海洋论坛▏物理海洋传感器现状及未来发展趋势发表时间：2019-02-22 00:00 海洋观测技术作为海洋科学和技术的重要组成部分，在维护海洋权益、开发海洋资源、预警海洋灾害、保护海洋环境、加强国防建设、谋求新的发展空间等方面起着十分重要的作用，也是展示一个国家综合国力的重要标志。随着海洋观测技术的不断发展，作为各种观测要素的感知、采集、转换、传输和处理的功能器件，传感器的作用日益突出。在“863”计划支持下，我国的物理海洋传感器取得了快速发展，初步形成了关键海洋观测技术装备的研发与生产能力，并已向深海观测和海底观测方向发展。我国物理洋观测传感器的进步，缩短了与国际先进水平的差距，基本形成了物理海洋传感器技术装备的生产能力，为国民经济建设和社会发展、为海洋科学的发展和国家海上安全保障，提供了重大技术支撑。
一、国内外发展现状一、国内外发展现状 海上生产作业、海上军事活动、海洋防灾减灾与海洋科学研究都离不开作为基础海洋环境数据的海洋物理参数信息。随着现代科学技术的发展，特别是材料、电子、卫星通讯等技术不断突破，近年来世界海洋动力传感器技术取得了长足的进步，进而推动海洋监（观）测技术不断向前发展。 ⒈ 国外发展现状及水平 随着现代科学技术的发展，自20世纪90年代以来，国际物理海洋传感器技术取得了长足的进步，现已有多个品牌、多种类型、适应于不同平台应用的物理海洋传感器产品。其中，在温盐深传感器方面，美国海鸟（Sea-Bird）公司的产品一直居于全球市场主导地位，美国FSI、IO、YSI，加拿大RBR，日本亚力克（Alec）和意大利IDRONAUT等公司也有CTD传感器产品。美国洛克马丁斯皮坎公司和日本鹤见精机公司联合，垄断了投弃式剖面测量设备的市场。在潮位仪方面，美国Aquatrak公司的声学潮位传感器产品和WaterLOG公司的雷达潮位传感器产品世界知名，英国RS Aqua和日本、荷兰等国的公司也生产潮位传感器。在海流计方面，挪威安德拉（AADI）、美国RDI、Sontek/YSI、Nortek等公司的产品市场销量很大。在测波仪方面，荷兰datawell公司、美国ENDECO/YSI公司、挪威FugroOceanor公司的测波浮标，德国OceanWaves GmbH公司和挪威MIROS公司的测波雷达占据了主要市场。 美国占据了世界物理海洋传感器技术的领导地位，技术最为全面领先，挪威、日本、英国、德国等国家则在某些领域有自己特长。物理海洋传感器除应用于船舶、岸基、浮标和潜标等传统平台外，已有应用于水下滑翔器、AUV、无人船和无人机等无人移动观测平台的产品。 ⑴温盐深传感器（CTD） 发达海洋国家，尤其是美国的温盐深测量传感器技术一直是世界领先，在种类和精度等方面都具有优势，基本垄断了全球市场。在国内使用比较多的温盐深传感器品牌有美国的海鸟（Sea-Bird）、FSI、IO和YSI等。日本的自容式CTD仪器，因具有体积小、易携带、功耗低、功能丰富等优点，在某些领域得到应用。欧洲的意大利、英国等国也在研发和生产温盐深传感器。意大利IDRONAUT公司生产的300系列温盐深传感器采用了大口径7电极电导池，性能与海鸟3电极式911Plus CTD接近。 除传统的船载CTD、锚定平台用CTD和海洋台站用CTD外，美国海鸟公司还开发了专门应用于ARGO浮标上的41系列CTD，和应用于水下滑翔器上的Glider Payload CTD。美国洛克马丁斯皮坎公司研发了可从船上直接投放使用、不需回收的XCTD。这些CTD的开发，为应用新型观测平台和新测量方式创造了条件。 ⑵潮位仪 目前，世界沿海国家的潮位观测网以及全球性的海平面高度观测网络都得到了快速发展并日趋完善。潮汐观测仪器设备（潮位仪）随之快速发展，技术成熟度不断提高，测量准确度已可达到毫米级。按工作原理分，潮位仪主要有声学式、压力式、浮子式、气泡式和雷达式等类型，国外同时也在研发GPS验潮及潮汐遥感测量等技术。 美国的国家潮位观测网建有230多个主控台站长期观测潮位，所使用的观测设备主要是Aquatrak公司的Model5000系列声学潮位传感器（分辨率可达到1mm，精度可达±3 mm）和WaterLOG公司的H-361i型雷达传感器（精度可达±3mm），不需建造验潮井，仅在个别地区因环境条件特殊而使用了BEI公司的气泡式传感器。这些传感器可自动采集数据并通过卫星发送到数据中心。在临时增设的台站会额外使用YSI公司的便携式600LS型高精度透气式应力传感器（分辨率可达到1mm，精度可达±3mm），其重量仅为0.5 kg，仅需4节AA碱性电池即可高效工作。英国RS AQUA公司的WaveRada雷达可以实现水位和波高的测量，国内已有进口和应用。 日本的LFT-Ⅳ型浮子式长期自记验潮仪，是日本气象厅、水利部和港湾局等单位使用的主要仪器之一。此外，日本还研制了遥测验潮仪，该装置可以把验潮站的潮位用无线电波传送到接收站，自动进行记录。类似的遥测验潮仪有美国的STG/100R型验潮仪、苏联的PM-29型遥测验潮仪、荷兰的R型浮子式遥测验潮仪、韦斯特无线电遥测验潮仪等。 ⑶海流计 目前，海流计已经实现了商业化。按照工作原理的不同，可以分为机械式海流计、压力式海流计、电磁式海流计以及声学海流计等。声学多普勒海流计采用声遥测方式，对被测流场无干扰，能够获得高精度的速度信息，成为当前广泛采用的测流仪器。现在世界上应用比较广泛的测流设备主要有挪威安德拉海流计，以及美国RDI公司、Sontek/YSI、NorteK等公司的海流计产品。 ⑷测波仪 在海洋监测的所有要素中，波浪是最基本、最重要也是最复杂的一种。目前，波浪测量技术分为两大类：现场测量和遥感测量。现场传感器包括水下压力传感器、海面测波浮标、海底PUV、测波ADCP等；遥感测量包括船用雷达、高频雷达、激光雷达、卫星、光学传感器和高度计等。目前在国外波浪浮标中，荷兰datawell公司生产的波浪骑士、美国ENDECO/YSI公司的1156波浪方向轨迹浮标、挪威FugroOceanor的wavescan浮标，应用最为广泛，技术较为成熟。测波雷达方面，德国Ocean－Waves GmbH公司研制的WaMoS II系统和挪威MIROS公司研制的WAVEX系统及SM-050 MKⅢ系统较为成熟。美、英、法、加、日、俄、新西兰等国家也都在积极开展相关技术研究。 ⒉ 我国发展现状 “九五”以来，在“863”计划支持下，我国物理海洋传感器技术得到了快速发展，突破了高精度CTD测量、海流剖面测量及海面流场测量等关键技术，取得了一批具有世界先进水平的高技术成果，并初步实现了产品化。 ⑴温盐深传感器 自主研发成功千米直读式、自容式、感应传输式温盐深测量仪（CTD）、6000m电缆直读式CTD剖面仪、船载走航式温盐深剖面仪（UCTD）、投弃式温盐深剖面测量仪（XCTD）等，主要的测量技术指标接近世界主流产品水平，但受限于材料和工艺水平，仪器环境适应性仍较差、工作可靠性不够高，距离国外先进产品尚有一定差距。 近年来，经过海洋公益性行业科研专项的支持，浅海直读式、自容式等部分技术状态较为成熟的CTD已完成科研成果转化。ARGO浮标专用CTD也已投入海上应用。在“863”计划支持下还研发了海洋光纤测温链。 ⑵潮位仪 目前我国潮汐观测仪器设备的自动化程度已达到了国际先进水平，并在我国的海洋观测网中得到了广泛的应用。但多为需要验潮井的浮子式验潮仪，一次性投入费用较高，机动灵活性差，对供电防风防雨等环境要求较高，限制了业务化海洋观测运行能力的进一步提高。国外用于业务化运行的验潮仪大都为无机械活动部件的声学或雷达验潮仪。虽然我国的国家海洋技术中心、山东省科学院海洋仪器仪表研究所也研发了相关产品，但与国外同类设备相比仍有差距，国外的验潮仪最高可达70 m，我国的验潮仪测量范围均仅为0～10 m。 ⑶海流计 “九五”“863”计划以来，我国先后研究和开发了船用宽带多普勒海流剖面测量技术(BBADCP)、相控阵海流剖面测量技术(PAADCP)、声相关海流剖面测量技术(ACCP)以及可与CTD剖面仪同步吊放的大深度海流剖面测量设备(LADCP)，而且具有深海对底跟踪性能，可用于调查观测船或潜器的导航，并开发了能独立使用的计程仪ADL和ACL。至今，我国的声学海流剖面测量和移动平台测速技术已达到世界先进水平，ACCP技术处于国际领先地位。“十一五”期间，又开展了投弃式电磁感应海流剖面测量技术(XCP)的研究。微结构剪切流传感器技术方面也已接近国际先进水平。 ⑷测波仪 我国的波浪测量技术起步比较晚，与国外相比具有发展晚、进步快的特点。在“863”计划支持下，波浪浮标测量技术有了突破性的进展。中国海洋大学、山东省科学院海洋仪器仪表研究所、南海海洋研究所、国家海洋局第三海洋研究所、中山市探海仪器公司等都进行了比较深入地研究和探索，其产品在海洋监测站及近海海洋工程勘察中广泛使用，多项测量参数技术指标达到国际领先水平。武汉大学2011年研制成功了海洋监测岸基多波束S波段多普勒雷达，已在福建平潭、汕头南澳、汕尾遮浪、浙江舟山朱家尖等地开展了4次海边比测试验。 ⒊ 我国物理海洋传感器技术发展存在的问题 自20世纪末，物理海洋传感器技术获国家“863”计划支持，得以迅速发展，取得了一批高新技术成果，逐步缩小了与发达国家的技术差距，但各方面的发展水平仍显参差不齐。在传统物理海洋传感器方面，我国部分测量要素技术研发水平已接近国际先进水平，如船用高精度CTD剖面仪、XCTD、XBT等，但其成果产品转化和新平台新环境产品衍生的步伐缓慢；在基于新方法和新原理的物理海洋传感器方面，我国也已具有部分技术基础，如光纤、雷达测量技术等，但在深远海和高精度方面仍处于刚刚起步的阶段。总体来说，我国在海洋物理海洋传感器技术上，除个别技术接近国际先进水平外，整体上相当于发达国家2000～2005 年间的水平，造成上述差距的主要原因在以下几个方面： ①我国传统物理海洋传感器产品少，产业化规模小在我国物理海洋传感器技术中，船用CTD、锚定平台用CTD是相对最为成熟的，目前也仅有天津市海华技术开发中心提供相关产品，且产品的类型较少。我国海洋传感器的市场主要被国外产品所占据。国内产品缺乏实际应用和改进，产品稳定性和可靠性难以提高，用户认可度低，无法打开市场。 先进的科学技术只有转化为高技术产品，才能真正成为生产力，发挥作用，因此产品化是海洋高新传感器技术研发的终极归宿，也将填补国内物理海洋传感器产品的空白，摆脱长期依赖进口的困境，为我国常规、业务化海洋观测提供产品和技术支持，因此急需以上较为成熟的技术方向支持探索类技术成果的标准化与产品化，积极推动其产品转化，尽早形成产业化。 ②制约物理海洋传感器技术发展的探头材料、制作工艺等基础性、关键性技术研究基础薄弱，投入不足近年来，尽管我国在物理海洋传感器技术研究方面获得了不小的进步，但由于传感器材料和工艺水平及配套体系等多重限制，以及对传感器技术的基础性不够重视、投入不足，我国自主物理海洋传感器在长期稳定性、环境适用性等方面远远落后于国际先进水平，传感器一致性差，高精度传感器需要复杂的人工测试试验来筛选，人工成本和时间成本耗费过高，成品率低，严重制约传感器产业化进程。 解决办法是，重点支持一批物理海洋传感器材料、工艺等技术攻关项目，重点解决一批制约海洋传感器技术发展的共性问题，例如支持基于微机电系统（MEMS）技术的智能化传感器和可重组模块化传感器材料、海底极端环境传感器探头，基于新材料的海洋磁力与地形地貌传感器，提升传感器基础性关键性整体技术水平。 ③物理海洋传感器新原理、新方法方面探索类创新技术研究力度不够我国需要加强海洋观测能力，传统的海洋环境参数测量无法满足相应需求，迫切要求传统传感器技术的创新和发展，而目前国产传感器技术创新研究现状还主要以跟踪发达国家传感器产品为主，缺乏自主创新，更缺乏海洋科学研究对传感器创新测量原理和测量方法的指导。随着海洋科学研究与技术的不断深入结合，测量技术需要不断优化和推陈出新，新原理、新方法的传感器探索性研究将成为持续热点。 必须要从物理海洋科学研究需求入手，加大其对传感器测量原理和方法的创新攻关，应重点支持满足科学研究迫切需求的自主新技术小型低功耗传感器、基于光纤、雷达等新原理传感器、水下移动平台动态测量传感器、微结构剪切流传感器等新测量方法传感器的探索性研究，强调自主创新，提升我国海洋监测技术产业的国际竞争力。
二、未来技术发展趋势二、未来技术发展趋势 随着科学技术的进步，传感器技术出现了革命性的变革，从而推动了信息技术的发展。海洋动力传感器技术的发展趋势主要为： ⒈ 小微型化，多参数化 微机电系统（MEMS）技术的出现，使传感器的体积大大缩小，发生了革命性的变化。这种技术必将应用在海洋领域，并促成动力参数传感器的小微型化和低功耗化，更有利于在水下滑翔器等移动平台上应用。RBR公司采用MEMS技术的传感器模块相对独立，可根据用户实际需要任意组合拼接。法国的NKE公司所生产的单温和温深传感器的体积仅有一支mark笔的大小。此外，多参数测量海洋仪器在海洋观测技术迅速发展的今天有着重要应用。 许多国外公司均推出了自己的多参数集成的海洋参数测量仪器，除可以测量基本的温、盐、深3个参数外，还可以测量声速、浊度、溶解氧等其它物理化学生物参数。如美国海鸟公司的SBE19CTD上外挂溶解氧传感器，还可选配pH值，浊度、荧光和PAR传感器。 ⒉ 模块化，智能化 模块化是今后海洋传感（仪）器发展的重要方向。海鸟公司将产品分为若干功能单元，例如水下测量单元（温度传感器、电导率传感器、压力传感器等）、甲板单元、采水器及其控制单元、感应传输单元等，海鸟衍生出的所有产品都是由若干水下测量传感器单元和其他单元任意组合而成。加拿大AML公司则研制出了可以根据测量需要更换传感器探头的智能化实时测量仪器Smart-X及相应的Xchange系列探头（温度、盐度、深度和声速等）。遵循电气和电子工程师协会（IEEE）1451标准，可以将传感器的类型、制造商、模块编号、序列号、标校数据、灵敏度和工作频率等参数以数字方式存储在TEDS（传感器电子数据表单）模块中并置于传感器内部，更换传感器探头后可直接读取调用以进行标定和使用，即构成了智能传感器，为可重组传感器技术的实现奠定了基础。 ⒊ 大深度化 世界海洋强国积极拓展深海战略空间，纷纷建立基于全球战略的海洋环境立体监测系统，为海洋军事活动、深远海资源开发和海上作业、交通等经济活动提供安全保障。我国海洋环境信息保障能力目前局限于近海，深海海洋环境获取能力薄弱，随着海洋强国战略的实施，发展深海海洋动力参数传感器技术已成为必然趋势。 ⒋ 创新化 原位、实时观测技术蓬勃发展，带动海洋科学从“考察”向“观测”转变，海底观测网作为海洋观测的新平台正在兴起，由海基、陆基、空基、海底基观测平台构成的全新的海洋立体观测网建设列入日程，这些都对海洋动力参数传感器提出了新的需求，需要引入创新的设计，研发使用新方法和新原理的传感器，尤其在波浪、潮位、海流等的测量方面更是如此。 三、结论三、结论 由于国内物理海洋传感器技术与国外差距较大，仍处在技术跟踪阶段，在一段时期内，国内的技术发展方向仍将跟随国外发展趋势。但随着“建设海洋强国”战略的实施，我国物理海洋传感器技术有望迎来快速发展阶段。预计未来5～10a，我国将初步形成物理海洋传感器产业，在传统CTD 产品方面能够达到国际先进水平，投弃式CTD、移动平台用CTD、海底观测网用CTD、声学测潮、测波雷达等传感器技术接近国际先进水平。至2030年，温、盐、深、浪、流、潮等物理海洋测量传感器技术将全面达到或接近国际先进水平。 上一篇谈智慧城市发展的五个要点
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