海洋觀測技術

海洋監測技術作為海洋科學和技術的重要組成部分，在維護海洋權益、開發海洋資源、預警海洋災害、保護海洋環境、加強國防建設、謀求新的發展空間等方面起著十分重要的作用，也是展示一個國家綜合國力的重要標誌。海洋監測技術一般可分為天基海洋觀測、海基觀測和水下海洋觀測。

基本介紹

• 中文名：海洋觀測技術
• 外文名：ocean observation technology
• 包括：天基、海基和水下觀測
• 學科：海洋科學

概述

海洋自古以來就與人類的生產、生活及軍事活動密切相關。海底蘊藏著豐富的油氣資源和各種稀有礦產，眾多的自然災害，如颱風、海嘯、地震等都發源於海洋和海底，同時海洋也是人類軍事活動的主要戰場之一。海洋監測技術作為海洋科學和技術的重要組成部分，在維護海洋權益、開發海洋資源、預警海洋災害、保護海洋環境、加強國防建設、謀求新的發展空間等方面起著十分重要的作用，也是展示一個國家綜合國力的重要標誌。長期以來，鑒於海洋觀測在軍事和民用領域的重要性，國際海洋科學組織和海洋強國一直都非常重視海洋環境監測技術的研究。早在上世紀80年代中期，海洋已開發國家就相繼出台海洋科技與開發戰略，進入21世紀後，國際政治、經濟、軍事圍繞著海洋活動發生了深刻的變化，在新的海洋戰略及其軍事需求牽引下，各國相繼調整戰略，進一步加大了對海洋探測領域的投入。我國是海洋大國，有三百多萬平方公里的經濟專屬區和一萬八千多公里的海岸線，海洋環境監測技術已經列入國家中長期科技發展綱要。

天基海洋觀測

隨著航天和航空遙感技術的發展，航天和航空遙感技術逐漸套用于海洋探測，形成天基海洋環境遙感。天基海洋遙感具有觀測範圍廣、重複周期短、時空解析度高等特點，可以在較短時間內對全球海洋成像，可以觀測船舶不易到達的海域，可以觀測普通方法不易測量或不可觀測的參量，成為繼地面和海面觀測的第二大海洋觀探測平台，也成為已開發國家竭力爭奪的海洋高科技之一。近年來，美國、歐洲、日本等航天大國相繼制定了相應的海洋發展規劃。

衛星遙感觀測

國外已經陸續發射了多顆海洋水色衛星、海洋地形衛星和海洋動力環境衛星。

1）SeaStar衛星

1997年8月，美國發射了SeaStar海洋水色衛星。星上裝載有第二代海洋水色感測器，共有8個通道，前6個通道位於可見光範圍，7、8通道位於近紅外，中心波長分別為765nm和865nm；地面解析度為1．1km，該衛星現仍在運行。

2）EOS衛星系列

EOS系列中的EOS－AM衛星主要用於陸地和大氣觀測、物理和化學、氣候環境調查。第一顆EOS－AM衛星Terra於1999年12月18日發射。EOS－AM1衛星裝載五個主要儀器：中解析度成像光譜儀（MODIS－N）、先進星載熱發射和反射輻射器（ASTER）、多角度成像光譜儀（MI－SR）、雲和地球輻射能量系統（CERES）和對流層污染儀（MOPITT）。EOS－PM衛星總計三顆，第一顆EOS－PM衛星Aqua於2002年5月4日發射；EOS－PM2衛星Aura於2004年7月15發射；EOS－PM3於2010年12月發射。

EOS－PM衛星裝載的儀器有：先進的微波探測器（AMSU）、微波濕度探測器（MHS）、雲和地球輻射能量系統（CERES）、中解析度成像光譜儀（MODIS－N）、大氣紅外探測器（AIRS）、多通道微波成像輻射器（MIMR）。

3）Geosat衛星

1985年3月，美國海軍發射了Geosat大地測量衛星，也是一顆海洋地形衛星，星上裝載的唯一感測器是一部Ku波段（13．5GHz）的雷達高度計。該衛星以軍用為主，用於測量海洋表面有效波高，研究地球重力場、海潮和海面地形等，鑒於衛星軌道誤差大（50cm）和數據保密等原因，沒有得到廣泛套用。1998年2月，美國海軍又發射了Geosat的後繼衛星GFO－1，運行至今。

航空海洋觀測

航空海洋探測採用固定翼飛機和無人機為感測器載體，具有機動靈活、探測項目多、接近海面、解析度高、不受軌道限制、易於海空配合而且投資少等特點，是海洋環境監測的重要遙感平台，通過搭載的微波和光學遙測設備，能夠實時獲取大氣海洋環境資料。在軍事上，由於無人機可有效減少人員傷亡，得到了廣泛套用。典型代表有美國的“全球鷹”、“捕食者”，澳大利亞的Aerosonde等無人機。

海基觀測

海洋測量船

海洋測量船也叫海洋調查船，是一種能夠完成海洋環境要素探測、海洋各學科調查和特定海洋參數測量的艦船，西方早在19世紀後半葉就認識到海洋測量船的作用並開始改裝使用測量船。隨著社會的進步、科技的發展和軍事的需求，海洋測量已從單一的水深測量拓展到海底地形、海底地貌、海洋氣象、海洋水文、地球物理特性、航天遙感和極地參數測量，海洋測量船的作用日益突出。

美國擁有的海洋測量船型號多、技術新。1989～1994年短期內裝備了6艘現代化測量船（USNS系列）之後，又迅速在兩年時間內建造了6艘更先進的5000噸級中遠海測量船，每艘船上都裝備了淺海回聲測深儀、深海回聲測深儀、海底淺層剖面儀、淺海多波束系統、深海多波束系統、都卜勒聲學測流儀、側掃聲吶、全球定位系統、遙控潛水器、重力儀、磁力儀等20多種海洋測量設備和多個測量工作站，可以詳盡準確地探測海底地形、海底地貌、海底淺層剖面、海底表層地質等多種要素，在一些中型以上的測量船上還配置有海洋生物和海洋特性等專項調查設備。長期在我國南海活動的“無暇”號是美國海洋測量船的典型代表，其中配有約20名水手，10名技術人員和20名海軍人員，裝備有大型拖曳陣聲納，可以有效探測和跟蹤安靜型艦艇，此外，美國海軍在航空母艦上也裝有先進的測量設備。

俄羅斯的海洋測量船較多，幾乎每兩三年就造一艘，噸位也比較大，俄羅斯大型測量船常年保持全球海域活動，海洋作業項目是綜合性的，主要有海洋測量、救生、地質、氣象、水文，生物和化學等方面，搭載的測量設備數量多，但指標和功能一般，不如美、日等國先進。

日本海上自衛隊和海上保全廳管轄有20多艘各類測量船，包括“二見”級、“明石”級和“明洋”級等系列，數量位居世界前列，部分由軍方管理，部分由地方部門管理。其中“明洋”號裝有海底地形測繪系統，通過高頻聲吶進行海底地形測繪與海底地質探測，配合感測器以及聲速儀等測量裝備，可快速測量深度與大面積海底地形，建立三維空間海底圖像，艦上還配備先進的磁力探測儀，通過水下磁力的對比，就能立刻分辨因潛艇水下活動造成的磁力異常，達到探測敵方潛艇的目的。日本測量船裝備的測量設備都很先進，更新速度很快。日本測量船近來頻頻在周邊國家近海出沒，主要是探測這些地區海流等情報，這些情報可用作諸如潛艇巡航所需要的水文數據。此外，日本藉助測量船成果已出版了1：20萬和1：50萬的大陸架海底地形圖。日本無論是在測量船隊的數量上，還是在最新的測量技術上，都努力保持海洋大國的地位。

浮標

浮標監測分布面廣、測量周期長，已經成為海洋和水文監測的主要手段。浮標集計算機、通信、能源、感測器測量等技術於一身，成為科技含量較高的科技綜合體。

法國研製出帶溶解氧式感測器的新型浮標Provor　CT。該浮標由“法國海洋開發研究所”（IFREMER）與MARTEC集團合作研製，以滿足ARGO國際研究計畫的需要。最大深度可達2000m，可以預設漂浮深度和時間。浮標通過預先設定的程式，提供所處海洋環境的有關狀況，收集有關含鹽量、溫度和壓力的參數。浮標浮出水面之後，通過AR－GOS衛星將數據傳出。浮標潛入水中的周期為十天。可以從一艘船上採用一般施放浮標的拋出器向海洋中施放，也可以採用專用的投放箱進行施放。

挪威在歐共體尤里卡海洋計畫支持下，研製和開發的SEAWATCH系統主要用於小區域的生態環境監測和預報，配有相應的套用軟體，其中使用的TOBIS浮標，帶有多種適於生態環境監測的感測器和儀器。

剖面探測漂流浮標

該項技術是上世紀90年代初的重大成果，它的出現催生了國際“阿爾戈”（ARGO）計畫，解決了全球次表層溫鹽同步觀測的難題。美國、法國相繼研製了幾種剖面浮標，最大設計深度2000m，設計工作壽命4～5年。

“阿爾戈”浮標指用於建立全球海洋觀測網的一種專用測量設備。Argo是英文“Array　for　Real－time　GeostrophicOceanography”的縮寫，其中文含義為“地轉海洋學實時觀測陣”。它可以在海洋中自由漂移，自動測量海面到2000m水深之間的海水溫度、鹽度和深度，並可跟蹤它的漂移軌跡，獲取海水的移動速度和方向。ARGO全球海洋實時觀測網是1998年，由美國、法國和日本等國家大氣、海洋科學家推出的一個大型海洋觀測計畫，構想在全球大洋中每隔300km布放一個由衛星跟蹤的剖面漂流浮標（即ARGO剖面浮標），總計為3000個，組成一個龐大的ARGO全球海洋實時觀測網，以便快速、準確、大範圍地收集全球海洋0～2000m上層的海水溫度和鹽度剖面資料，有助於更細緻地了解大尺度實時海洋的變化，提高氣候和海洋預報的精度，有效防禦全球日益嚴重的氣候和海洋災害（如颶風、颱風、龍捲風、冰暴、洪水和乾旱，以及風暴潮、赤潮等）給人類造成的威脅。

中國Argo計畫自2002年初組織實施以來，已經在太平洋、印度洋等海域投放了155個Argo剖面浮標，有78個浮標仍在海上正常工作。

水下海洋觀測

無人潛航器

無人潛航器與載人潛水器相比，具有造價低和安全等特點，能長時間在壓力很大的海底工作，可用於海洋調查、海底礦藏開發、水下工程施工、海上救助打撈、清理航道、水產養殖以及軍事和國防施工等領域。無人潛航器通常由潛水器、收放系統和水面控制裝置組成，根據控制方式的不同，無人潛航器可分為遙控式、自主監控式和智慧型式等。當前，無人潛航器已從有纜控制式發展到無纜自主式和智慧型式，自主式無纜無人潛航器（AUV）是當前發展和套用很快的一種，與有纜無人潛航器不同，AUV能自帶電源，可在水下自由航行，在海洋開發和軍事上有廣泛的套用前景。世界上有十幾個國家正在從事無人潛航器研製，包括美國、英國、法國、德國、義大利、日本、加拿大、俄羅斯、韓國和澳大利亞等，美國、挪威、俄羅斯、日本和西歐等國處於領先地位。

1993年，在美國國家學基金會資助下，伍茲·霍爾海洋研究所研製成自主式深海海底AUV“探索者”，系統動力具有低能耗特徵，初始試驗時採用膠質電介質鉛酸電池，執行小範圍短時間調查作業使命時採用鹼基電池，執行大範圍長時間調查作業使命時採用鋰基電池，續航時間50h，總航程可達30km，系統配置有滿足精密導航攝影需要的光學成像感測器，以及水下攝像機（單色兩台，彩色CCD一台）和深度計。該系統可潛至6000m執行深海海底科學調查任務，通過30kHz信標回歸母船。

1994年，美國海軍制定了新一代先進無人潛航器的研製計畫，即“海軍UUV主計畫”，旨在發展能遂行水下偵察、搜尋、通信、導航、獵雷和反潛等任務的自主式無人潛航器。2005年1月21日，在已經取得初步成果的基礎上，美國海軍公布了經過大規模修訂後的升級版的“海軍UUV主計畫”，重新設定了無人潛航器的使命任務以及海軍希望它所具有的能力，同時指明了工業部門的發展方向。

美國最具有代表性的水下無人航行器是WHOI研製的“遠程環境監測裝置”（REMUS），REMUS是一種低成本的近海環境調查監測和多任務作業平台，研究經費得到美國海洋大氣局和海軍研究署的支持，在軍事上主要用於水雷探查、目標監測、情報蒐集和軍事海洋學研究。RE－MUS長1．32m，直徑19cm，工作深度150m，空氣中自重31kg（鉛酸蓄電池），在水中時處於中性浮力，航速4節時的潛航周期為14h，三個推進馬達產生0．68kg推力，能以4節的航速在10h內完成74km的航程，電源工作電壓24V，輸出功率32W，動力源是可充電的鉛酸密封蓄電池或鋰電池。REMUS搭載的設備主要有側掃聲納前視聲納（DIDSON）、CTD和ADCP、視頻浮游生物記錄器、浮游生物泵、輻射計、生物螢光計、螢光計、光學後向散射計OBS以及濁度感測器等。

日本在該研究領域不甘落後，已經為無人潛航器的研發投入了數億美元，技術已達到世界領先水平，但日本研製的無人潛航器主要用於民用的深海開發，極少用於軍事領域。日本國際電信電話公司（KDD）研製成功能潛航至水下1000m，進行調查海底和海底電纜的新型水下機器人“水下探索者1000”號（簡稱AElOO0）。AE1000能獨立搜尋到海底電纜，後連續追蹤電纜蹤跡，並記錄下電纜情況，內裝有感測器、微型計算機和蓄電池，其中，感測器主包括：水壓感測器，用於反映潛航深度，判斷自己行動；方位感測器，測量船首方向；高度感測器，測量海底表面高低；姿態感測器，測量本身運動；聲納，探察周圍障礙物；都卜勒聲納，用於識別自身航跡等8台設備，這些設備可使AE1000能沿著預定航線進行z字形高難度航行。

海底觀測網海洋科學正經歷著從海面作短暫的“考察”到海洋內部作長期“觀測”的明顯變化。如果把地面與海面看作地球科學的第一個觀測平台，把空中遙測遙感看作第二個觀測平台，在海底建立的觀測系統，將成為第三個觀測平台。海底觀測系統是指把觀測平檯布設到海底，既能向下觀測海底，又能通過錨系觀察大洋水層，還可以投放活動深海觀測站。海底觀測網已逐漸成為觀測海洋和地球過程的第三種平台，將成為今後理解和預測海洋過程的主要觀測方式之一。

1998年，美國和加拿大合作建立深海長期觀測網，即海王星計畫（NEPTUNE），在2007年投入運行[6]。NEP－TUNE設在水下約3000m的海床上，用長達3000km的光纜線連線著20～30個觀測站，每個觀測站可能還有支路延伸至幾千米遠的各種儀器，可以長期觀測海洋內部和海底各種物理、化學、生物和地質過程，使用年限至少20～30年。關鍵設備包括：潛標、CTD、ADCP、人工磁場海流計、波浪感測器、光源和相機、營養鹽測量儀、地震儀，還有ROV、AUV、ROVER。其中，ROV用於水下儀器和網路的布放、安裝和維護；AUV用於數據的轉駁和能源的補充；ROVER用於各節點之間的空白區的觀測。網路設計中，有“即插即用”接口，使儀器的更換和新儀器的使用更為方便。

NEPTUNE的建設目標是在整個胡安德富卡板塊上安裝3000km長的光纜網。安插在網路節點處的觀測站將成為海洋學家提供多學科的探索空間，還可成為太平洋西北部地區的早期地震預警系統。科學家們認為，NEPTUNE計畫將從根本上改變人類研究海洋與地球的方式。2003年10月，加拿大宣布為該項目投資4750萬美元。同時，美國和加拿大已經為作為該計畫試驗平台的兩個小型光纜觀測站提供了資金支持：一個是維多利亞海底實驗網路（VE－NUS），另一個是蒙特利加速研究系統（MARS），計畫在加拿大蒙特利灣設立觀測站。它們將使科學家更加密切地監測海岸周圍的水域，同時也為開發NEFFUNE技術提供廣闊的舞台。

歐洲ESONET的目標是探索在大西洋與地中海沿岸興建海底網路系統的可能性。與NEPTUNE不同，ESO－NET將承擔一系列科學項目，諸如評估挪威海海凍的變化對深水循環的影響以及監視北大西洋地區的生物多樣性和地中海的地震活動等。計畫20年後，ESONET將具備監視整個歐洲的強大能力。

海底長期科學觀測系統具有廣泛的套用前景，不僅有助於促進我國海洋科學和技術的發展，而且可套用于海洋環境監測和減災防災預警、海底資源開發和海上重大工程監測等方面，同時對於發展海洋高技術裝備產業和維護我國主權和國土安全也具有重要意義。我國以同濟大學為代表的相關單位已經啟動國家海底長期科學觀測系統的建設項目。在國務院2013年1月討論通過的《國家重大科技基礎設施建設中長期規劃》中，“國家海底長期科學觀測系統”項目建議被列為我國“十二五”期間優先安排的16個國家重大科技基礎設施建設項目的首位。我國自主研製的海底觀測網組網核心部件已於2011年順利完成在美國蒙特利灣海底布放工作，正式與美國海底觀測網路併網運行。

水下感測器網路

無線感測器網路是由密集型、低成本、隨機分布的，集成有感測器、數據處理單元和無線通信模組的節點通過自組織方式構成的網路。藉助節點中內置的多種感測器對人們感興趣的各種現象進行探測，最終實現對現實世界實現全方位的監測與控制。也是下一代網際網路遠景規劃中較為重要的組成部分。2003年2月，麻省理工大學主辦的非營利性技術評論雜誌將感測器網路總結為改變未來世界的十種新興技術之一。而感測器網路出現不久由於其低成本、靈活性等諸多優點受到了各國海洋界的青睞，其套用的範圍已經擴展到了海洋。

國外海洋感測器網路研究中最有影響力的當屬美國海軍的海網水下聲學網路（Seaweb）[7～8]。其目的是在軍事上可構建可布放的自主分布系統，用於沿海廣大區域的警戒、反潛戰和反水雷系統，在民用領域可以實施控制、通信和導航功能，節點之間採用水下聲學通信技術。Seaweb的實驗開始於2000年，以後幾乎每年都進行有針對性的實驗，最近一次實驗於2008年在美國長灘港進行，目的是測試新一代的聲學數據機，水下有17個節點。歐盟在MAST（Marine　Science　and　Technology　Programme）計畫的支持下也發展了一個系列化的水聲通信網路研究計畫。

我國海洋觀測的現狀與建議

經過多年的發展我國已建成了包括海洋站、浮標、調查觀測船、海監飛機，以及利用國外遙感衛星資料的海洋環境初級監測網，但是和國外已開發國家相比還存在著以下兩個方面的不足：

1）起步晚，能力弱

我國的海洋科學研究起步較晚，海洋觀測能力建設與國際已開發國家相比差距較大，觀測內容少，精度低，無法滿足現代海洋軍事活動的需要。觀測僅以岸基站常規監測為主，主要依靠國家海洋局的若干觀測站、固定浮標以及少量ARGO浮標，以及近年來建立的海底觀測網，缺少海上固定式長期海洋綜合觀測平台，無法滿足海洋科學研究長期、連續、實時、多學科同步的綜合性觀測要求。而美國有基於NOAA的90個浮標、60多個海岸自動觀測網以及多源衛星構成的海洋動力環境監測網。

2）時空覆蓋範圍與監測尺度遠遠不夠

我國有一系列關係國計民生和國防安全的海洋問題亟待研究與解決，但是由於缺少水下觀測節點，加之國外遙感衛星資料來源十分有限，因此對第二島鏈附近相關海域、台灣周邊、南海及重要出海通道的監測能力十分薄弱；缺少水下自主浮動節點，只能觀測點、面或某一層次的海洋環境要素，立體探測能力幾乎是空白，缺乏重要海域的長期斷面觀測數據；和海軍活動、水下資源開發密切相關的深、遠海立體監、探測技術尚處於空白階段，無法滿足我海軍走向大洋，成為藍水海軍的需求。未來需要在以下幾個方面應加大投入力度：

1）大力發展基於衛星的全球海洋環境探測體系，同時發展基於無人機的區域海洋環境機動探測系統，兩者相輔相成，優勢互補。

2）建立高密度立體觀測網路，從總體上看，國際海洋觀測的目標是建立全球聯網的立體觀測系統，已發展起包括衛星遙感、浮標陣列、海洋觀測站、水下剖面、海底有纜網路和科學考察船的全球化觀測網路。因此要有針對性地在關鍵海區建立多參數長期、立體、實時監測網，有效、連續地獲取和傳遞海洋長時間序列綜合參數。要加大重要現象與過程機理的強化觀測力度，綜合運用各種先進的感測器和觀測儀器，如將聲學、遙感等手段更多地運用於海洋觀測，使得點、線、面結合更為緊密，對區域進行有效監控。

3）發揮各行業優勢提升科技創新水平，由於海洋監測技術涉及的學科繁多，且一個單位或一個團體又不可能在海洋監測技術各學科都處於領先地位，因此就必須先梳理海洋觀測技術核心技術，緊跟該領域世界發展潮流[9～11]，提出一批極具核心競爭力的關鍵技術，在全國範圍內廣泛尋找有實力的研究隊伍，通過一定的組織形式，將海洋科研院所、高校和軍工單位、地方企業有序的聯合起來，充分發掘海洋監測技術與其它行業的共性技術，相互借鑑，取長補短，構建一支高效穩定的海洋觀測技術科研團隊和人才梯隊以不斷提升海洋觀測的竟爭力。