測、移動觀測、遙感觀測等平臺，形成全球立體觀測平臺與能力，建成“空、天、地、?！币惑w化、可視化、智能化的全球海洋立體觀測網(wǎng)，為我國周邊和全球的海洋科學(xué)研究、作業(yè)活動提供全維信息支持。

2.實時、精細、長期化

著眼全球海洋立體觀測網(wǎng)建設(shè)需求，彌補傳感器、平臺、組網(wǎng)等技術(shù)短板，加強智能化、覆蓋范圍、觀測方式、綜合保障、數(shù)據(jù)共享等方面的能力建設(shè)。持續(xù)完善觀測平臺技術(shù)，如地球同步軌道海洋衛(wèi)星觀測，“天、空、?！薄八?、水中、海底”智能組網(wǎng)觀測;發(fā)展在全球大洋快速機動組網(wǎng)觀測、在重點區(qū)域進行長期觀測的技術(shù)能力，以立體觀測部署多樣化、靜/動態(tài)設(shè)備組合化、觀測規(guī)模擴大化支持“實時、精細、長期化”的海洋觀測。積極參與國際合作計劃，完善監(jiān)測區(qū)域分級制度，逐步提升對全球海洋、氣候、環(huán)境變化過程的監(jiān)測及預(yù)測能力。

3.智慧應(yīng)用與服務(wù)連接

觀測數(shù)據(jù)與應(yīng)用的紐帶在于全球海洋觀測數(shù)據(jù)管理。發(fā)展全球海洋觀測大數(shù)據(jù)實時通信與傳輸技術(shù)，提升全球海洋數(shù)據(jù)實時獲取與自主可控水平。延續(xù)現(xiàn)有觀測數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)處理平臺，擴充面向國際、服務(wù)不同層級用戶的智慧型終端產(chǎn)品，進行海洋觀測大數(shù)據(jù)的集中存儲、處理、分發(fā)、共享;高效利用全球海洋數(shù)據(jù)，支持防災(zāi)減災(zāi)、經(jīng)濟發(fā)展、氣候變化、環(huán)境保護、權(quán)益維護等海洋領(lǐng)域應(yīng)用需求。

2 國家近海業(yè)務(wù)化精準觀測系統(tǒng)建設(shè)

1.精細化、精準化、標準化、一體化觀測

構(gòu)建覆蓋管轄海域，“空、天、地、海”一體的業(yè)務(wù)化監(jiān)測系統(tǒng)，提升近海業(yè)務(wù)化的精準觀測能力，支持空間/時間精細化觀測、多要素精準化測量。建立具有國際先進水平的區(qū)域精細化海洋監(jiān)測業(yè)務(wù)系統(tǒng)，改善“風(fēng)浪流潮”等動力要素的觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量，提升觀測要素精度、觀測設(shè)備可靠性、觀測數(shù)據(jù)準確性。同步開展觀測數(shù)據(jù)協(xié)議、傳感設(shè)備接口標準化建設(shè)。

2.生態(tài)要素業(yè)務(wù)化觀測

以海洋業(yè)務(wù)觀測形成的水文氣象參數(shù)為基礎(chǔ)，進一步擴展觀測要素種類，如生態(tài)環(huán)境要素原位自動觀測、海洋碳源/碳匯觀測、生物光學(xué)測量、海水表皮層光學(xué)特性測量、海水化學(xué)成分測量、海表面大氣成分測量，形成精細化的海洋監(jiān)測業(yè)務(wù)系統(tǒng)。實現(xiàn)生態(tài)要素的現(xiàn)場自動監(jiān)測，融入業(yè)務(wù)化觀測體系，支持海洋生態(tài)災(zāi)害預(yù)報預(yù)警、生態(tài)治理與修復(fù)。

3.精準應(yīng)用與服務(wù)

以防災(zāi)減災(zāi)、海洋生態(tài)保護等業(yè)務(wù)化觀測為主導(dǎo)，統(tǒng)籌陸/海系統(tǒng)建設(shè)，優(yōu)化站點布局和分布密度，增強對海洋動力、海洋生態(tài)等要素的精準測量能力。研發(fā)多源觀測數(shù)據(jù)同化技術(shù)，形成業(yè)務(wù)化產(chǎn)品，提高現(xiàn)場長期觀測的準確性、穩(wěn)定性、可靠性，構(gòu)建生態(tài)要素的現(xiàn)場自動監(jiān)測能力。針對海洋環(huán)境污染防治、生態(tài)保護修復(fù)、海洋碳中和等研究與應(yīng)用需求，提高海洋動力災(zāi)害預(yù)報準確率、生態(tài)災(zāi)害早期精準預(yù)警能力。

3 自主化海洋環(huán)境探測技術(shù)裝備研制

1.自主可控與產(chǎn)品化

突破海洋探測裝備中的“卡脖子”技術(shù)，提高海洋環(huán)境觀測儀器裝備的自主可控水平，逐步實現(xiàn)高端、核心儀器裝備的自主供給。開展海洋傳感器技術(shù)工程化、標準化、產(chǎn)業(yè)化、成熟化研究，改善傳感器的功耗、壽命、穩(wěn)定性、可靠性，提高裝備對復(fù)雜海況、惡劣環(huán)境的適應(yīng)性。支持國內(nèi)海洋儀器品牌發(fā)展，形成包括研發(fā)、設(shè)計、建造、配套、試驗、運維等環(huán)節(jié)在內(nèi)的全產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)業(yè)化能力，積極參與國際市場合作與競爭。

2.原始創(chuàng)新與智能化

吸收并轉(zhuǎn)化人工智能、智能制造、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)成果，研究和應(yīng)用新原理、新技術(shù)、新方法、新材料、新能源，支持海洋傳感器核心技術(shù)、水下氫燃料電池等能源供給技術(shù)攻關(guān)，為原創(chuàng)、高端傳感器及裝備自主研制筑牢科技基礎(chǔ)。注重智能化傳感器及裝備研發(fā)，在多功能模塊設(shè)計、高精度導(dǎo)航定位、控制算法、信息傳輸、負荷搭載、浮力材料等方面進行系統(tǒng)突破，提高裝備及應(yīng)用的智能化水平。

3.協(xié)同觀測與網(wǎng)絡(luò)化

在信息感知、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等新興技術(shù)的推動下，利用組網(wǎng)協(xié)同技術(shù)增強裝備的觀測和探測能力，實現(xiàn)海洋環(huán)境測量參數(shù)綜合化、觀測系統(tǒng)模塊化、數(shù)據(jù)傳輸實時化、觀測服務(wù)網(wǎng)絡(luò)化。

我國海洋監(jiān)測儀器裝備研發(fā)重點

1 高性能海洋傳感器基礎(chǔ)研發(fā)

一是開展新型海洋傳感器研究與應(yīng)用。突破傳統(tǒng)思路和技術(shù)慣性，探索新測量原理和方法，為全面解決海洋傳感器的高靈敏度、高精度、高響應(yīng)速度、高信噪比、高可靠性、高耐受環(huán)境能力、微小體積及重量等要求提供新路徑。深入研究傳感器陣列技術(shù)、等離子體共振技術(shù)、膜技術(shù)、生物傳感技術(shù)等，完善海洋監(jiān)測傳感器關(guān)鍵技術(shù)體系。

二是發(fā)展微型化、智能化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化傳感器技術(shù)。研發(fā)具有自補償、自校準、自診斷、遠程設(shè)定、狀態(tài)組合、信息存儲及記憶等功能的智能化傳感器，實現(xiàn)傳感器的緊湊體積、極小質(zhì)量、極低功耗，適應(yīng)單功能到多功能的集成需求。

三是發(fā)展深遠海、極地、極端海洋環(huán)境、特殊事件應(yīng)用傳感器技術(shù)。開展深海高壓、極地極寒等極端惡劣環(huán)境下的新型傳感測量、水密耐壓、極寒環(huán)境供電等關(guān)鍵技術(shù)研究，自主研發(fā)海洋系統(tǒng)多圈層探測和觀測技術(shù)裝備。

2 海洋環(huán)境立體監(jiān)測關(guān)鍵共性技術(shù)

一是水下監(jiān)測實時通信技術(shù)。

①大水深和全水深深海數(shù)據(jù)實時傳輸技術(shù)，具備深海數(shù)據(jù)長距離穩(wěn)定傳輸、全水深實時傳輸節(jié)點接力及錯時通信、實時觀測系統(tǒng)小型便攜、大水深/全水深實時潛標海上布放回收等能力，實現(xiàn)深海潛標全水深觀測數(shù)據(jù)的實時回傳。

②深海潛標和岸基站的雙向通信技術(shù)，根據(jù)實時回傳數(shù)據(jù)結(jié)果，發(fā)出指令改變設(shè)備的觀測頻率、分層、數(shù)據(jù)回傳周期等，為科研和業(yè)務(wù)用戶提供更可靠的服務(wù)。

③深海實時通信多要素、多平臺組網(wǎng)觀測技術(shù)，建立海洋多學(xué)科參數(shù)集成觀測系統(tǒng)，增建坐底和懸浮觀測平臺，消除已有潛標系統(tǒng)在邊界層、水平面上的觀測盲區(qū)。

二是深遠海海洋監(jiān)測儀器裝備能源補給技術(shù)。

①海洋可再生能源發(fā)電技術(shù)，涵蓋波浪能深遠海陣列式應(yīng)用技術(shù)及裝備，海流能規(guī)模化智能化關(guān)鍵技術(shù)及裝備，海洋溫差能發(fā)電及綜合利用，漂浮式風(fēng)電技術(shù)及裝備，海泥電池、同位素電池、海水溫差發(fā)電等。

②海底充電樁技術(shù)，在大洋海底建立電力儲能裝置，利用海洋能產(chǎn)生的電力進行轉(zhuǎn)化儲存，克服深海海底電力儲能材料、發(fā)(充)電設(shè)備小型化等應(yīng)用瓶頸。

③供電技術(shù)，通過電力轉(zhuǎn)換并在海底建設(shè)充電樁泊位，為水下移動監(jiān)測儀器設(shè)備充電;通過有纜供電方式，為錨系潛標、海底觀測網(wǎng)等固定平臺提供補充電力，滿足水下監(jiān)測設(shè)備一年以上周期的電力需求。

三是海洋環(huán)境多光譜聯(lián)合的多參數(shù)同步原位探測技術(shù)。

①發(fā)揮光譜探測具有的非接觸、免定標、快速響應(yīng)等優(yōu)勢，開發(fā)基于多種光譜、多功能聯(lián)合的探測技術(shù)，通過共享器件方式在一臺設(shè)備中實現(xiàn)多種技術(shù)兼容并行，形成海洋多種參數(shù)的同步測量與監(jiān)測能力。

②開展多種技術(shù)的交叉驗證，更精細地反映海洋實際狀況，形成高通量、多參數(shù)的原位快速檢測分析方法，攻關(guān)基于多光譜聯(lián)合的水下原位定標、高靈敏度探測、準確定量分析、關(guān)鍵器件國產(chǎn)化等技術(shù)瓶頸。

③研發(fā)紫外深海拉曼光譜儀，開展針對深海熱液系統(tǒng)的多光譜聯(lián)合探測技術(shù)應(yīng)用;發(fā)展激光誘導(dǎo)擊穿光譜與拉曼光譜聯(lián)合的系統(tǒng)、具有多種光譜聯(lián)合探測能力的新型光譜類傳感器。

3 國際化海洋傳感器檢定校準測試體系建設(shè)

一是構(gòu)建與國際評價體系接軌的我國海洋傳感器檢定校準測試體系，形成統(tǒng)一的海洋監(jiān)測儀器測試環(huán)境。開展海洋傳感器校準測試的基礎(chǔ)理論方法研究，發(fā)展海洋傳感器新傳遞量值標準器、量值溯源傳遞體系。建立海洋傳感器標定、校準實驗條件并達到國際一流水平，革新海洋傳感器標定與校準體系并提高檢定校準及評價水平。

二是借鑒國際海洋傳感器評價方面的先進技術(shù)及標準，構(gòu)建系統(tǒng)完備、運行高效的我國海洋標準化評價體系。建設(shè)計量校準檢測技術(shù)支撐平臺，形成海洋標準計量質(zhì)量“三位一體”工作模式，體現(xiàn)嚴謹公正，達到國際領(lǐng)先水平。實施“海洋標準 化+”工程，推動標準融入海洋領(lǐng)域各細分方向，改善標準制定、修訂的速度與質(zhì)量。

三是開展海洋監(jiān)測儀器檢測評價、標準化、質(zhì)量控制方面的國際合作。建設(shè)全球海洋傳感器計量檢測技術(shù)交流合作平臺，逐步擴大我國海洋傳感器評價體系的國際影響力，推動海洋標準、海洋監(jiān)測儀器計量校準結(jié)果的國際互認。

本文作者：王軍成，孫繼昌，劉巖，劉世萱，張穎穎，陳世哲，漆隨平，王波，厲運周， 曹煊，高楊，鄭良，信息來源：本文節(jié)選自《我國海洋監(jiān)測儀器裝備發(fā)展分析及展望》原刊于《中國工程科學(xué)》2023年第25卷。

您對本文有什么看法？歡迎在傳感器專家網(wǎng)本內(nèi)容底下留言討論，或在中國最大的傳感社區(qū)：傳感交流圈中進行交流。