2024上海国际环境监测与过程控制展览会

INTENV CHINA 2024

2024年6月3-5日

上海 | 国家会展中心(虹桥)

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院士撰文:我国海洋监测仪器仍在“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

 

一、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。

 

二、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。

 

三、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。

 

来源:仪器信息网

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