海洋環(huán)境監(jiān)測裝備技術發(fā)展綜述

張云海

（中國船舶重工集團公司第七一〇研究所，湖北宜昌443003）

0 引言

隨著陸地資源的不斷減少，人類把目光轉向藍色海洋，保證海上安全、維護海洋權益以及開發(fā)海洋資源、發(fā)展藍色經(jīng)濟成為21世紀海洋強國創(chuàng)新發(fā)展的共識。我國一貫重視海洋事業(yè)發(fā)展，十八大已明確提出了“提高海洋資源開發(fā)能力，發(fā)展海洋經(jīng)濟，保護海洋生態(tài)環(huán)境，堅決維護國家海洋權益，建設海洋強國”戰(zhàn)略[1]。2016年5月，習主席在“科技三會”講話中更進一步指出“深海蘊藏著地球上遠未認知和開發(fā)的寶藏，但要得到這些寶藏，就必須在深海進入、深海探測、深海開發(fā)方面掌握關鍵技術”?！肮び破涫拢叵壤淦鳌?，走向深海，裝備和技術必須先行?！吨袊圃?025》將海洋工程裝備和高技術船舶作為重點發(fā)展的十大領域之一，就是為了更好地為海洋強國建設服務。毋庸置疑，只有擁有能夠廣泛進入深海環(huán)境、全面感知海洋信息的各類海洋監(jiān)測裝備和技術，才能更好地實現(xiàn)對海洋認知的“數(shù)字化”、“透明化”，才能更好的經(jīng)略海洋，為建設一個和平安全、和諧發(fā)展、和睦文明、和風麗日的海洋大家園提供技術支撐。門捷列夫說過“科學是從測量開始的”[2]，海洋科技工作者必須緊緊圍繞建設海洋強國的戰(zhàn)略目標，著眼國家“一帶一路”戰(zhàn)略實施和海上軍事斗爭全局，發(fā)揚舍我其誰的創(chuàng)新精神和精益求精的工匠精神，在海洋環(huán)境監(jiān)測裝備技術領域不斷突破、自主創(chuàng)新、主動作為，為實現(xiàn)海洋環(huán)境要素立體全面感知、信息實時互聯(lián)、數(shù)據(jù)廣泛共享、應用服務安全可控而不懈奮斗。

1 海洋環(huán)境監(jiān)測裝備體系框架

海洋環(huán)境監(jiān)測的基本內(nèi)涵是指利用技術手段，實時、準確、全面地獲取各種典型自然環(huán)境、目標環(huán)境、生態(tài)環(huán)境、資源環(huán)境等要素時空分布、變化過程的測量活動，其目的就是探索奧秘，發(fā)現(xiàn)變化規(guī)律，實現(xiàn)海洋“數(shù)字化”。海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)則是指覆蓋一定范圍海域、可長期自主工作，能夠實時獲取海洋綜合信息的各類遙感遙測系統(tǒng)、沿岸臺站雷達系統(tǒng)、無人平臺系統(tǒng)和船載走航測量系統(tǒng)以及環(huán)境信息實時獲取、安全傳輸、科學處理、決策應用的信息網(wǎng)絡平臺系統(tǒng)等，其中觀測平臺和傳感器是體系基礎。依托于海洋環(huán)境監(jiān)測裝備體系建立的信息科學與海洋空間技術的多分辨率、多時相、多類型的動態(tài)海洋時空大數(shù)據(jù)體系即“數(shù)字海洋”，就是可以把海洋自然形態(tài)、相關社會經(jīng)濟活動狀態(tài)和發(fā)展趨勢數(shù)字化、可視化、網(wǎng)絡化的系統(tǒng)工程，其應用方向主要是面向國防安全、經(jīng)濟發(fā)展、管理決策、科學研究、社會公眾服務等[3]。

表1 海洋環(huán)境監(jiān)測裝備技術類別Table 1 Technology category of marine environment monitoring equipment

表1 （續(xù)）

表2 海洋環(huán)境監(jiān)測裝備體系Table 2 Marine environment monitoring equipment system

表2 （續(xù)）

海洋環(huán)境監(jiān)測裝備體系主要包含四個技術類別，即海洋科學基礎技術、感知技術、通信技術和通用保障技術，涉及海洋科學研究、先進材料應用及工藝、高精度傳感、平臺載體、通信導航、海上組網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析和海洋信息安全等技術領域，每個技術領域包括若干技術方向，具體見表1。

海洋環(huán)境監(jiān)測裝備體系按照功能屬性可分為綜合感知、通信導航、動力能源和通用保障四大類別裝備，相關裝備類型及名稱見表2。

2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

世界各沿海國家都在積極發(fā)展從空間、陸地、水面、水下對海洋環(huán)境進行立體監(jiān)測的高新海洋技術，裝備應用已由單平臺觀測發(fā)展到多平臺、多系統(tǒng)立體網(wǎng)絡監(jiān)控，監(jiān)測要素從單一對象向著自然環(huán)境、目標環(huán)境、海洋活動等多要素集成方向發(fā)展，數(shù)據(jù)傳輸由自容儲存向實時通信發(fā)展，形成了滿足現(xiàn)場與遙感、定點和機動、業(yè)務化與應急保障相結合的全海深、全維度、全時域各種監(jiān)測需求，在海洋開發(fā)利用、防災與減災、海洋環(huán)境保護、國防安全等方面起到很好的信息支撐保障作用。

美國始終保持在海洋監(jiān)測裝備技術方面的領先地位，20世紀80年代起，海洋監(jiān)測開始應用無線電、衛(wèi)星傳輸?shù)膶崟r數(shù)據(jù)，代表性的監(jiān)測系統(tǒng)主要有美國全球海洋觀測系統(tǒng)、東北太平洋的“海王星”實時觀測網(wǎng)、緬因灣海洋觀測系統(tǒng)、墨西哥灣沿岸海洋觀測系統(tǒng)等；以防災減災、安全航行、保護和重整健康的海洋系統(tǒng)為目標，主要測量氣象、水文、生態(tài)以及目標等相關資料，可精確地預報風暴潮、海浪等自然災害，跟蹤魚群的繁衍生長及遷徙情況，監(jiān)測跟蹤陸源污染物，預測赤潮的發(fā)生。日本深受海洋災害影響，對海洋環(huán)境監(jiān)測技術的發(fā)展極為重視，20世紀70年代以后，逐步建立完善了海洋監(jiān)測警戒體系。因此日本海洋監(jiān)測裝備的發(fā)展處于世界領先水平，其監(jiān)測儀器的輕量化、小型化、高性價比等方面取得了顯著成績，水文氣象傳感器及相應監(jiān)測系統(tǒng)在國際市場占有較大份額。歐盟各國為在高技術領域增強與美、日等發(fā)達國家的競爭力，1985年開始實施“尤里卡計劃”，其中一項重要任務就是進一步加強企業(yè)和科技在開發(fā)海洋中的作用。2005年建成“歐洲海洋觀測網(wǎng)”，與潛標、浮標和近岸觀測系統(tǒng)銜接，形成了較為完善的海洋綜合觀測體系[4]。

圖1 “九頭鳥”實（定）時傳輸潛標Fig.1 Hydra Real-time／Timed Transmission Submersible Buoy

圖2 “海鱘”水下滑翔機Fig.2 Sturgeon Sea Glider

海洋是沿海國家的重要安全屏障，海戰(zhàn)場環(huán)境安全保障建設在一定程度上決定著國家海上安全，因此近岸及港口要地水下安防技術與裝備發(fā)展倍受各國重視。為有效應對來自海上威脅，主要海洋國家紛紛規(guī)劃和建設了軍民兼用海洋監(jiān)測警戒系統(tǒng)，采用多種探測手段，有效監(jiān)測、跟蹤潛艇、水下蛙人和水下目標，監(jiān)視記錄他國水面艦船活動情況，以維護海防安全。不僅如此，美國還一直開展全球海戰(zhàn)場環(huán)境信息收集，以鞏固其海上軍事霸主地位。為了獲得全球海洋環(huán)境信息資料，積極開展各類水下機動平臺裝備和自動部署潛標研究，利用各種手段獲取別國近岸海洋環(huán)境信息。20世紀80年代后期研制部署了分布式固定監(jiān)視系統(tǒng)和艦載拖曳陣監(jiān)視系統(tǒng)構成的綜合水下監(jiān)視系統(tǒng)；90年代，利用無線傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展，美國將水下信息感知的重點聚焦到網(wǎng)絡化反潛預警方面，“廣域海網(wǎng)”、“近海水下持續(xù)監(jiān)視網(wǎng)絡”、“可部署自動分布式系統(tǒng)”就是其中的代表。隨著中國海軍實力的增強和潛艇活動的增加，21世紀初美軍建立了以監(jiān)視中國潛艇活動的新型水聲監(jiān)測系統(tǒng)，2013年美、日在與那國島至釣魚島之間（約150 km）和巴士海峽都建成了“超大規(guī)模水下監(jiān)測系統(tǒng)”，構建近岸及關鍵水道水下警戒體系。

我國從80年代中期開始進行海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的建設[5]，目前已初步形成了一個從監(jiān)測（觀測）、數(shù)據(jù)傳輸、分析預報、產(chǎn)品分發(fā)等環(huán)節(jié)組成的業(yè)務化系統(tǒng)[6]。新世紀以來，我國海洋技術和裝備發(fā)展取得了長足進步，突破了ADCP、ACCP、數(shù)字化高頻地波雷達、海洋環(huán)境和目標綜合觀測相控陣雷達、合成孔徑聲吶等一批感知傳感器關鍵技術，國產(chǎn)傳感器的性能水平基本達到業(yè)務化使用要求；發(fā)展了一批長期實時監(jiān)測裝備系統(tǒng)，包括實時傳輸潛標、海洋環(huán)境多層監(jiān)測浮標、海床基自動監(jiān)測系統(tǒng)以及中遠程高頻地波雷達等，都獲得了集成應用和示范運行，具備了對局部海洋環(huán)境立體綜合觀監(jiān)測能力[7]。

海上目標感知方面，我國已建立了以衛(wèi)星、雷達為主的水面、空中目標監(jiān)視體系和以重要港口、航道、海峽的水下警戒為主的水下目標探測系統(tǒng)。海洋離岸數(shù)據(jù)和信息實時傳輸通信技術應用越來越成熟，可靠。在定點平臺觀測方面，中船重工集團、國家海洋局以及中科院等是我國的主要研究單位，長期以來積累了豐富的工程實踐經(jīng)驗，通過技術創(chuàng)新，自主研發(fā)，形成了從近岸到深遠海各種類型的浮標、潛標、海床基立體監(jiān)測裝備和儀器，為構建我國海洋環(huán)境立體綜合觀監(jiān)測體系奠定了堅實的技術基礎。在移動觀測平臺方面，我國從上個世紀50年代開始魚雷（軍用AUV）研究，80年代開始研制ROV式滅雷具（軍用ROV），1985年研制出民用“HR-01”ROV，1994年研制出“探索者”CR-01型AUV，實現(xiàn)從有纜到無纜的進步。目前中船重工七一〇所研制出“海神”系列化AUV，其中巨型水下運載AUV，最大續(xù)航力2 000 km（5 kn），負載能力5 t，已經(jīng)過海上實戰(zhàn)化檢驗。在ROV方面，我國自主“海龍2號”，可在4 500 m海底高溫和復雜地形的特殊環(huán)境下開展海洋調(diào)查和作業(yè)[8]。

我國的水下滑翔機研制起步于本世紀初，國家“863計劃”、海洋公益專項、總裝預研課題分別從不同需求方向支持了國內(nèi)多家單位開展水下滑翔機技術研究，形成了大油囊驅動型、溫差能驅動型、混合推進型、聲學觀測型等多類型水下滑翔機產(chǎn)品[8]。目前較成熟的三型普通水下滑翔機“海燕”、“海翼”和“海鱘”均具備上千公里的航行能力，最大潛深超過8 km，最大水平平均航速達到1.5 kn，部分指標處于國際先進水平。在國家“863計劃”支持下，我國還研制出了兩型波浪滑翔器，開展了海上功能和性能試驗，通過了項目驗收。其中“海鰩”波浪滑翔器歷時92天，航行里程達3 242 km，其航速、控位精度等多項性能指標接近國際先進水平。海洋監(jiān)測裝備國內(nèi)優(yōu)勢單位名單見表3。

表3 國內(nèi)海洋監(jiān)測裝備優(yōu)勢單位及產(chǎn)品（部分）Table 3 Competitive companies and products in China（partially listed）

圖3 巨型“海神”AUVFig.3 Giant Proteus AUV

3 海洋監(jiān)測裝備技術需求及趨勢分析

黨和國家歷代中央領導人一直高度重視海洋戰(zhàn)略發(fā)展，特別是十八大以來提出了一系列海洋強國戰(zhàn)略的具體謀劃，一是強調(diào)要堅決維護我國領土主權和海洋權益，保障海上國防安全；二是注重經(jīng)略海洋，提升海洋資源開發(fā)能力，發(fā)展海洋經(jīng)濟，保護海洋生態(tài)環(huán)境，發(fā)展海洋科學技術和裝備建設；三是謀劃引領21世紀海上絲綢之路建設，主導建設和諧之海、友誼之海、合作之海，為實現(xiàn)中華民族偉大復興的中國夢奠定堅實廣泛基礎[1]。海洋科學是一門主要基于觀測的科學。海洋科學與海洋探測技術兩方面的發(fā)展相輔相成，構成了當代探索海洋、認知海洋和利用海洋的主旋律[9]。實踐表明，只有全面認知掌握海洋環(huán)境各類信息要素，才能擁有打開海洋資源寶庫的金鑰匙和保障國家安全的殺手锏[10]。因此，海洋監(jiān)測裝備技術的發(fā)展必須緊跟國家海洋強國戰(zhàn)略需求，順應全球海洋科技革命和產(chǎn)業(yè)變革大勢，將現(xiàn)代信息技術的創(chuàng)新成果與海洋裝備和海洋活動深度結合，著眼于增強國家海洋安全保障能力、提升海洋資源開發(fā)水平、提高海洋防災減災能力和高效建設21世紀海上絲綢之路。

現(xiàn)代海洋監(jiān)測裝備及傳感器的發(fā)展已充分融合了當代科學技術成就，微電腦、集成電路和儲存芯片及高能量電池的發(fā)展，促使傳感器的體積越來越小，觀測數(shù)據(jù)質量越來越好。另外，串口通信、磁耦合傳輸、水聲通信等技術的應用為多傳感器的集成和綜合觀測創(chuàng)造了前提，集成化、高效率、長時效、全覆蓋、數(shù)字化、信息化是發(fā)展的主要趨勢，遙感技術和以無人機動平臺為載體的監(jiān)測技術提高了海洋環(huán)境應急和機動監(jiān)測能力，也是發(fā)展的主流方向。由于許多海洋現(xiàn)象的產(chǎn)生及變化屬于長周期過程，因此，長期、定點、連續(xù)的多要素同步測量技術是研究海洋環(huán)境變化規(guī)律和實現(xiàn)目標監(jiān)測警戒的重點。歸納而言，海洋環(huán)境監(jiān)測裝備技術發(fā)展趨勢：

1）傳感器向輕小型、低功耗和高精度感知，平臺向通用化、模塊化和標準化，系統(tǒng)集成向多要素大剖面同步綜合觀測以及定點、機動和遙感遙測立體網(wǎng)絡化發(fā)展；

2）觀測數(shù)據(jù)實時傳輸，警戒區(qū)域安全受控，信息產(chǎn)品可視化應用；

3）大數(shù)據(jù)分析、人工智能技術應用越來越深入，無人平臺的自主性和智能化程度更高；

4）高效能源供應，長時效、大范圍和大深度安全應用；

5）新技術、新材料、新工藝提升傳感器和平臺載體性能，日益滿足全海域、全海深、全天候工作要求。

4 我國海洋環(huán)境監(jiān)測裝備技術發(fā)展建議

傳感器技術、平臺載體與綜合監(jiān)測技術在海洋環(huán)境監(jiān)測領域居于核心和關鍵地位。國外測量海洋自然環(huán)境基本要素的傳感器日益成熟，新型生態(tài)傳感器研發(fā)不斷涌現(xiàn)，浮標潛標、AUV、水下滑翔機以及高頻地波雷達等平臺已經(jīng)形成堅實的支撐能力，海洋立體網(wǎng)絡化監(jiān)測系統(tǒng)正在得到重視與發(fā)展。我國海洋環(huán)境監(jiān)測裝備技術與國際先進水平相比，還存在著明顯整體差距，必須大力支持與扶持，重點提升傳感器、平臺載體與綜合監(jiān)測等技術水平，使其成為海洋強國建設堅實的基石和海洋經(jīng)濟新的增長點。

在技術創(chuàng)新方面，應注重基于新原理、新材料、新工藝的海洋綜合信息高精度傳感技術研究，特別是光電磁傳感器技術在海洋監(jiān)測領域的應用；瞄準“深海進入、深海探測”，重點發(fā)展深遠海平臺載體技術，突破深海海底長期監(jiān)測、礦產(chǎn)油氣能源勘探的各類固定／移動平臺關鍵技術，發(fā)展長航程智能式水下航行器和全海深潛水器技術；研發(fā)基于水下自主導航系統(tǒng)的機動平臺及組網(wǎng)技術、深海作業(yè)技術、多源信息融合處理技術等。

在新型監(jiān)測裝備方面，瞄準全球海域，研發(fā)適用于動力環(huán)境、生態(tài)環(huán)境、資源能源和軍事應用等軍民融合型海洋綜合觀測平臺、智能浮標潛標、海洋生態(tài)環(huán)境自動監(jiān)測站、多用途智能探測潛水器、譜系化水下滑翔器、水下運載型移動觀測裝備。重點提升新型裝備隱蔽自動布設、水下自主導航、固定移動平臺組網(wǎng)觀測、數(shù)據(jù)信息實時傳輸、數(shù)據(jù)融合挖掘、海上信息和能源支持以及人工智能等能力。