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。

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。

編輯：感知芯視界

海洋浮標專家、中國工程院院士王軍成

一、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。

二、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。

三、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。

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審核編輯黃宇