中国工程院院士最新论文：我国海洋监测仪器&传感器仍在“卡脖子”

海洋监测仪器装备是关心海洋、认识海洋、经略海洋的基础保障和重要前提，虽然我国海洋监测仪器装备技术水平与业务化应用近年来进步显著，但相比海洋发达国家仍在“卡脖子”技术、关键设备研制方面存在一定差距。本文从全球海洋立体观测网、国家近海业务化观测系统、海洋环境监测探测技术与核心装备3个层面着手，辨识并剖析了我国海洋监测仪器装备的发展需求，梳理了我国海洋监测仪器装备发展现状。

海洋浮标专家、中国工程院院士王军成

我国海洋监测仪器装备发展现状

01海洋立体观测体系建设着眼海洋防灾减灾、海洋开发、海洋管控、气候变化研究等需求，建设全球海洋立体观测网，是实现海洋强国的必经之路。 “十三五”时期，我国将全球海洋立体观测网列为重大工程，自主发展由HY-1B、HY-1C、HY-1D、HY-2B、HY-2C、HY-2D、中法海洋卫星7个星座组成，覆盖海洋水色、海洋动力、海洋监视和监测三大系列的遥感卫星系统，逐步形成多种观测技术优化组合的全球海洋观测与数据获取能力。后续将开展国家海洋环境实时在线监控系统、海外观测站点建设，建成全球海洋立体观测系统，保障海洋生态、洋流、气象等观测应用。 在全球海洋观测站点覆盖方面，我国在西太平洋、东印度洋、南极、北极等海域部署观测站点，初步开展全球重点海区观测。“十三五”时期，我国积极整合国家海洋观测能力，深度参与国际Argo计划、热带太平洋观测系统计划，建设覆盖太平洋台风活跃区、厄尔尼诺区等重点区域的长期观测系统，成为国际海洋观测的重要参与国。此外，我国参与建设国际岛礁生态链和观测系统，与21世纪海上丝绸之路沿线国家共建海洋观测系统，提升对全球海洋预报观测的贡献度。

在全球海洋数据通信方面，随着北斗卫星导航系统全球服务能力的形成，基于北斗卫星通信的海上实时传输终端应用趋于成熟。天通一号卫星星座建设完毕，覆盖太平洋、印度洋大部分海域，具备基本的数据通信能力。低轨通信卫星星座有望在5~10年内进入全面应用。基于水声通信的水下无线传感器网络研究深入开展，试验结果基本达到国外主流水平。蓝绿光通信技术进入海上试验阶段，标志着无线光通信技术进入工程化应用研究阶段。

在海洋大数据管理方面，我国初步建成以气象局、海洋局等机构为主体的海洋立体观测数据业务处理平台，但管理方式、数据标准、数据共享等有待协调统一。传统海洋强国积极建设海洋数据管理及共享机制，海洋环境监测规范及标准、海洋科学数据共享平台较为完备，支撑了资料收集、组织、存储、检索、维护、共享工作有序展开;随着国际海洋资源竞争加剧，各国间的数据资料趋向利益互换、协商交换的共享模式。相较之下，我国海洋大数据管理与应用水平有待加强。

02近海业务化观测网

我国初步建立以卫星遥感、海洋浮标、岸基台站为核心，地波雷达、断面调查、志愿船等手段为辅助的近海业务化观测网，观测参数包含气象、水文、生态等环境参数，覆盖渤海、黄海、东海、南海(近岸)等海洋区域。观测参数、站位分布密度、长期连续性等基本满足海洋业务化观测需求，积累了大量资料数据，在数据处理、管理模式、体系建设等方面形成系列标准和规范。

在海洋业务观测网分布方面，根据《海洋技术进展2021》数据，在位海洋站观测系统有330多个，海岛(海上平台)自动气象站有310多个，强风观测站有200多个，船载自动气象站有100多个，业务化锚系浮标有230多套，表层漂流浮标有200多套，Argo浮标有200多套，潜标有40多套。专业河口水文站、验潮站、气象站、雷达站等也有一定规模。国家海洋调查船队常年调查的海洋标准断面调查站位有100多个，海上志愿观测船有数百艘。

“十四五”时期，围绕海洋环境安全保障能力提升，重点发展海洋自主传感器研制能力(如可移动观测的海洋生物化学原位传感器、电磁场传感器、声学智能探测仪)，高可靠智能固定观测平台技术(如高可靠性实时通信潜标、海气交互大剖面综合观测浮标)，易布放式移动观测平台技术。开展海上试验，促进新研传感器、平台、组网技术的规范化。构建自主可控的南海观测示范系统、西太平洋深海科学观测网等，发展自主同化及预报技术，实现重点海区观测水平、预报产品、预警能力的跨越式发展。开发海洋生态环境保护、治理、修复等共性关键技术，支撑海洋生态文明建设。

随着观测技术、传感设备的发展，观测需求的增加，新型传感设备进入近海业务化观测网成为常态，观测参数不断丰富、观测精度不断提高、覆盖范围不断扩展。

03自主化海洋环境探测技术装备

1.海洋观测平台技术

海洋观测平台是各类传感器的载体、全球海洋立体观测网建设的核心节点，我国已基本掌握固定海洋观测平台的核心技术。大型浮标平台技术相对成熟，规格系列化的海洋浮标产品供应市场，整体达到国际先进水平;特别是大型浮标，在极端恶劣海况下的可靠性达到国际领先水平，满足沿海海域业务化运行需求。潜标研制工作起步较晚但发展迅速，潜标观测系统关键技术基本获得突破，数据实时传输、长期在位观测、水声探测等技术进展良好。海底观测网已在东海海域进行示范运行，验证了相关技术成果。

水下、水面、空中无人航行器等移动观测平台发展迅速，有效载荷和续航能力进一步提高，技术层面进步显著;保持多样化发展态势，种类分布与国际主流同步。在无人潜器研制方面，波浪能滑翔器、无人水面艇、无人帆船、深海Argo，部分遥控水下机器人(ROV)、自主水下机器人(AUV)、载人水下机器人(HOV)、水下滑翔机等装备的整体性能接近或达到国际先进水平。深海环境中的水下导航与定位、浮力材料、水下高能量密度电池等技术则有待研究和突破。

在卫星平台方面，发展了海洋水色、海洋动力环境、海洋监视监测等系列海洋卫星，多颗卫星在轨运行。逐步建设由国产卫星主导的海洋空间监测网，基本实现全球海洋环境的逐日观测。此外，在水色遥感、海洋要素反演、卫星精密定轨等技术方向成果丰硕，支持了业务化监测应用与示范。

2.传感器技术

传感器技术是构建海洋观测能力的基础和前提。近年来，我国在海洋环境传感器技术方向进展显著，新型传感器不断涌现，促进海洋观测、监测、探测朝着实时、原位、精细、立体、智能方向发展;但对比国际先进，国产化海洋传感器技术整体水平仍处于“跟跑”阶段。在“十二五”“十三五”时期国家重点研发计划等渠道的支持下，约70%的近海、常规传感器实现国产化;但超过80%的深远海、高端传感器依赖进口，潜在的市场垄断和技术封锁不可忽视。国产原位在线生态传感器的长期可用性仍待提高。在传感器通用技术方面，受工业基础、原材料、关键元器件等制约，敏感元件、微弱光电信号检测与处理、功能材料等系列关键技术尚存差距。

我国海洋监测仪器装备发展方向

1全球海洋立体观测网建设

1.一体化、可视化、智能化

为实现我国海洋立体观测网的能力覆盖全球化，应以需求为牵引，按照顶层规划分步实施。立足现有海洋观测网络基础，逐步扩大覆盖范围，由我国近海向中、远海拓展，重点典型海域向全球海域发展，水面向水下、海底延伸。综合应用固定观测、移动观测、遥感观测等平台，形成全球立体观测平台与能力，建成“空、天、地、海”一体化、可视化、智能化的全球海洋立体观测网，为我国周边和全球的海洋科学研究、作业活动提供全维信息支持。

2.实时、精细、长期化

着眼全球海洋立体观测网建设需求，弥补传感器、平台、组网等技术短板，加强智能化、覆盖范围、观测方式、综合保障、数据共享等方面的能力建设。持续完善观测平台技术，如地球同步轨道海洋卫星观测，“天、空、海”“水面、水中、海底”智能组网观测;发展在全球大洋快速机动组网观测、在重点区域进行长期观测的技术能力，以立体观测部署多样化、静/动态设备组合化、观测规模扩大化支持“实时、精细、长期化”的海洋观测。积极参与国际合作计划，完善监测区域分级制度，逐步提升对全球海洋、气候、环境变化过程的监测及预测能力。

3.智慧应用与服务连接

观测数据与应用的纽带在于全球海洋观测数据管理。发展全球海洋观测大数据实时通信与传输技术，提升全球海洋数据实时获取与自主可控水平。延续现有观测数据业务处理平台，扩充面向国际、服务不同层级用户的智慧型终端产品，进行海洋观测大数据的集中存储、处理、分发、共享;高效利用全球海洋数据，支持防灾减灾、经济发展、气候变化、环境保护、权益维护等海洋领域应用需求。2国家近海业务化精准观测系统建设1.精细化、精准化、标准化、一体化观测构建覆盖管辖海域，“空、天、地、海”一体的业务化监测系统，提升近海业务化的精准观测能力，支持空间/时间精细化观测、多要素精准化测量。建立具有国际先进水平的区域精细化海洋监测业务系统，改善“风浪流潮”等动力要素的观测数据质量，提升观测要素精度、观测设备可靠性、观测数据准确性。同步开展观测数据协议、传感设备接口标准化建设。2.生态要素业务化观测以海洋业务观测形成的水文气象参数为基础，进一步扩展观测要素种类，如生态环境要素原位自动观测、海洋碳源/碳汇观测、生物光学测量、海水表皮层光学特性测量、海水化学成分测量、海表面大气成分测量，形成精细化的海洋监测业务系统。实现生态要素的现场自动监测，融入业务化观测体系，支持海洋生态灾害预报预警、生态治理与修复。

3.精准应用与服务

以防灾减灾、海洋生态保护等业务化观测为主导，统筹陆/海系统建设，优化站点布局和分布密度，增强对海洋动力、海洋生态等要素的精准测量能力。研发多源观测数据同化技术，形成业务化产品，提高现场长期观测的准确性、稳定性、可靠性，构建生态要素的现场自动监测能力。针对海洋环境污染防治、生态保护修复、海洋碳中和等研究与应用需求，提高海洋动力灾害预报准确率、生态灾害早期精准预警能力。

3自主化海洋环境探测技术装备研制

1.自主可控与产品化

突破海洋探测装备中的“卡脖子”技术，提高海洋环境观测仪器装备的自主可控水平，逐步实现高端、核心仪器装备的自主供给。开展海洋传感器技术工程化、标准化、产业化、成熟化研究，改善传感器的功耗、寿命、稳定性、可靠性，提高装备对复杂海况、恶劣环境的适应性。支持国内海洋仪器品牌发展，形成包括研发、设计、建造、配套、试验、运维等环节在内的全产业链产业化能力，积极参与国际市场合作与竞争。

2.原始创新与智能化

吸收并转化人工智能、智能制造、大数据等新兴技术成果，研究和应用新原理、新技术、新方法、新材料、新能源，支持海洋传感器核心技术、水下氢燃料电池等能源供给技术攻关，为原创、高端传感器及装备自主研制筑牢科技基础。注重智能化传感器及装备研发，在多功能模块设计、高精度导航定位、控制算法、信息传输、负荷搭载、浮力材料等方面进行系统突破，提高装备及应用的智能化水平。

3.协同观测与网络化

在信息感知、物联网、云计算等新兴技术的推动下，利用组网协同技术增强装备的观测和探测能力，实现海洋环境测量参数综合化、观测系统模块化、数据传输实时化、观测服务网络化。

我国海洋监测仪器装备研发重点

1高性能海洋传感器基础研发一是开展新型海洋传感器研究与应用。突破传统思路和技术惯性，探索新测量原理和方法，为全面解决海洋传感器的高灵敏度、高精度、高响应速度、高信噪比、高可靠性、高耐受环境能力、微小体积及重量等要求提供新路径。深入研究传感器阵列技术、等离子体共振技术、膜技术、生物传感技术等，完善海洋监测传感器关键技术体系。二是发展微型化、智能化、集成化、网络化传感器技术。研发具有自补偿、自校准、自诊断、远程设定、状态组合、信息存储及记忆等功能的智能化传感器，实现传感器的紧凑体积、极小质量、极低功耗，适应单功能到多功能的集成需求。

三是发展深远海、极地、极端海洋环境、特殊事件应用传感器技术。开展深海高压、极地极寒等极端恶劣环境下的新型传感测量、水密耐压、极寒环境供电等关键技术研究，自主研发海洋系统多圈层探测和观测技术装备。

2海洋环境立体监测关键共性技术

一是水下监测实时通信技术。

①大水深和全水深深海数据实时传输技术，具备深海数据长距离稳定传输、全水深实时传输节点接力及错时通信、实时观测系统小型便携、大水深/全水深实时潜标海上布放回收等能力，实现深海潜标全水深观测数据的实时回传。

②深海潜标和岸基站的双向通信技术，根据实时回传数据结果，发出指令改变设备的观测频率、分层、数据回传周期等，为科研和业务用户提供更可靠的服务。

③深海实时通信多要素、多平台组网观测技术，建立海洋多学科参数集成观测系统，增建坐底和悬浮观测平台，消除已有潜标系统在边界层、水平面上的观测盲区。

二是深远海海洋监测仪器装备能源补给技术。

①海洋可再生能源发电技术，涵盖波浪能深远海阵列式应用技术及装备，海流能规模化智能化关键技术及装备，海洋温差能发电及综合利用，漂浮式风电技术及装备，海泥电池、同位素电池、海水温差发电等。

②海底充电桩技术，在大洋海底建立电力储能装置，利用海洋能产生的电力进行转化储存，克服深海海底电力储能材料、发(充)电设备小型化等应用瓶颈。

③供电技术，通过电力转换并在海底建设充电桩泊位，为水下移动监测仪器设备充电;通过有缆供电方式，为锚系潜标、海底观测网等固定平台提供补充电力，满足水下监测设备一年以上周期的电力需求。三是海洋环境多光谱联合的多参数同步原位探测技术。①发挥光谱探测具有的非接触、免定标、快速响应等优势，开发基于多种光谱、多功能联合的探测技术，通过共享器件方式在一台设备中实现多种技术兼容并行，形成海洋多种参数的同步测量与监测能力。 ②开展多种技术的交叉验证，更精细地反映海洋实际状况，形成高通量、多参数的原位快速检测分析方法，攻关基于多光谱联合的水下原位定标、高灵敏度探测、准确定量分析、关键器件国产化等技术瓶颈。

③研发紫外深海拉曼光谱仪，开展针对深海热液系统的多光谱联合探测技术应用;发展激光诱导击穿光谱与拉曼光谱联合的系统、具有多种光谱联合探测能力的新型光谱类传感器。

3国际化海洋传感器检定校准测试体系建设一是构建与国际评价体系接轨的我国海洋传感器检定校准测试体系，形成统一的海洋监测仪器测试环境。开展海洋传感器校准测试的基础理论方法研究，发展海洋传感器新传递量值标准器、量值溯源传递体系。建立海洋传感器标定、校准实验条件并达到国际一流水平，革新海洋传感器标定与校准体系并提高检定校准及评价水平。二是借鉴国际海洋传感器评价方面的先进技术及标准，构建系统完备、运行高效的我国海洋标准化评价体系。建设计量校准检测技术支撑平台，形成海洋标准计量质量“三位一体”工作模式，体现严谨公正，达到国际领先水平。实施“海洋标准 化+”工程，推动标准融入海洋领域各细分方向，改善标准制定、修订的速度与质量。三是开展海洋监测仪器检测评价、标准化、质量控制方面的国际合作。建设全球海洋传感器计量检测技术交流合作平台，逐步扩大我国海洋传感器评价体系的国际影响力，推动海洋标准、海洋监测仪器计量校准结果的国际互认。 本文作者：王军成，孙继昌，刘岩，刘世萱，张颖颖，陈世哲，漆随平，王波，厉运周， 曹煊，高杨，郑良，信息来源：本文节选自《我国海洋监测仪器装备发展分析及展望》原刊于《中国工程科学》2023年第25卷。 您对本文有什么看法？欢迎在传感器专家网公众号本内容底下留言讨论，或在中国最大的传感社区：传感交流圈中进行交流。

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审核编辑黄宇