一、前言
海洋觀測依賴於裝備的技術進步：早期人類認識海洋主要是從船上或者岸上；20 世紀遙感技術的出現使得從空間獲取海洋動態性資訊成為可能；進入 21 世紀，從水下和海底觀測海洋成為探索熱點。作為時空耦合的複雜過程，海洋過程的觀察需要協同使用移動和固定的觀測平臺。海洋水下立體觀測系統指基於有線或無線方式，藉助固定或移動的平臺，對海洋進行實時觀測的網路 [1]。海洋觀測技術裝備是觀測系統的基礎，是維護海洋安全、防控海洋災害、促進海洋科學進步的重要支撐。
20 世紀 60 年代起，國際上許多海洋科學考察、海洋資源活動開始探索利用各類水下觀測技術裝備。例如，水下遙控裝置作為無人水下觀測平臺，具有一定的機動性，可在較大水深中長時間工作，獲得了迅速發展 [2]。我國海洋科學家在 1997 年提出了從海底觀察地球的倡議，認為海底觀測網建設存在國際競爭，可能引發國際權益與安全之爭，我國宜儘早著手、爭取主動 [3]；在分析加拿大海底科學長期觀測網研究進展的基礎上，闡述了海底觀測網的價值 [4]。國家海洋技術中心發表的系列論文全面介紹了國際海洋水下立體觀測系統發展的情況，如文獻 [5] 介紹了水下自航式海洋觀測平臺，分析領域發展歷史和現狀，提出我國開展相關研究的重要性和可能方向；文獻 [6] 分析了國內外水下觀測資訊體系的現狀與趨勢，提出我國水下觀測資訊體系發展建議。
海洋水下立體觀測網通常分為三部分：海底觀測網、水下移動觀測平臺及感測器、水下立體觀測資訊系統。本文主要圍繞前面兩個部分展開研究，論述發展需求，在概要梳理國內外領域進展的基礎上總結髮展趨勢、凝練存在問題、分析關鍵技術，據此提出領域發展建議。
二、海洋水下立體觀測技術裝備的需求分析
（一）促進海洋科學發展
海洋科學是基於觀測的學科，新發現、新進步都離不開海洋觀測技術裝備。全面提升海洋水下立體觀測裝備水平，是促進我國海洋科學發展的需要，也是解決海洋科學重大問題的關鍵。假如將地面與海面視為地球科學的第一個觀測平臺、空中視為第二個觀測平臺，則海底是第三個觀測平臺。海洋水下立體觀測平臺將從水面到海底的範圍納入人類的探測監測視域，有望從根本上改變人類認識海洋的途徑，開創海洋科學的新階段 [3]。
海洋科學方面的重大發現與科學問題，需要建立在長期觀測的基礎上才能獲得突破。發展海洋水下觀測技術裝備，為科學家提供了從水面到水下、從水中到海底地殼深部、全方位、大範圍、綜合性、實時性的高精度觀測條件；透過觀測，更好理解人類活動導致的海洋變化、海洋生命、海底–海水–大氣之間關聯、海底及沉積動力學等海洋科學問題。
（二）防控海洋災害
海洋觀測是海洋災害有效預測預警的資訊來源，世界上有約 80% 的火山噴發、地震發生在海底，且主要沿著地殼的邊界 [3]。水下立體觀測技術裝備對海底地震進行監測、評級、定位，透過資料的處理、建模、分析，準確預報臺風、海嘯等自然災害；監測風暴、藻類勃發、海底噴發、滑坡等各種突發事件 [5]，降低災害帶來的經濟損失，為沿海地區的經濟社會發展提供防災減災保障。
（三）保障海上國防安全
發展海洋水下立體觀測技術裝備是海上國防的必然需求。我國海岸線長約 18 000 km，海上鄰國有 8 個，且一些國家與我國存在領土 / 領海糾紛。一些國家在第一島鏈設定了海底聲學監聽網路系統，對我國海軍裝備的安全出入構成威脅。為了避免海洋水下“門戶洞開”、水下空間“單向透明”狀態，自主建設水下監測系統、發展水下監測裝備是我國海上國防建設的必然需求。
海洋水下立體觀測技術裝備具有長期、實時、不間斷、大範圍的特點，支援水下監測系統作用的持續可靠發揮，保障領海權益不受侵犯。
三、國內外海洋水下立體觀測技術裝備的發展現狀與趨勢
海洋水下立體觀測系統主要涉及三方面：海洋觀測平臺、感測器、資料處理。鑑於資料（綜合）處理方面，目前國內與國際存在較大差距，加之專業度較高、還需要更深層次的探究，因此本文主要圍繞海洋水下固定觀測平臺（海洋水下觀測網）、水下移動觀測平臺、海洋感測器等裝備展開論述。
（一）海洋水下觀測網
海洋水下觀測網計劃由美國率先提出，但因經費問題而進展緩慢。1999 年 6 月，加拿大率先建成海王星海洋水下觀測網；透過複合纜將海底觀測點連成環路，形成海底火山狀態、地震海嘯活動的實時觀測能力，支援海洋與大氣相互作用、氣候變化等方面的深入研究；目前觀測裝置的數量超過 138 個。進入 21 世紀，各國積極建設海洋水下觀測網，如 2003 年日本建立的新型實時海洋水下監測網（ARENA）、2004 年歐洲的海洋水下觀測網（ESONET）、2006 年澳大利亞的綜合海洋觀測系統（IMOS）、2013 年印度的北印度洋海洋繫泊浮標（OMNI）等。這些設施集防災減災、科學研究等多類功能於一體，觀測感測器數量較多，觀測物件趨於豐富，觀測區域有效拓寬。
我國的海洋水下觀測網“十一五”時期規劃，“十二五”時期建設，“十三五”時期拓展；參與研究和建設的單位有同濟大學、浙江大學、中國海洋大學、中國科學院聲學研究所、中國船舶第七一五研究所、亨通集團有限公司等 [7]。2009 年，同濟大學牽頭，聯合相關單位建成“小衢山海底觀測實驗站”，是我國第一個海底綜合觀測試驗與示範系統 [8]。2013 年，中國科學院南海海洋研究所、瀋陽自動化研究所、聲學研究所共同建設的“三亞海底觀測示範系統”投入執行 [9]。2014 年，浙江大學建成了“摘箬山島海洋立體觀測示範研究與試驗系統”。“十二五”時期，中國科學院聲學研究所牽頭，聯合國內優勢單位，承研了國家 863 計劃重大專案“海底觀測網試驗系統”，重點攻關海底觀測網試驗系統總體技術，突破了水下高壓遠端供電、大深度高精度定位布放與回收、大深度水下接駁盒與儀器、大深度高電壓光電覆合纜，深水無人遙控潛器（ROV）水下溼插拔等多項關鍵技術，實現了深海海底觀測網系統的建設與穩定執行 [10]。2017 年，“海底科學觀測網國家重大科技基礎設施”專案建議書獲批，由同濟大學牽頭、中國科學院聲學研究所共建，建設週期 5 年；2018 年，“海底科學觀測網國家重大科技基礎設施”專案可行性研究報告獲批。海底科學觀測網是針對海底地殼深部、海底介面、海水水體及海面開展高解析度、大範圍、全天候、綜合性、長期、連續、實時觀測的主要手段，將為國家海洋安全、深海能源與資源開發、環境監測、海洋災害預警預報等研究提供支撐。整體來看，我國海洋水下觀測網建設起步較晚，目前仍未正式建成；發展的新技術還需持續驗證，距離正式應用和推廣尚有距離。
（二）海洋水下移動觀測平臺
海洋水下移動平臺機動靈活，如 ROV、載人潛器（HOV）、自主水下航行器（AUV），廣泛應用於海洋水下立體觀測過程，在海洋水下觀測網的安裝和維修方面也發揮了重要作用。海洋水下觀測網為水下移動平臺提供充電、資訊傳輸中轉等服務，二者結合將發揮更大的作用。
1. 無人遙控潛器
20 世紀 60 年代，國際上的許多海洋科學考察、海洋資源探測活動，較多利用遙控的無人水下觀測平臺開展，在較大水深中長時間工作的能力是主要原因。ROV 在人工控制下，在海洋深處、海底危險區域執行各種指令與操作；除了開展觀測基本任務外，還可透過機械手進行水下取樣、安裝、維護等作業，優勢獨特。ROV 技術成熟的國家有美國、俄羅斯、日本、法國等，均具備研製 6000 m 及以下深度 ROV 的能力；更大潛深的 ROV 還處於試驗階段，尚未得到推廣應用。
2020 年 6 月，中國科學院瀋陽自動化研究所研製的“海鬥一號”ROV 完成了 10 907 m 的下潛深度，重新整理了我國潛水器下潛深度及作業深度的記錄，填補了萬米作業型無人潛水器的空白。上海交通大學研製的“海馬號”“海龍號”ROV 作業水深分別為 4500 m、6000 m；中國船舶第七一五研究所研製的定型 ROV 作業水深為 5000 m [11]。我國已進入擁有 6000 米級 ROV 的國家行列。
2. 載人深潛器
HOV 最早出現在 20 世紀 60 年代，由於航行能力和作業能力有限、體積大、運輸不方便，未能獲得推廣應用。美國“阿爾文”HOV 於 1964 年研製成功，1966 年在地中海協助完成打撈工作，20 世紀 70 年代發現了海底熱液噴口[12]。“阿爾文號”最大潛深為 4500 m，可讓研究人員到達地球上約 2/3 的海底；經過升級改進後，最大潛深接近 6500 m，可覆蓋 98% 的海底面積。美國伍茲霍爾海洋研究所“深海挑戰者號”在馬裡亞納海溝下潛至 10 908 m，日本“新海 6500 號”最大潛深為 6500 m。
在我國，“蛟龍號”HOV 潛深為 7020 m；“深海勇士號”HOV 國產化率達到 95%，核心國產裝置效能和技術狀態穩定，標誌著我國大深度載人深潛技術和裝備製造取得重大進展。
3. 自主式水下航行器
AUV 造價低、安全性好、連續工作時間長，可以自主設定航線、搭載多類水下感測器，目標區域的觀測效果較好。國外 AUV 經過數十年的發展，產品技術體系較為成熟，功能效能基本穩定；佔據國際市場主要份額的國家是美國、英國、挪威等，市場上成熟的 AUV 產品型別超過 100 種。
在我國，中國科學院瀋陽自動化研究所等單位牽頭研製的 AUV 完成了水下 6000 m 自主航行演示，仍處於研發測試階段，功能效能有待進一步驗證。未來 AUV 技術的發展方向是仿生性、多功能性，兼顧提升靈活性和續航效能。
4. 水下滑翔器
水下滑翔器依靠側翼產生的水平動力在水下潛行，透過調節內部配重進行上浮和下潛；搭載溫鹽深（CTD）等多類感測器，在水下大範圍內持續蒐集環境引數，成為海洋科考較為經濟的水下觀測工具之一。美國最早開展水下滑翔器的研製，目前擁有最為成熟的技術；法國、英國、日本等國家也很早就開展各類水下滑翔器技術的研究。
中國科學院瀋陽自動化研究所研製的“海翼”水下滑翔器，工作水深為 300~7000 m、續航時間達 40 d，航程超過 1000 km。天津大學研製的“海燕”水下滑翔器，工作水深為 3620 m、續航時間達 30 d，航程超過 1000 km。相關產品的研製和應用，標誌著我國基本掌握了水下滑翔器技術體系 [10]。
（三）海洋觀測感測器
隨著海洋觀測活動的不斷髮展，在海洋水下、海底、深海環境等長期連續觀測需求的牽引下，美國、日本、德國等研製了多類海洋環境觀測的新型感測器，如 CTD 感測器方面，溫度測量精度為± 0.001 ℃、電導率測量精度為± 0.003 mS/cm、壓力測量精度為± 0.015% FS。
我國海洋觀測感測器、儀器、測量系統研究起步較晚，得益於國家支援取得了較快進展：一些技術指標達到了國外同類產品的同期水平，一些海洋水下觀測裝備形成了系列產品，一些水文儀器在大洋考察、國際聯合調查中得到應用。在國家 863 計劃、海洋公益性行業科研專項等渠道的支援下，國內研製了多型海洋調查、取樣裝備，如自動氣象站、高精度 CTD 儀、海流剖面儀、磁力儀等；發展的深海取樣裝備有深海電視抓鬥、多管取樣器等 [13]。海洋觀測平臺具有多種樣式，如浮標、潛標等被動觀測平臺，這些裝備的研製和應用帶動了海洋調查觀測、環境監測等專用感測器技術的進步。
（四）海洋水下立體觀測技術裝備的發展趨勢
隨著海洋水下觀測需求的不斷髮展，海洋觀測已經從海面轉入水下、進而拓展到海底的全方位、立體化觀測階段。這就要求海洋水下立體觀測系統涵蓋多種觀測平臺，如調查船、浮標淺標、水下潛器、海床基觀測站等；透過多種觀測平臺的有機組合，形成水下全方位立體觀測能力。多平臺協同化立體作業成為今後海洋觀測的趨勢，觀測範圍也由水面向水底拓展，由近海向深遠海延伸。在未來，海洋水下觀測平臺將演進成為自適應、有機整合的海洋水下觀測平臺陣列。
在深海環境和生態環境的長期連續觀測需求牽引下，全海深絕對流速剖面儀、深海高精度海流計、多電極鹽度感測器、快速響應溫度感測器、湍流剪下感測器、多引數水質測量儀等海洋水下觀測感測器成為重點產品類別。伴隨著海洋觀測平臺技術的發展，具有運動平臺自動補償功能的環境監測感測器應運而生，如適裝於自治潛水器、遙控潛水器、水下滑翔機、深海拖體等運動平臺的溫度、鹽度、湍流、pH、營養鹽、溶解氧等感測器。在未來，自動補償感測器改進應用於海洋水下觀測平臺陣列成為重要發展趨勢。
在未來的海洋水下觀測體系中，海洋感測器技術朝著系列化、模組化、標準化、通用化方向發展，海洋觀測平臺技術朝著多樣化、多功能等方面發展。無人潛水器產業趨於成熟，新型無人潛水器不斷出現，海洋觀測儀器與裝置不斷進步，為海洋水下立體觀測技術裝備構建提供了堅實支撐。此外，得益於數字訊號處理器、大容量存貯器的進步，海洋觀測儀器裝置朝著小型化、多功能方向發展。
四、我國海洋水下立體觀測技術裝備發展面臨的問題
（一）國產感測器與國際先進水平差距較大
我國相關產業經過十多年發展，在海洋觀測平臺方面技術較為成熟，但觀測平臺搭載的 CTD、光學感測器等海洋觀測核心感測器的進口比例依然較高。除潮汐、海洋氣象等測量儀器外，大多數國產海洋觀測儀器裝置的可靠性不高、產業化水平低。入網觀測儀器管理制度不夠完善，業務化海洋觀測儀器裝置的研製、生產、應用、管理仍處於不協調的“亞健康”狀態；業務化海洋觀測的資料獲取能力、資料質量不高，甚至在惡劣海況下難以獲得災害環境預警所必需的基礎資料。資料蒐集、後期維護改進等方面的技術難以自主掌握，存在著海洋觀測活動在特殊時期遭遇裝置斷供、關鍵資訊洩露等問題。目前，國內感測器研製大多處於原理樣機或工程樣機階段，參與國際市場競爭的實力薄弱；一些核心技術仍待攻關，感測器技術的產業轉化也需要透過實地監測、試驗應用來指導改進和提升。
（二）海量資料與現實需求之間出現脫節
海洋觀測資料具有多重角色：核心資訊裝備的研發引擎，海洋水下立體觀測網的直接目的，傳輸網路的載體，中心處理平臺的依據，海洋應用的基礎。經過長期發展，國內的海洋遙感、岸基、水面、水下等觀測平臺蒐集了海量資料，但目前相關資料利用率、使用價值均不高；從學術研究層面分析，主要原因有：反演資訊欠精準，資訊提取知識欠科學，知識服務欠智慧。獲得海量資料之後，應提高資料使用的有效性，切實為最終目標服務，否則形成“資料孤島”而難以產生實際效能和投資回報。
（三）國產感測器缺乏使用驗證和必要改進
我國海洋監測管理機構“多頭管理”現象依然存在，導致研究力量分散、資源配置不合理，制約了重點工程實施成效，不利於領域長遠發展。在水下立體觀測網的資訊處理和蒐集方面，目前服務物件不夠明確，水下資訊的流通範圍較窄，資訊採集、交換標準不一致，資料整合度和利用率偏低，社會力量參與積極性不高，不利於水下觀測資訊發揮應用效能。以 863 計劃海洋技術領域專項為例，許多國產感測器處於樣機層面，實地使用偏少，也很難繼續進行必要的修正和改進；許多國產感測器僅限於試用或者“沾水出資料”即可，未能進行產品化並持續保持更新、改進、修正；因後續的使用、改進、實驗等方面資源支援不足，轉化機制缺失，在研發和產業化之間出現了斷層。
五、海洋水下立體觀測技術裝備重點發展方向
海洋水下立體觀測系統裝備的建設，除了有更為成熟的海洋觀測平臺以外，搭載在海洋平臺上的海洋感測器陣列成為海洋水下立體觀測的關鍵。不同型別的海洋水下觀測平臺，在搭載海洋觀測探測儀器、海底取樣等水下作業裝備之後才能完整構成裝備體系，也才具備充分發揮綜合技術體系效能的可能性。發展可供潛水器搭載的各類感測器、探測裝置、通用 / 專用作業工具，是水下作業技術的基本模式，也是人類認識海洋、開發深水資源的重要途徑。
值得注意的是，我國儘管在傳統海洋觀測感測技術方面取得明顯進展、逐步趕上國際先進水平，但在新型感測器、特殊功能感測器方面依然面臨差距，甚至出現了差距擴大的現象，如高精準度 CTD 剖面儀、投棄式溫深感測器、投棄式溫鹽深感測器、聲學多普勒流速剖面儀、相控陣聲學海流剖面儀等。應努力擺脫“空殼建造、裝備總裝”的現狀，改進海洋水下觀測探測裝備綜合性能，爭取關鍵感測器的全面國產化；跟蹤移動平臺、組網觀測等平臺技術研究熱點的同時，及時謀劃並有效應對未來感測器小型化、低功耗、防汙損的挑戰。
（一）原位生物化學感測器
物理海洋學感測器已經面世數十年，國際上測量電導率、溫度、深度的感測器也實現了高度成熟和小型化，但生物地球化學、生物海洋學類的觀測感測器進展明顯滯後。除了監測可食用魚類以外，為實現海洋生態系統的可持續發展，有必要理解和掌握從浮游生物到鯨魚在內的整個海洋生物鏈狀態。目前國內外在海洋生物學的監測技術方面都不夠成熟，這是我國海洋生物感測器研究進步的良好機遇。國際上生物監測逐步獲得重視，化學測量新技術（如硝酸鹽、磷酸鹽）也在發展，在不遠的將來有望成熟到可以持續利用的程度。我國應與國際同步，重視和發展相關型別的感測器，如原位營養感測器、220 nm 紫外光譜測量儀、原位自主矽酸鹽電化學感測器、原位電化學硝酸鹽感測器等。
（二）原位晶片海洋觀測技術
國際市場公開銷售的基於試劑的化學、生物感測器都沒有采用原位晶片實驗室（LOC）技術，相關技術仍處於少數國家（如英國、日本）、少數實驗室的專利授權期。儘管微流體技術、LOC 技術取得了新的進展，但在海洋觀測方面的應用潛力仍待挖掘和明確。原位晶片海洋觀測技術技術性能高、具有潛在的低成本優勢，能夠測量海洋水下觀測的多種引數，非常適合填補目前海洋觀測能力的差距，未來發展空間較大。原位晶片技術的易用性提升極為重要，在生物引數測量方面應用潛力較大。
（三）感測器主動防汙技術
生物汙垢的積累會干擾感測器執行、減少流向感測器的水流、影響平臺機械運動、增加儀器質量和阻力，進而影響觀測的準確性，因此保護感測器免受生物汙染極為重要。傳統處理方式主要有：採用防汙塗料、塗層，或選擇防止生物汙損的基質，但對觀測環境不友好；配置擦拭器、透過設定不同的擦拭頻率來去除各種新沉積的汙垢生物體；採用紫外線照射、淡水沖洗、奈米聚合物塗層等來防止生物汙垢沉積。在諸如東海等區域的高結垢環境中，感測器需要綜合採用多種方式來實施可靠保護。未來感測器的發展，應將生物附著性納入評估內容，根據結垢環境特徵採用不同方式、不同頻度的除垢措施，尤其需要關注主動擦拭器、電解氯化方案、紫外線照射、奈米聚合物塗層等。
六、對策建議
（一）支援海洋關鍵感測器的高效成果轉化
感測器是海洋觀測最重要的構成部分，效能優劣直接反映海洋水下立體觀測技術裝備的水平高低。國記憶體在著海洋感測器研製結題後因缺乏持續必要支撐而難以實施成果轉化的情況，使得一些感測器技術供應與市場需求結合不緊、產品研製缺乏必要的試用與改進，從而影響了前期研發投入的產出和回報。海洋關鍵感測器儘管類別多樣，但相關技術瓶頸具有共性，這些問題應及時梳理並集中解決。
建議開展行業頂層設計，論證國家海洋感測器綜合規劃，爭取事關海洋關鍵感測器研發與應用的必要資源保障；採取市場化方式、制定明確規則，促進海洋關鍵感測器科技成果的高效轉化；鼓勵原始創新、推進應用創新，重點支援國內需求迫切且難以穩定進口渠道的感測器關鍵技術攻關和應用，配套合理必要的政策和資源支援。
（二）統籌建設海洋水下立體觀測的大資料處理與共享中心
海洋觀測耗資大、週期長、涉及多方，多單位甚至多國聯合實施相關專案是常態。一方面，圍繞海洋科學的重大問題，基於通用的海洋觀測平臺，實現不同學科背景、不同學術思想和不同層次的研究力量協同，旨在以學科交叉的形式高效推進領域發展；另一方面，共享海洋觀測平臺可顯著提高資源利用效率，更好促進觀測裝備及關鍵感測器的技術進步與更新。隨著觀測技術裝備的不斷髮展，海量資料不斷積累，資料處理、整合、產品化供應、科學管理成為迫切任務。儘快落實海洋觀測平臺共用、資料共享，破解國內科研人員只能與國外進行資料共享、一些國內產生的資料只能透過國外途徑來獲取等不良現象，扭轉涉海資料自我封閉、自我管理的局面，是主管部門和科研人員共同的責任。
建議將統籌建設海洋水下立體觀測的大資料處理與共享中心提上議事日程，開展領域建設統籌規劃、構建資料共享制度；充分利用併發揮好現有國家重大科技基礎設施的作用，支援發展海洋水下立體觀測技術裝備的核心關鍵技術，紮實提高核心裝備、關鍵感測器、觀測裝備的國產化水平，在海洋環境監測與裝備領域更快進入世界先進行列。
（三）建立海洋水下立體觀測技術裝備國家公共試驗平臺
建立技術裝備國家公共試驗平臺，有利於裝備測試與方案改進以提高效能，可以持續培養海洋領域的研究與技術人員，積累裝備與儀器的立項、研製、改進經驗，加快工程應用進度。
建議開展海洋水下立體觀測技術裝備國家公共試驗平臺建設，按照企業化、業務化、市場化方式運作，提供長期、連續、實時、多學科、同步、綜合的觀測試驗平臺和基礎設施功能；建立資源共享、要素完整、軍民兼用的海上試驗場，為我國海洋儀器與海洋模型的研發、檢驗和工程化應用提供統一、優質、高效的服務。
