海洋監測儀器裝備是關心海洋、認識海洋、經略海洋的基礎保障和重要前提，雖然我國海洋監測儀器裝備技術水平與業務化應用近年來進步顯著，但相比海洋發達國家仍在“卡脖子”技術、關鍵設備研制方面存在一定差距。本文從全球海洋立體觀測網、國家近海業務化觀測系統、海洋環境監測探測技術與核心裝備3個層面著手，辨識并剖析了我國海洋監測儀器裝備的發展需求，梳理了我國海洋監測儀器裝備發展現狀。

海洋浮標專家、中國工程院院士王軍成

我國海洋監測儀器裝備發展現狀

01海洋立體觀測體系建設著眼海洋防災減災、海洋開發、海洋管控、氣候變化研究等需求，建設全球海洋立體觀測網，是實現海洋強國的必經之路。 “十三五”時期，我國將全球海洋立體觀測網列為重大工程，自主發展由HY-1B、HY-1C、HY-1D、HY-2B、HY-2C、HY-2D、中法海洋衛星7個星座組成，覆蓋海洋水色、海洋動力、海洋監視和監測三大系列的遙感衛星系統，逐步形成多種觀測技術優化組合的全球海洋觀測與數據獲取能力。后續將開展國家海洋環境實時在線監控系統、海外觀測站點建設，建成全球海洋立體觀測系統，保障海洋生態、洋流、氣象等觀測應用。 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觀測。“十三五”時期，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計劃，建設覆蓋太平洋臺風活躍區、厄爾尼諾區等重點區域的長期觀測系統，成為國際海洋觀測的重要參與國。此外，我國參與建設國際島礁生態鏈和觀測系統，與21世紀海上絲綢之路沿線國家共建海洋觀測系統，提升對全球海洋預報觀測的貢獻度。

在全球海洋數據通信方面，隨著北斗衛星導航系統全球服務能力的形成，基于北斗衛星通信的海上實時傳輸終端應用趨于成熟。天通一號衛星星座建設完畢，覆蓋太平洋、印度洋大部分海域，具備基本的數據通信能力。低軌通信衛星星座有望在5~10年內進入全面應用。基于水聲通信的水下無線傳感器網絡研究深入開展，試驗結果基本達到國外主流水平。藍綠光通信技術進入海上試驗階段，標志著無線光通信技術進入工程化應用研究階段。

在海洋大數據管理方面，我國初步建成以氣象局、海洋局等機構為主體的海洋立體觀測數據業務處理平臺，但管理方式、數據標準、數據共享等有待協調統一。傳統海洋強國積極建設海洋數據管理及共享機制，海洋環境監測規范及標準、海洋科學數據共享平臺較為完備，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，各國間的數據資料趨向利益互換、協商交換的共享模式。相較之下，我國海洋大數據管理與應用水平有待加強。

02近海業務化觀測網

我國初步建立以衛星遙感、海洋浮標、岸基臺站為核心，地波雷達、斷面調查、志愿船等手段為輔助的近海業務化觀測網，觀測參數包含氣象、水文、生態等環境參數，覆蓋渤海、黃海、東海、南海(近岸)等海洋區域。觀測參數、站位分布密度、長期連續性等基本滿足海洋業務化觀測需求，積累了大量資料數據，在數據處理、管理模式、體系建設等方面形成系列標準和規范。

在海洋業務觀測網分布方面，根據《海洋技術進展2021》數據，在位海洋站觀測系統有330多個，海島(海上平臺)自動氣象站有310多個，強風觀測站有200多個，船載自動氣象站有100多個，業務化錨系浮標有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。專業河口水文站、驗潮站、氣象站、雷達站等也有一定規模。國家海洋調查船隊常年調查的海洋標準斷面調查站位有100多個，海上志愿觀測船有數百艘。

“十四五”時期，圍繞海洋環境安全保障能力提升，重點發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原位傳感器、電磁場傳感器、聲學智能探測儀)，高可靠智能固定觀測平臺技術(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。開展海上試驗，促進新研傳感器、平臺、組網技術的規范化。構建自主可控的南海觀測示范系統、西太平洋深海科學觀測網等，發展自主同化及預報技術，實現重點海區觀測水平、預報產品、預警能力的跨越式發展。開發海洋生態環境保護、治理、修復等共性關鍵技術，支撐海洋生態文明建設。

隨著觀測技術、傳感設備的發展，觀測需求的增加，新型傳感設備進入近海業務化觀測網成為常態，觀測參數不斷豐富、觀測精度不斷提高、覆蓋范圍不斷擴展。

03自主化海洋環境探測技術裝備

1.海洋觀測平臺技術

海洋觀測平臺是各類傳感器的載體、全球海洋立體觀測網建設的核心節點，我國已基本掌握固定海洋觀測平臺的核心技術。大型浮標平臺技術相對成熟，規格系列化的海洋浮標產品供應市場，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先水平，滿足沿海海域業務化運行需求。潛標研制工作起步較晚但發展迅速，潛標觀測系統關鍵技術基本獲得突破，數據實時傳輸、長期在位觀測、水聲探測等技術進展良好。海底觀測網已在東海海域進行示范運行，驗證了相關技術成果。

水下、水面、空中無人航行器等移動觀測平臺發展迅速，有效載荷和續航能力進一步提高，技術層面進步顯著;保持多樣化發展態勢，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。深海環境中的水下導航與定位、浮力材料、水下高能量密度電池等技術則有待研究和突破。

在衛星平臺方面，發展了海洋水色、海洋動力環境、海洋監視監測等系列海洋衛星，多顆衛星在軌運行。逐步建設由國產衛星主導的海洋空間監測網，基本實現全球海洋環境的逐日觀測。此外，在水色遙感、海洋要素反演、衛星精密定軌等技術方向成果豐碩，支持了業務化監測應用與示范。

2.傳感器技術

傳感器技術是構建海洋觀測能力的基礎和前提。近年來，我國在海洋環境傳感器技術方向進展顯著，新型傳感器不斷涌現，促進海洋觀測、監測、探測朝著實時、原位、精細、立體、智能方向發展;但對比國際先進，國產化海洋傳感器技術整體水平仍處于“跟跑”階段。在“十二五”“十三五”時期國家重點研發計劃等渠道的支持下，約70%的近海、常規傳感器實現國產化;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封鎖不可忽視。國產原位在線生態傳感器的長期可用性仍待提高。在傳感器通用技術方面，受工業基礎、原材料、關鍵元器件等制約，敏感元件、微弱光電信號檢測與處理、功能材料等系列關鍵技術尚存差距。

我國海洋監測儀器裝備發展方向

1全球海洋立體觀測網建設

1.一體化、可視化、智能化

為實現我國海洋立體觀測網的能力覆蓋全球化，應以需求為牽引，按照頂層規劃分步實施。立足現有海洋觀測網絡基礎，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展，水面向水下、海底延伸。綜合應用固定觀測、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、海”一體化、可視化、智能化的全球海洋立體觀測網，為我國周邊和全球的海洋科學研究、作業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建設需求，彌補傳感器、平臺、組網等技術短板，加強智能化、覆蓋范圍、觀測方式、綜合保障、數據共享等方面的能力建設。持續完善觀測平臺技術，如地球同步軌道海洋衛星觀測，“天、空、海”“水面、水中、海底”智能組網觀測;發展在全球大洋快速機動組網觀測、在重點區域進行長期觀測的技術能力，以立體觀測部署多樣化、靜/動態設備組合化、觀測規模擴大化支持“實時、精細、長期化”的海洋觀測。積極參與國際合作計劃，完善監測區域分級制度，逐步提升對全球海洋、氣候、環境變化過程的監測及預測能力。

3.智慧應用與服務連接

觀測數據與應用的紐帶在于全球海洋觀測數據管理。發展全球海洋觀測大數據實時通信與傳輸技術，提升全球海洋數據實時獲取與自主可控水平。延續現有觀測數據業務處理平臺，擴充面向國際、服務不同層級用戶的智慧型終端產品，進行海洋觀測大數據的集中存儲、處理、分發、共享;高效利用全球海洋數據，支持防災減災、經濟發展、氣候變化、環境保護、權益維護等海洋領域應用需求。2國家近海業務化精準觀測系統建設1.精細化、精準化、標準化、一體化觀測構建覆蓋管轄海域，“空、天、地、海”一體的業務化監測系統，提升近海業務化的精準觀測能力，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域精細化海洋監測業務系統，改善“風浪流潮”等動力要素的觀測數據質量，提升觀測要素精度、觀測設備可靠性、觀測數據準確性。同步開展觀測數據協議、傳感設備接口標準化建設。2.生態要素業務化觀測以海洋業務觀測形成的水文氣象參數為基礎，進一步擴展觀測要素種類，如生態環境要素原位自動觀測、海洋碳源/碳匯觀測、生物光學測量、海水表皮層光學特性測量、海水化學成分測量、海表面大氣成分測量，形成精細化的海洋監測業務系統。實現生態要素的現場自動監測，融入業務化觀測體系，支持海洋生態災害預報預警、生態治理與修復。

3.精準應用與服務

以防災減災、海洋生態保護等業務化觀測為主導，統籌陸/海系統建設，優化站點布局和分布密度，增強對海洋動力、海洋生態等要素的精準測量能力。研發多源觀測數據同化技術，形成業務化產品，提高現場長期觀測的準確性、穩定性、可靠性，構建生態要素的現場自動監測能力。針對海洋環境污染防治、生態保護修復、海洋碳中和等研究與應用需求，提高海洋動力災害預報準確率、生態災害早期精準預警能力。

3自主化海洋環境探測技術裝備研制

1.自主可控與產品化

突破海洋探測裝備中的“卡脖子”技術，提高海洋環境觀測儀器裝備的自主可控水平，逐步實現高端、核心儀器裝備的自主供給。開展海洋傳感器技術工程化、標準化、產業化、成熟化研究，改善傳感器的功耗、壽命、穩定性、可靠性，提高裝備對復雜海況、惡劣環境的適應性。支持國內海洋儀器品牌發展，形成包括研發、設計、建造、配套、試驗、運維等環節在內的全產業鏈產業化能力，積極參與國際市場合作與競爭。

2.原始創新與智能化

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

3.協同觀測與網絡化

在信息感知、物聯網、云計算等新興技術的推動下，利用組網協同技術增強裝備的觀測和探測能力，實現海洋環境測量參數綜合化、觀測系統模塊化、數據傳輸實時化、觀測服務網絡化。

我國海洋監測儀器裝備研發重點

1高性能海洋傳感器基礎研發一是開展新型海洋傳感器研究與應用。突破傳統思路和技術慣性，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、高響應速度、高信噪比、高可靠性、高耐受環境能力、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、等離子體共振技術、膜技術、生物傳感技術等，完善海洋監測傳感器關鍵技術體系。二是發展微型化、智能化、集成化、網絡化傳感器技術。研發具有自補償、自校準、自診斷、遠程設定、狀態組合、信息存儲及記憶等功能的智能化傳感器，實現傳感器的緊湊體積、極小質量、極低功耗，適應單功能到多功能的集成需求。

三是發展深遠海、極地、極端海洋環境、特殊事件應用傳感器技術。開展深海高壓、極地極寒等極端惡劣環境下的新型傳感測量、水密耐壓、極寒環境供電等關鍵技術研究，自主研發海洋系統多圈層探測和觀測技術裝備。

2海洋環境立體監測關鍵共性技術

一是水下監測實時通信技術。

①大水深和全水深深海數據實時傳輸技術，具備深海數據長距離穩定傳輸、全水深實時傳輸節點接力及錯時通信、實時觀測系統小型便攜、大水深/全水深實時潛標海上布放回收等能力，實現深海潛標全水深觀測數據的實時回傳。

②深海潛標和岸基站的雙向通信技術，根據實時回傳數據結果，發出指令改變設備的觀測頻率、分層、數據回傳周期等，為科研和業務用戶提供更可靠的服務。

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

二是深遠海海洋監測儀器裝備能源補給技術。

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

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

③供電技術，通過電力轉換并在海底建設充電樁泊位，為水下移動監測儀器設備充電;通過有纜供電方式，為錨系潛標、海底觀測網等固定平臺提供補充電力，滿足水下監測設備一年以上周期的電力需求。三是海洋環境多光譜聯合的多參數同步原位探測技術。①發揮光譜探測具有的非接觸、免定標、快速響應等優勢，開發基于多種光譜、多功能聯合的探測技術，通過共享器件方式在一臺設備中實現多種技術兼容并行，形成海洋多種參數的同步測量與監測能力。 ②開展多種技術的交叉驗證，更精細地反映海洋實際狀況，形成高通量、多參數的原位快速檢測分析方法，攻關基于多光譜聯合的水下原位定標、高靈敏度探測、準確定量分析、關鍵器件國產化等技術瓶頸。

③研發紫外深海拉曼光譜儀，開展針對深海熱液系統的多光譜聯合探測技術應用;發展激光誘導擊穿光譜與拉曼光譜聯合的系統、具有多種光譜聯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一是構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，形成統一的海洋監測儀器測試環境。開展海洋傳感器校準測試的基礎理論方法研究，發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及標準，構建系統完備、運行高效的我國海洋標準化評價體系。建設計量校準檢測技術支撐平臺，形成海洋標準計量質量“三位一體”工作模式，體現嚴謹公正，達到國際領先水平。實施“海洋標準 化+”工程，推動標準融入海洋領域各細分方向，改善標準制定、修訂的速度與質量。三是開展海洋監測儀器檢測評價、標準化、質量控制方面的國際合作。建設全球海洋傳感器計量檢測技術交流合作平臺，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、海洋監測儀器計量校準結果的國際互認。 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：本文節選自《我國海洋監測儀器裝備發展分析及展望》原刊于《中國工程科學》2023年第25卷。 您對本文有什么看法？歡迎在傳感器專家網公眾號本內容底下留言討論，或在中國最大的傳感社區：傳感交流圈中進行交流。

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審核編輯黃宇