海洋在線監測技術（三）：技術現狀與發展趨勢

　　什么是海洋在線監測技術？在線監測的對象是什么？難點在哪里？如果你不了解，那么請你關注微信公眾號：海洋生態大講堂。海洋在說話，您我來代言！

　　2016年9月4日，“海洋生態大講堂”邀請青島水德儀器有限公司張國豪總經理和國家海洋技術中心孫秀軍博士開講“海洋在線監測技術”系列（三）主題講座“ 海洋在線監測系統的技術現狀與發展趨勢”，現將主要內容摘錄如下，以饗讀者。

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　　大海雖然為我們提供了豐富的食物和礦產，但是環境污染以及風暴潮等海洋環境的變化正在影響著海洋生物的棲息和繁衍，甚至危機著人們的生命。我國擁有18000多公里的海岸線以及約300萬平方公里的管轄海域，采用高新技術對海洋進行全方位檢測迫在眉睫。

　　我國政府把“海洋監測技術”列入國家863計劃“九五”研究計劃中，此技術作為國家863計劃的一個主題，對推動我國海洋檢測高技術的發展具有重大意義，“九五”期間投入1.2億元海洋檢測高技術研究經費，“十五”期間投入2.4億元，“十一五”期間為了加強海洋監測高技術研究，更加大了投入。

　　海洋監測參數隨著海洋環境檢測技術的不斷創新，目前主要有：

　　——水文氣象參數：風速、流速、氣溫、波浪、流向、水溫等；

　　——物理化學參數：pH值、有機物、溶劑氧、鹽度等；

　　——營養物質和毒性參數：各種營養鹽、重金屬、核輻射等。

　　長期以來，在監測各種有毒有害物質時，主要通過現場取樣分析或取樣進行實驗室化學分析方法，因此缺乏時效性。相對來說，水文氣象參數，如風速、流速、氣溫、波浪、流向、水溫等，是可以實現長期在線監測的。

　　本次講座內容包括兩大部分內容：

　　——海洋在線監測技術現狀，包括平臺系統（多要素監測）和傳感器系統（單要素監測）；

　　——討論，包括技術發展特點及其主要趨勢、我國的技術差距及原因和努力方向。

　　目前，水文氣象要素基本都可以國產化了，然而，ADCP測流還不能大規模使用。我們國產的水文氣象要素傳感器可以服務于我們的海洋監測，但技術上比歐美國家落后一些。

　　比如超聲波氣象站，體積小、功耗小，有需要優勢，然而我國還沒有在這方面有大的突破。ADCP實際上早就有產品了，比如中船重工715研究所沈冰堅和中科院聲學所的徐立軍等人就是研制這些儀器的。十年前，國家海洋技術中心的梁捷是最早開展 ADCP研究的幾個人之一。

　　平臺技術分為智能平臺、移動平臺、固定平臺三大類。

　　1、幾種智能平臺

　　AUV，屬于智能移動平臺類。

　　水下滑翔機

　　波浪滑翔器

　　ROV，纜控水下觀測機器人

　　智能平臺還包括：

　　——Argo剖面浮標；

　　——表層漂流浮標；

　　——無人船；——海洋空間站。

　　海洋空間站，是一類新型的大型智能平臺。

　　“海洋空間站”是由法國建筑師雅克·魯熱里設計的世界首座新型海洋科學考察船。與普通船不同，“海洋空間站”是“豎著”的船，大部分船身處于水下，遠看就像一艘快要沉沒的巨輪。這座未來的世界第一艘直立船有望為海洋科學家觀察海洋生物帶來革命性變化。

　　“海洋空間站”還只是一個原型，但建筑師羅格里認為，由他設計的這個國際海洋觀測站將“揚帆啟航”。現在比較流行的移動平臺主要是FerryBox船載走航式多要素監測系統。

　　Ferrybox是歐盟資助的項目，旨在更好地在時間和空間角度了解水質。為了實現這一目標，歐洲8條航線的渡輪上安裝了帶流通池的水質測量系統采集水質數據。該數據集將提供一個全面的沿海水系統的源評估，并有助于水上運輸和環境參數生態模型的發展。每個Ferrybox系統至少需要四核心傳感器。四個核心傳感器：溫度，鹽度，葉綠素和濁度，當然可根據用戶需求配置其他傳感器。

　　2、固定平臺

　　主要包括：臺站、錨系浮標、潛標、海床基。

　　二、傳感器系統

　　分三個方面闡述：

　　——水質生態參數；

　　——海洋動力環境參數；

　　——海洋聲學參數。

　　1、水質生態參數

　　（1）浮游動物

　　原位圖像采集：德國iSiTEC公司LOKI浮游動物水下快速照相系統、日本SEA公司VPR浮游動物記錄儀、法國HYDROPTIC公司UVP水下顆粒物和浮游動物圖像原位采集系統。

　　（2）浮游植物

　　原位圖像采集分析：荷蘭CytoBuoy公司野外浮游植物流式細胞儀。

　　原位葉綠素監測：美國Turner公司10-AU葉綠素熒光儀，Cyclops7水下傳感器。

　　原位生理分析：德國WALZ公司Diving-PAM水下調制熒光儀。

　　（3）底棲生物

　　原位圖像采集：德國OKTOPUS公司C-EBS底棲撬網影像系統、德國iSiTEC公司OFOS海底觀測系統。

　　（4）溶解氧

　　膜法：響應時間慢、需要經常校準、價格低，丹麥OxyGuard公司以及各多參數水質儀公司，美國Hach公司，美國YSI公司等；

　　光學法：響應時間快、免維護、耐壓可到6000米、價格貴，挪威Aanderaa公司、日本JFE公司，美國Hach公司、美國YSI公司，德國Sea & Sun公司。

　　（5）pH

　　電極法，瑞士Hamilton公司、德國AMT公司。

　　（6）營養鹽

　　濕化學法，美國Green Eyes公司，意大利SYSTEA公司。

　　（7）濁度

　　光學法，美國Seapoint公司。

　　（8）溫度

　　鉑金電極，國內技術比較成熟。

　　（9）電導率

　　7極鉑環，美國Seabird公司，德國Sea & Sun公司。

　　（10）壓力

　　壓阻式，瑞士Keller公司。

　　（11）防生物污損技術

　　傳感器清潔刷、銅網隔離、高壓空氣沖擊、特殊材料涂層、紫外燈照射、化學試劑緩釋、定時深潛高壓處理、人工定期維護。

　　2、海洋動力環境參數

　　（1）海流計：

　　機械海流計：中國海洋大學儀器廠。

　　多普勒海流計：挪威Aanderaa公司、挪威Nortek公司、美國SonTek公司、美國TRDI公司。

　　（2）驗潮儀

　　英國valeport公司、加拿大RBR公司、德國General Acoustics公司、瑞士Keller公司。

　　（3）湍流儀

　　德國Sea & Sun公司、加拿大Rockland公司。

　　3、海洋聲學參數

　　目前主要通過溫深儀，尤其是拋棄式溫深儀進行監測。

　　微型低功耗自容溫深傳感器

　　微型低功耗自容溫深傳感器能夠按照用戶設定的時間周期，自動測量所處位置海水的溫度與深度信息，并把測量結果保存下來。它采用了小型化、高精度前端傳感器，測量精度高、穩定性好，能夠適應于科學探測、海洋調查等多種應用場合。國家海洋技術中心研制。

　　傳感器具有極低的功耗，按照設定的工作周期，傳感器完成測量與存儲，隨后立即進入休眠狀態。采用類似AA大小的鋰電池，可以工作一年的時間（5s為采樣周期）。傳感器將測量的數據存儲到內部的micro SD卡中，SD卡內建了FAT32文件系統，測量數據將以文件的形式保存在卡中。長期觀測后，用戶將卡拔出可以直接通過讀卡器在計算機上進行數據的獲取，非常便捷。對傳感器所有的設置，均通過傳感器內部的一個micro USB接口完成，用戶只需要一根標準的Android數據線，鏈接傳感器與計算機USB口即可。儀器具有鈦合金外殼，具有超強的抗壓抗腐蝕能力，保證傳感器可以適應復雜的工作環境。

　　6000米船載高精度CTD剖面儀，參數包括溫度、深度、電導率、鹽度，采水器，根據需求搭載其它類型傳感器。

　　該儀器是一個溫、鹽、深綜合剖面測量平臺。核心部件是高精度快速采樣的深海CTD剖面儀，主要組成部件有甲板單元（或電池倉）和采水器及其它自選類型傳感器組成。

　　走航式溫鹽深剖面快速測量儀（UCTD）

　　采用探頭自重導流技術，鈦合金封裝的溫度傳感器、高精度壓力傳感器，水中下降速度4.5m/s，采樣率16Hz，大尺度、快速觀測，內置大容量存儲器，探頭重量4.0kg（空氣中），內置可充電鋰電池，可連續觀測30個剖面，最大耐壓15MPa。

　　走航式溫鹽深剖面快速測量儀（UCTD）可在船舶走航過程中測量海水溫度、電導率和深度剖面數據，由甲板單元和測量探頭組成，甲板單元用于測量探頭的投放和回收，整機結構緊湊、便攜。UCTD測量儀與傳統CTD剖面測量設備相比，無需停航、剖面測量時間短，無需大型拖曳設備；與投棄式剖面測量儀器（XCTD）相比，精度更高，無需丟棄，降低了海洋調查成本。

　　感應傳輸CTD鏈是國家“863”計劃支持研制，海洋公益性行業科研專項項目產品化成果。采用感應耦合原理，將多臺CTD傳感器任意部署在浮標、潛標等平臺系留用塑包鋼纜上，進行原位、實時測量和傳輸從海洋表面到2000m相應深度海水溫度、電導率（鹽度）數據。該系統獨立供電，使用壽命1年以上（測量周期1h），可方便地搭載于浮標、潛標等多種載體進行海洋水文動力環境長時序、實時觀測。

　　滑翔機專用 CTD，小型化、低功耗，用于唯一的自主國產運動平臺。

　　適用于水下glider平臺上集成使用的一款高性能CTD測量儀器，具有自重輕、流阻小、精度高、功耗低的特點。搭載glider平臺可對2000m水深海水溫度、電導率、深度進行連續測量與數據處理。

　　自容式溫鹽深測量儀

　　ARGO剖面浮標專用CTD

　　船載高精度多參數剖面儀

　　海洋淺表層抗污染CTD

　　從以上介紹可以看出，大部分海洋監測設備的底層技術掌握在歐美日這些國家手中，尤其是傳感器技術，但是感到非常欣慰的是，國家海洋技術中心在溫鹽深儀（CTD）方面有突破性成果。

　　國內外的傳感器都向著智能化、模塊化以及網絡化、小型化、自動化以及多功能化發展。化學和生物傳感器是發展載體平臺自動取樣分析技術的關鍵。

　　國外海洋在線監測技術有以下特點：

　　（1）集成度越來越高，發展趨勢：

　　每個參數單獨測量：如溶解氧儀、pH計、鹽度計、溫度計；

　　一次測量4個參數（YSI ProPlus）

　　一次測量5-10個參數（YSI EXO2）

　　一次測量10個以上參數（生態浮標）

　　（2）移動越來越靈活，由定點固定測量向移動平臺測量發展。

　　（3）監測越來越立體化，由單點測量向綜合測量發展，如FerryBox錨系。

　　（4）監測數據越來越連續，由定時航次調查向臺站、錨系浮標長期觀測轉變。

　　（5）越來越向原位監測發展，由實驗室檢測向現場采樣檢測向原位實時監測發展。

　　由于海洋儀器基本屬于科學儀器范疇，技術復雜、市場面窄、批量小，加上國內元器件市場混亂，導致了國內海洋儀器缺乏競爭力。如果不從體制上進行解決，很難扭轉我國目前海洋儀器儀表行業日漸衰退和產品沒有競爭力的局面。

　　國內海洋儀器基本是研究所研制的產品，由于生產能力不足、企業技術素質和開發產品能力不高，因此在現有體制下很難互補，這是目前國內海洋儀器行業存在的通病。

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　　主講人簡介：

　　張國豪，山西平遙人，1982年生。2004年中國海洋大學海洋生物學專業畢業參加工作。2006年創立“青島乾豪商貿有限公司”，主營各種常規科研儀器，業務主要集中在海洋科研領域，在這期間為國內科研人員引進了近年來中國首臺深海浮游生物分層采樣網----MultiNet；2010年，創立“青島水德儀器有限公司”，專注于代理進口海洋儀器，公司目前是多家國際知名海洋生態儀器品牌中國區總代理及技術服務中心(德國HYDRO-BIOS公司，德國Sea & Sun公司，德國iSiTEC公司，德國SubCtech公司，丹麥KC公司，法國HYDROPTIC公司，美國Green Eyes公司)。

　　孫秀軍，博士，山東淄博人，國家海洋技術中心總工，2014年度863重大研究項目負責人，科技部海洋技術領域主題專家，2011年博士畢業于天津大學，2010年美國佐治亞理工大學訪問學者。連續十年從事水下機器人研究，先后主持研發有纜控水下機器人（ROV），自主水下航行器（AUV），水下滑翔機（Underwater Glider），波浪滑翔器（Wave Glider），自持式剖面浮標等多款海洋機動觀測平臺。