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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。 * \% {* f7 G7 ]& @6 a
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我国海洋监测仪器装备发展方向
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$ G* y0 |. B$ H2 g 全球海洋立体观测网建设 / R; y7 F% [7 C2 ~ n( g# u' ^
1.一体化、可视化、智能化
( p3 h( _' O3 k0 [6 b( Q 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。 ' @% y9 B7 B- k% V1 m: ] B
2.实时、精细、长期化
@2 f7 ]! k$ c+ \! N" P 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。 ! t# l5 y% p0 N$ ^7 L! U/ j$ U
3.智慧应用与服务连接 - I. [+ l. q J3 D
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。 , B: l& R. v% ^2 D( j
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; m6 y% ^9 B* E 国家近海业务化精准观测系统建设
. ]. N c# v1 I2 } 1.精细化、精准化、标准化、一体化观测 8 t) t+ v- { i( _+ s
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。
9 S+ o& A$ e- y/ E8 N 2.生态要素业务化观测
/ a: f0 k) W" q. l! L5 a 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。 " j$ U# j6 J8 ]9 _
3.精准应用与服务 / c. i! }9 t( }7 t
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。
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自主化海洋环境探测技术装备研制
1 l, K4 B6 |+ S# z' l 1.自主可控与产品化
9 C5 @1 }! k! l2 V# H 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。 , b1 j2 k0 y1 J7 Y6 [; @
2.原始创新与智能化
3 Q( R2 D' Z4 i3 B 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。 % L0 o" a# \ q) s+ p! F0 f: [
3.协同观测与网络化 $ U! v9 r/ k+ H$ N6 Z
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。
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" ]# I( C- f4 t- k2 Y0 B: f' c8 r 我国海洋监测仪器装备研发重点 / M2 U) A- j5 O
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; b6 l# c+ U. p0 w' a 高性能海洋传感器基础研发
, x) [2 c M, h/ r; c5 y+ H 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。
3 M' c9 D9 z7 C" _ 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。 - ]. q( m: B( Y$ T+ x d
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。 % V% `( x) \8 u2 V$ P
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海洋环境立体监测关键共性技术 ; s% ]4 {4 a3 ]6 Y1 ^) |9 T
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。
S/ l$ @: E, O! y! J7 n ? 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。
; z& q+ \; o* q" W6 c* z 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。 - B a* O, L" {6 }7 |
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) C3 {# X( k" z 国际化海洋传感器检定校准测试体系建设
6 l( N1 ]& @3 t/ f5 F8 r4 m7 i 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。
6 E% Q8 {# G9 o, E2 W 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。 5 x2 g* X6 Y8 t& r" g7 n! g- S
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。
1 a" n% j! P) y1 w' o6 Q1 { v 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 3 g+ v) U3 A( ~9 p! B H: H- e# M3 e
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 4 T3 H7 ~8 U# q$ w' |
排版 | 数智海洋公众号 转载请礼貌注明排版及原刊来源  3 C5 t S, L4 i4 {1 E0 M
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专家观点 | 我国海洋监测仪器装备发展现状
: t7 z) q( e) ?3 N 未来海洋平台现场监测技术的发展方向
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