為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo), 未來國產(chǎn) CTD 的自主創(chuàng)新主要應(yīng)集中在以下幾個(gè)方向:
1) 小型化、低成本、高一致性
對(duì)于廣袤海洋的觀測而言, 現(xiàn)有感知能力還很不足, 其制約瓶頸主要體現(xiàn)在現(xiàn)有海洋傳感器體積大、造價(jià)高昂、難以廣泛布設(shè), 這就使陸地上蓬勃發(fā)展的泛在感知物聯(lián)網(wǎng)無法實(shí)現(xiàn)于海洋之上。
正因?yàn)榛诂F(xiàn)有技術(shù)來連續(xù)監(jiān)測廣袤海洋的成本是難以負(fù)擔(dān)的, 美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局(Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA)于 2017 年 12 月宣布啟動(dòng)“海洋物聯(lián)網(wǎng)”(ocean of things)項(xiàng)目, 試圖將海洋感知領(lǐng)入物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代。其目標(biāo)是在一定海域布設(shè)數(shù)以萬計(jì)的傳感器, 以形成浮動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)。
近年來, 國內(nèi)青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)室的吳立新院士提出了“透明海洋”計(jì)劃, 其目的也是打造海洋物聯(lián)網(wǎng)。實(shí)現(xiàn)海洋物聯(lián)網(wǎng), 首要突破的關(guān)鍵技術(shù)是如何實(shí)現(xiàn)多要素傳感器微型化、批量制作高一致性、低成本、微功耗, 將海量傳感器布放和節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。
其最可行的解決途徑是采用微機(jī)電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system, MEMS)工藝，集微結(jié)構(gòu)、微傳感器、微執(zhí)行器以及信號(hào)處理和控制電路于一體, 對(duì)海洋傳感器進(jìn)行革命性創(chuàng)新和應(yīng)用。
目前的技術(shù)已經(jīng)可以在一塊 6 inch基板上一次成型 100 余個(gè)微型溫鹽傳感器探頭，且一致性很好, 對(duì)于中等精度的傳感器不需要進(jìn)行逐個(gè)標(biāo)定, 批量化制作大大降低了成本。
這種技術(shù)可形成芯片級(jí)的海洋無線物聯(lián)網(wǎng)傳感器, 實(shí)現(xiàn)海洋哺乳動(dòng)物、魚類等動(dòng)物身體搭載, 記錄洄游規(guī)律和海水環(huán)境要素等信息, 通過海量大數(shù)據(jù)分析, 得到意想不到的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。
2) 智能化
傳統(tǒng)的海洋觀測調(diào)查采用調(diào)查船、臺(tái)站和浮標(biāo)等固定平臺(tái), 存在觀測成本過高，且無法長期連續(xù)觀測的難題。
海洋無人自主觀測手段的興起有效解決了這一難題, 將海洋觀測尺度從大洋環(huán)流級(jí)推進(jìn)到中尺度和亞中尺度級(jí), 各種類型的無人自主觀測平臺(tái)進(jìn)行組網(wǎng)觀測, 實(shí)現(xiàn)了對(duì)海洋環(huán)境長期連續(xù)、高分辨率、低成本觀測, 成為未來海洋觀測技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)。
未來該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展方向是長壽命、智能化, 其搭載的海洋觀測傳感器也必然要符合這一要求。智能化 CTD 傳感器的典型特點(diǎn)之一是具備自補(bǔ)償、自修正功能, 而目前進(jìn)口傳感器尚無法實(shí)現(xiàn)這一功能。
在水下無人系統(tǒng)中, 以在海洋 0~2000 m 范圍上下往復(fù)做剖面運(yùn)動(dòng)的 Argo 浮標(biāo)為例, 其壽命要長達(dá) 3 年, 電導(dǎo)率傳感器受海洋生物附著等影響, 會(huì)產(chǎn)生鹽度數(shù)據(jù)漂移, 如圖 3 所示。全球大洋 2 000 m 水深的海水鹽度基本為一定值, 但從該圖中明顯看出, 經(jīng)過多個(gè)剖面測量后, 鹽度數(shù)據(jù)已經(jīng)漂移了近 0.3, 嚴(yán)重影響觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量。
基于 CTD 傳感器的基本測量原理, 開發(fā)具備自補(bǔ)償、自修正功能的智能傳感器，其基本思想是以全球大洋 2000 m 深度海水鹽度為定值，如果一個(gè)剖面的鹽度值較上一個(gè)剖面該深度的鹽度值產(chǎn)生了較大變化，即可確定為在此間隔過程中電導(dǎo)率傳感器因污染等原因產(chǎn)生了漂移。
因?yàn)檫@種漂移主要是電導(dǎo)率傳感器探頭結(jié)構(gòu)參數(shù)上的變化所導(dǎo)致的，可以在傳感器中內(nèi)置自修正算法，以未漂移前的鹽度值作為基準(zhǔn)，結(jié)合傳感器漂移后的原始量, 對(duì)傳感器進(jìn)行重新標(biāo)定, 修正傳感器定標(biāo)參數(shù)。
基于這種方法可以將傳感器漂移造成的 0.3 左右的鹽度漂移誤差修正到 0.01 以內(nèi)，對(duì)于大量無法回收的無人自主觀測平臺(tái), 可以取得更優(yōu)的觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量。
海洋傳感器的智能化特征還體現(xiàn)在故障自診斷、自修復(fù)以及在觀測過程中對(duì)被觀測對(duì)象的特征進(jìn)行智能化判斷方面。以水下滑翔機(jī)為例, 如圖 4 所示, 未來智能化的觀測平臺(tái)以及傳感器,可以按照特殊的科學(xué)研究觀測需求, 進(jìn)行邏輯判斷和自適應(yīng)采樣率動(dòng)態(tài)控制, 在溫躍層等重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域進(jìn)行加密測量, 其他區(qū)域則降低觀測密度,這樣既可以降低功耗, 又可以增加在位時(shí)間。智能化傳感器與平臺(tái)電源管理、運(yùn)動(dòng)速度和姿態(tài)協(xié)調(diào)相適應(yīng), 可以獲取更多有效的觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量,提高觀測效能。
3) 適用于極端環(huán)境
當(dāng)前, 世界各國均加緊拓展深海極地等海洋戰(zhàn)略空間, 我國也在由近淺海向深遠(yuǎn)海邁進(jìn)。深海、海底、極地等區(qū)域的觀測網(wǎng)建設(shè)對(duì)極端環(huán)境傳感器創(chuàng)新提出了迫切需求。
近期, 我國自主研制的萬米載人潛器“奮斗者”號(hào)創(chuàng)造了 10909 m 的深潛世界紀(jì)錄, 在深淵探測領(lǐng)域進(jìn)入了國際領(lǐng)先水平。水深 11000 m的深淵具有超高壓、低溫、資源缺乏、黑暗、板塊運(yùn)動(dòng)活躍及化學(xué)環(huán)境獨(dú)特等特點(diǎn), 開展深淵科學(xué)研究對(duì)揭示地球大陸板塊運(yùn)動(dòng)、生命起源、海嘯預(yù)警等科學(xué)問題具有十分重要的意義。
近年來，對(duì)深淵的探索發(fā)現(xiàn)備受世界矚目, 而深淵探索離不開全海深(11 000 m)探測技術(shù)與裝備的支撐, 所有全海深調(diào)查技術(shù)裝備都需要通過 CTD 傳感器判斷自身所處的狀態(tài)。
深海環(huán)境受外界擾動(dòng)很小,背景場穩(wěn)定, 波動(dòng)度和變化微小, 要測量和有效分辨這些微小的變化, 就要求傳感器必須具有高準(zhǔn)確度、高分辨率、高穩(wěn)定性和快速響應(yīng)的特點(diǎn)。目前我國在自主全海深 CTD 傳感器方面尚處空白, 而現(xiàn)今應(yīng)用于深淵考察的進(jìn)口傳感器也存在著諸多不足。
作為世界上最主流的 CTD 傳感器制造商美國 Seabird 公司的產(chǎn)品, 其溫度測量分辨率為0.000 2℃, 電導(dǎo)率測量分辨率為 0.000 05 s/m, 如圖 5 所示, 該型傳感器在4000 m 水深情況下, 已經(jīng)無法很好地分辨微小的溫度和鹽度變化。針對(duì)此, 我國全海深科學(xué)考察所必備的全海深 CTD傳感器必須立足于自主研發(fā)。
3.2 加快構(gòu)建國際一流水平的海洋傳感器測試體系
海洋傳感器定標(biāo)與測試能力是傳感器技術(shù)發(fā)展的重要因素, 制約海洋 CTD 測量技術(shù)發(fā)展的高精度校準(zhǔn)檢定技術(shù)已有 20 年未在國家科技計(jì)劃中立項(xiàng), 可謂是一直原地踏步, 究其原因主要是標(biāo)準(zhǔn)溯源理論和實(shí)用鹽度測量理論方法研究上遇到了瓶頸, 沒有突破創(chuàng)新。
因此, 首先要加強(qiáng)海洋傳感器校準(zhǔn)測試的基礎(chǔ)理論方法研究, 吸收國際海洋傳感器評(píng)價(jià)體系的先進(jìn)技術(shù)及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),建立高標(biāo)準(zhǔn)的國際一流海洋傳感器標(biāo)定、校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)環(huán)境, 構(gòu)建國際領(lǐng)先水平的海洋傳感器標(biāo)定、校準(zhǔn)和比測評(píng)價(jià)體系, 大幅度提高海洋傳感器的檢定校準(zhǔn)和評(píng)價(jià)水平。
海洋傳感器需要在不斷使用中積累經(jīng)驗(yàn), 提高技術(shù)水平。國產(chǎn)海洋傳感器要走出研制與應(yīng)用“冰火兩重天”的局面, 并向商業(yè)化和規(guī)模化應(yīng)用邁進(jìn), 需要形成積極使用國產(chǎn)海洋儀器設(shè)備的氛圍。任何一種新型傳感器, 只有在使用中才能發(fā)現(xiàn)問題, 并通過不斷地改進(jìn)和提高, 形成高性能、高質(zhì)量的產(chǎn)品。
現(xiàn)階段所缺乏的國內(nèi)統(tǒng)一權(quán)威性試驗(yàn)測試體系, 制約了傳感器自主創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展, 因此要加快海洋儀器裝備海上試驗(yàn)場和定型平臺(tái)建設(shè), 為國產(chǎn)深海儀器裝備提供試驗(yàn)平臺(tái)、試驗(yàn)背景場和測試方法標(biāo)準(zhǔn), 對(duì)其實(shí)海況的工作可靠性、穩(wěn)定性和環(huán)境適應(yīng)性等性能進(jìn)行評(píng)估與評(píng)價(jià), 解決其海上試驗(yàn)高風(fēng)險(xiǎn)、高成本和長周期的問題, 從而促進(jìn)國產(chǎn)深海儀器裝備產(chǎn)品定型和產(chǎn)品化, 助力海洋傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
3.3 政策扶持, 打通研產(chǎn)用鏈條, 加速產(chǎn)業(yè)鏈循環(huán)
分析國產(chǎn)海洋傳感器研制與應(yīng)用“冰火兩重天”的原因,，除了研產(chǎn)用存在嚴(yán)重脫節(jié)的問題，更有政策層面上對(duì)應(yīng)用國產(chǎn)儀器設(shè)備的漠視。要走出這種困局，實(shí)現(xiàn)海洋傳感器自主創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展, 就需要有長期的資金投入以及配套的政策和措施支撐。
黨的十九屆五中全會(huì)通過的十四五規(guī)劃建議提出“提升企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新能力, 促進(jìn)各類創(chuàng)新要素向企業(yè)集聚, 推進(jìn)產(chǎn)學(xué)研深度融合”。海洋傳感器的產(chǎn)業(yè)發(fā)展要按照國家戰(zhàn)略要求, 通過適當(dāng)?shù)膶ｍ?xiàng)投入和政策激勵(lì), 引導(dǎo)企業(yè)、科研院所和高校建立聯(lián)合研發(fā)中心、工程技術(shù)中心和重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等創(chuàng)新平臺(tái), 建立以企業(yè)為主體、大學(xué)-研究所-企業(yè)有機(jī)結(jié)合的海洋傳感器產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新體系。
面向海洋傳感器產(chǎn)業(yè)鏈各個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)創(chuàng)新資源的需求, 以解決產(chǎn)業(yè)鏈共性、關(guān)鍵技術(shù)為重點(diǎn), 開展產(chǎn)業(yè)鏈上下游協(xié)同創(chuàng)新。通過設(shè)立一批海洋傳感器科技成果孵化器和創(chuàng)投基金, 激發(fā)海洋傳感器領(lǐng)域創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活力。出臺(tái)相應(yīng)的政策和措施, 鼓勵(lì)科研業(yè)務(wù)單位積極采購和使用國產(chǎn)設(shè)備, 將應(yīng)用國產(chǎn)設(shè)備的比例設(shè)置為一項(xiàng)重要的考核指標(biāo)，并要求根據(jù)國產(chǎn)海洋傳感器的功能、性能等來科學(xué)地設(shè)置項(xiàng)目指標(biāo), 引導(dǎo)并加強(qiáng)國產(chǎn)海洋傳感器的應(yīng)用。
4 結(jié)束語
CTD 測量技術(shù)為展開海洋科學(xué)研究提供最基礎(chǔ)的海洋環(huán)境信息, 也是支持海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略發(fā)展的重要技術(shù)途徑。面對(duì)長期未解決的國產(chǎn) CTD傳感器卡脖子狀況, 需要面向需求立足自主創(chuàng)新，加快構(gòu)建國際一流水平的海洋傳感器環(huán)境測試體系, 同時(shí)加強(qiáng)政策扶持, 打通研產(chǎn)用鏈條, 加速產(chǎn)業(yè)鏈循環(huán), 不斷提升國產(chǎn)海洋儀器設(shè)備的性能和質(zhì)量, 使國產(chǎn)海洋儀器設(shè)備成為真正的“國之利器”。
