!∀##∃气象水文海洋仪器∀##∃海洋监测技术的国内外现状及发展趋势国家海洋局海洋技术研究所朱光文摘要本文在海洋环境立体监测(观测)系统框架下描述了海洋监测(观测)技术的国内外现状及发展趋势涉及的内容包括海洋环境自动监测技术卫星遥感海洋应用技术及水声遥测技术基本上概括了海洋监测(观测)技术发展的全貌本文是为推进海洋监测高技术的发展而提供的技术背景材料虽然着重点是讲技术割的技术的实现要有载体但技术和仪器经常是不可分“了解海洋监测(观测)技术的现状及发展趋势有助于我们正确把握仪器设备的发展方向关海洋键词监测技术海洋监测已进入从空间沿岸水面及水下对海洋环境进行立体监测的时代)全面阐述了这种立体监测的框架洋观测系统(∗++,全球海点面结合粗细结合上下结合综合应用不同地域不同手段不同层次获取的数据解决不同层次的海洋环境问题∗++−∗++,本质上是一个全球性的海洋环境数据采集处理产品制作和产品分发服务体系的设计思想对建设我国的海洋立体监测系统有很好的指导意义∗++,中强调的主要海洋观测技术包括.遥感技术沿岸和水面现场自动监测技术水下声遥测和无人无缆潜器调查技术各种手段互相补充互相促进而不能替代每种监测手段都有自己的特点优势和局限性建设我国海洋环境立体监测系统需要有高技术的支撑一海洋环境自动监测技术世界上先进的海洋国家都十分重视海洋自动监测技术的研究和自动监测系统的应用∗++,计划提出以后各国又在积极发展海洋监测高技术和完善这些系统努力与∗++−接轨进入∗(/〕,框架为灾害预警和海洋监测服务的海洋自动监测系统通常以沿岸台站海上平台或浮标海底及调查监测船等为观测平台它主要由传感器单元数据采集控制和存贮单元数据处理和数据通讯单元及相应的监测平台和辅助设备组成目前海洋自动监测系统的发展特点是采用高技术提高实时监测和自动监测能力.综合监测测量参数包括水文气象化学生物多至近 !个参数如德国的∀#∃∀%&∋系统(模块化结构便于集成和拼装成不同用途的自动监测系统)实时传输利用无气象水文海洋仪器线或有线通讯手段向监测网络中心和用户实时传输观测数据据资源共享互为补充∗组网监测联点成网数+增强服务功能监测和服务一体化如挪威的,#%−%./0系统把数据采集处理分析预报产品分发及服务等多种功能集于一体是一个完整的实用系统1自动监测站早在3!年代初美国就发展了海岸海洋自动观测网45∀%679该网有83个站包括1个岸站个近海平台1:个灯塔 3个大型导航浮标1个锚系浮标使用∋%5.全自动数据采集遥控遥测系统测量参数包括;风速风向气温气压表层水温波浪潮汐露点温度降雨量及能见度同期美国还发展了,<=∀,水质监测系统能监测:个气象参数>?个污染参数观测数据经处理后直接发回岸站个水文参数1!年代末欧3洲集团的挪威和德国在欧共体尤里卡海洋计划4#≅∃47∀%∃7的支持下分别发展了,#%−%.50系统和∀#∃∀%&∋系统并都已进入市场,#%−%.50系统由超小型的海上.ΑΒ&,浮标和陆上数据处理中心组成可测量风速风向气温气压波浪海流水温盐度溶解氧营养盐放射性透射率等参数共有个软件包综合应用历史和现实的数据可进行数据质量检验海洋环境数值预报及信息分发这是一个适用于地区性海洋环境预报服务的实用系统例如当发生溢油灾害时它可以预报漂油的去向和结果系统已获准进入Χ47!>框架海洋监测系统该德国研制的∀#∃∀%&∋系统也是一个模块结构的全自动测量参数多达Δ:个除通常的水文气象参数外还有生物化学及物理参Ε数如溶解氧叶绿素颗粒浓度和粒径营养盐延时荧光重金属微量有机污染物光有源辐射辐照度多光谱光衰减放射性及湿气沉降等系统采用无线卫星或蜂窝电话系统通讯并配有大容量存贮器及时存贮数据以防通讯系统故障而丢失数据因该系统是模块式结构所以可以通过拼装集成为适用于岸站平台浮标船舶等不同观测平台和不同观测目的的观测系统该系统已在德国的.:个岸站 个灯标船ΧΑΑ,1个浮标上应ΧΑΑ,用部分实时观测数据进人全球电信系统4Χ的数据源7,;多数站已纳入框架作为观测数据已在以下方面获得应用水位和风暴潮预报服务Φ海冰监测服Φ务Φ(遥感数据校正Φ)温度盐度海流溶解氧4∋Α7及放射性的实时监测∗海洋气候变化时序数据的积累Φ+海洋渔业环境服务ΦΓ航海保障ΦΗ污染物迁移过程评估ΦΙ水位波浪污染物迁移数值模式的结果检验由于海洋生物污染和溶解氧等传感器本身的不稳定性水下仪器或传感器在工作一个月后必须进行清洗或重新标定上述系统的开发首要目标是提高欧洲集团国家的可持续发展的环境保障能力其次是提高海洋高技术产品的市场竞争能力传感器技术高可靠多功能全自动的数据采集控制单元功能很强的软件包系统可靠性设计技术系统抗干扰技术及水下仪器的防护技术等是构成白动监测系统的关键技术Δ海床基或水下自动监测系统这种系统主要用于海洋工程环境的前期调查和工程作业和环境保障的应用和发展它是潜标技术型波潮流仪可美国−ΑΑ∋,0Αϑ#Κ仪器系统公司推出的,ΕΛΕ/Δ1!!以测量波高波向波谱潮汐海流及温度其波向和波谱是利用−%Μ#Λ∃Α软件处理波浪和海洋数据后获得的间接测量结果仪器与声学释放器连接固定在水下最佳布放0!朱光文海洋监测技术的国内外现状及发展趋势水深约!0∋453∋71测量数据通过声数传输到水面然后由无线通讯系统发回岸站美国的&工6&系统公司推出的水下综合测量系统可以同时测量海流波浪潮汐水质和内存达到!0:;数据的脱机速率达到<=∃00波特所有的传感器都组装在,>人工磁场电磁海流计内大大简化了水下仪器结构最大使用深度=0001水质测量参数有以〕酸度(≅)及混浊度等波浪测量包括波高波向周期和波谱其中波向和波谱是通过软件处理得到的非直接测量结果Α系统可根据需要进行组合增减测量参数浮标系统这是一种很重要的水面或水下多参数测量仪器设备包括锚系资料浮标潜标表面漂流浮标中性浮标及抛弃式温深浮标等美国=0年代发展了锚系资料浮标用于定点连续长期的监测海洋表层水文气象和水质参数目前全世界约有Α0个资料浮标在位作业锚系浮标的发展目前趋向于专用小浮标和生态环境监测多功能浮标浮标仅仅是口布放了一个载体根据需要可以改变其大小和功能美国早在Β0年代中期就在主要河0多个水质监测浮标Α欧共体ΧΔΕ+:ΦΕ计划中其中有一项就是用于初级生产力测Γ〕0量和估算的小浮标试图通过连续测量和无机碳的浓度及通量结合生物量的估计入射光能量的测定及水团理化特性的测定估算透光层的初级生产力国外也用水质监测小浮标通过营养盐藻类颗粒浓度及温盐参数的连续监测来预测和预警赤潮灾害0年代初美国首先发展了潜标系统用于次表层或深海的海洋环境监测<代初到Β0年代初美国每年平均布放<0在位观测最大布放深度达系统从=0年一0套潜标∃现在平均每年维护!0套左右潜标ΗΒ0001布放回收率达到#<以上现已将ΦΙ)7ϑ应用于潜标表面漂流浮标是根据各种科学试验和海洋环境监测计划的需要而发展起来的一种移动观测平台从∃0年代初发展了单参数漂流浮标以来经过!0余年的努力已形成了适合不同目的的漂流浮标多数浮标用ΦΕ∗(〕,系统通讯和定位随着全球卫星定位系统(∗ϑ,)的成熟和降价已逐渐采用∗ϑ,定位及移动卫星通讯∀#Β>年美国人用飞机将浮标空投到Κ+,7ϑ≅ΓΧ咫风中监测咫风的发展强度和轨迹Λ在8+∗Φ计划中用了大量漂流浮标为厄尔尼诺和南方涛动(Χ,+)现象研究提供了非常宝贵的海流风气压及0个漂流浮标支持咫风预报Λ美温度资料Λ美国国家气象局咫风中心每年布放<一∀0方每年布放∀一!0个漂流浮标支持特定任务Λ近年来美国主要用漂流浮标跟踪和预测溢油和赤潮的漂移用漂流浮标的实时数据作为卫星遥感海洋应用的地面真值校准用实测数据技持海洋环境预报和天气预报模式研究和检验.近几年来漂流浮标应重点解决的问ΦΦ题是数据质量控制传感器的可靠性和布放技术Φ(扩大浮标的功能)发展智能和灵巧的浮标使其能在特别关注的地区自我导航获取通常手段不能得到的数据Φ∗改进数据通讯提高数据通讯能力气压目前的多参数漂流浮标可以实时监测气温海表面温度!Ν以内的温度剖面分布风速风向及全向环境噪声漂流浮标发展的另一个方向是水下拉格朗日中性漂流器智能型漂流器可根据预先设定的深度和轨迹由微机按程序控制在水下漂流测量一段路程后自动上浮通过%∃ΧΑ,系统发送测量数据和定位信息然后再下潜再漂移再上浮其轨迹是一条锯齿形折线它的显著优点是能给出大面积的测量值并能按预定的时间获得数据气象水文海洋仪器>!船基自动监测系统用船作观测平台组成可移动的海洋自动监测系统这是海洋监测技术的重要发展方向船基海洋调查监测技术的发展特点是向多功能发展提高船时利用率配备多种.调查监测仪器在一个航次中执行多项调查监测任务Φ努力提高现场调查监测的自动化程度例如用%∋5Λ测海流剖面带电控多瓶采水器5.∋剖面测量用拖曳式工综合测量系统同时监测水文和水质参数Φ(提高实时数据处理能力保证监测数据的有效性一般的调查监测船都配有船用微机局域网络资源共享共用终端实时分析船基海洋自动技术的研究监测系统有两种主要设备一是声学多卜勒海流剖面测量系统4%Π75Λ7;Φ二是温盐深剖面测量系统45.∋或5.∋193Δ十17!Θ07!年代末期由美国领先开展了:%∋5Λ年已有剖面深度 !Ν的船用%Π75Λ样机3!年代中期美国∃∋&仪器公司推出了最大剖面深度:!Ν%Π75ΛΦ。可同时测量1Δ3层的%∋5Λ以后逐渐形成系列产品近几年来%Π75Λ技术向两个方向发展一是扩大%∋5Λ的应用范围发展浮标潜标坐底及内河应用的二是向大深度海流剖面发展主要解决降低发射频率和增大换能器尺寸的矛盾 3Ρ0;例如按原技术路线发展发射频率降低到达到ΣΝ剖面深度达到1Ν则换能器直径将重量达到1>Τ左右目前解决的途径一是用相控阵声纳二是利用声相关海流剖面测量技术4%55Λ7∃∋&公司在这两方面都有研究成果并推出了新产品;产品工作频率 3Ρ0用宽带相控阵技术实现的%底深度可达到>Ν一%Π75Λ最大海流剖面深度可达1Δ!!Ν用%55Λ对Δ!!!Ν换能器直径1ΔΑ!Ν?ΔΝ/厚1!/Ν技术对底深度已达到全部从美国进口。海流剖面深度大于我国目前正式使用的%Π75Λ电导率457或盐度4,7测项目温度4.7和深度4∋745.∋Υ,.∋7是海洋调查和监测的常规观海洋中的各种现象或过程几乎都与海水的盐度和温度的时空分布直接或间接相为监测/.∋参数各沿海关适宜的温度和盐度是海洋生物生存和繁殖的基本条件国家都极其重视研究5.∋测量技术开发相应的5.∋测量仪器为了准确地测量跃层5.∋/.∋微小尺度的分层结构深海的温盐时空分布及水团的界面特性对越来越高要求高准确度高分辩率和几十毫秒级的时间常数因而5.∋测量仪器的要求测量技术成为海我国目前使用的洋监测高技术发展的重要内容和海洋高技术产品市场的主要商品仪器全部从美国进口温盐深测量技术的发展大致经历了三个阶段?!年代是模拟Φ补偿的,.∋阶段直接测量盐度通过补偿提高准确度:!年代是数字式5.∋阶段通过测电导率计算出盐度3!年代以后是高准确度智能Φ5.∋阶段具有零点自动校准量程自动切换温度和压力自动补偿自动处理回归曲线多路扫描测量大容量内存电缆传输和双向数据通讯给出数据和图形等功能5.∋由于微处理机和软件技术的应用和发展系统越来越精巧轻便和多功能且普遍都可携带多瓶采水器其关键技术是高精度小时间常数高可靠的传感器高速高精度的%Υ∋转换测量和控制电路专用的处理软件发展高精度的5.∋测量系统需要有很好的实验室条件例如传感器准确度的测量时间常数的测量及温盐传感器压力系数的测量都需要相应的高精度的测量设备和实验条件为!ςΨΕΩΞ公司生产的最新型5.∋系统其温度测量准确度是!美国,Κ!1℃分辩率!Δ℃Φ压力测量准确度是!!!巧Ζ4[,7分辩率为!!!1Ζ4国家一级计量标准的准确度温度为!!1℃压力为!!1Ζ7高精度传感器的制造是高技术而对高精度传!朱光文海洋监测技术的国内外现状及发展趋势感器的精度检测同样也是高技术没有相应的实验条件不可能发展高精度的.美国近几年推出的有代表性的7产品的主要技术指标如下7系统(∀):ΜΑ7ΝΟ+7Χ7系统(美国∗0公司最新产品)要素度导一范Α一Π围Α!℃准0确00Α℃度分辩率响应时间00<0<稳定性Ν月0000Α℃温电压0000<℃∋率力0一=<1Ν−∋1000Α10Ν−1000∀1Ν−5100Α0<000Ι1∋Ν1−40一=<00ΘΡ0ΑΗΣ,000∀<ΗΣ,00!1ΙΝ∀00Α<<<000∀<ΗΣ,0溶解ϑ≅氧0一!0&ΤΙ八0!1ΙΝΙ0!000Ι1ΙΝ∀0!一∀>>∀00∀∀000<0∀.传感器钦应变压力传感器(带温度补偿)四电极陶瓷电导率传感器铂电阻和热敏电阻温度传感器最高采样速度每秒器∀<=次工作方式为自容输出形式为数据和图形可带多瓶采水一(!),;Χ#ΙΙϑΙΥ−7系统(美国,∋6要温电压导ΡΤ4Θ最新产品)分0素度一范<一Π围Α<℃准0确度辩率响应时间0稳定性Ν月0000∀℃000!℃0=<<0&0!℃率力0一∃01Ν−∋1000Α1Ν−∋10000>1Ν−∋1000=<<00Α1−Ν∋10一Β000ΘΡ0一∀<1ΙΝ∀!一∀>00∀<ΗΣ,000∀ΗΣ,00∀<<000∀<ΗΣ,溶解ϑ≅氧0∀.&ΙΝ∀00∀1ΙΝ∀0!000<0Ι1ΙΝ∀0∀0∀∀000<0∀传感器数字石英晶体式压力传感器(带温度补偿)三电极玻璃电导率传感器(带强.制水循环泵)热敏电阻温度传感器最高采样速率为每秒!>次工作方式为自容输出形式为数据和图形可带多瓶采水器.ς+7Χ计划技术指导组推荐的7指标为要素度导一范<一Π围Α<℃准确度分辩率响应时间0稳定性Ν月0温电000>℃000!0000<℃∋0∃0<0∃0<0∀<<000Α℃率力0一∃01Ν−∋1&ΤΝ−10000Ι1Ν−∋100!000∀<10Ν−∋1压溶解ϑ≅40一=000ΘΡ00ΑΗΣ,00∀<ΗΣ,00∀<ΗΣ,氧0一∀<&一∀Ν∀>!一∀>0Ι1ΙΝ∀00∀1ΙΝΙ0000<00!1ΙΝ∀00∀0∀∀∀000<()∀气象水文海洋仪器!为检测和校准7仪器,∋6一Τ4ΡΘ公司研制了高精度的7仪器定标和校准设备其技术指标为.范围Π准确度分<Ω辩∀0率<温盐压度一<一Α<℃000<℃0℃度力<一>04=Β00ΘΡ00!00∀Η水槽的恒温波动度力效应测量设备<0000!℃水槽温场的均匀度0000∀℃另外还有时间常数和压高频地波雷达海面环境控测技术高频雷达用于目标的探测是基于目标物对雷达波的反射散射和多卜勒频移原理电波可以沿弯曲海面绕射到地平线以下很远的距离上Β00一Α000Μ1在无线电波的高频段由于波长较长(与微波相比)以及海水的高导电性垂直极化的无线远程探测利用天波探测距离在左右主要用于军事目的0年代起国外相继发展高频地波雷达探测海面∃环境参数的技术雷达波直接由地面向目标方向传播通过测量雷达波在波浪海流和风作用下产生的一阶散射和二阶散射特征来测量波浪海流和风等海面动力环境参数频雷达探测目标物的距离和精度与雷达天线及发射功率有关重点发展沿海动力环境应用雷达7+9ΦΕ高美国日本德国加拿大采用小型宽波束交叉环形天线已商业化主要应用于海湾港口石油平台为采油和钻井平台作业潜水作业近海江程港口管制肇事船跟踪等提供海面动力环境参数0<Μ1测流和风的作用距离约Β0Μ1测浪的作用距离约英国研制的测海洋表面流雷达(+,7Ε)性能与此类似英国法国澳大利亚重点测流的最大作用距离为发展中程地波雷达用窄波束阵式长天线天线孔径>Β01Ν#=01!00Μ1Ν>+0Μ1测波浪的最大作用距离∀Β0Μ1ΝΑ∃<Μ1使用高频地波雷达可以改善海浪.和海流预报参流流风风资料介绍的两种雷达的测量精确度如下表所示数速向向速窄波束系统∀一Α∋宽波束系统!一>∋1Ν<一∀!<一∀!Ν1−−∀0一∀<∃一∀<∀<Η∃一!<ΗΗ∀<Η∃一∀<ΗΗ波高周波期0=<0=<=传感器和海洋仪器传感器是海洋自动监测系统的核心部件也是制约我国海洋监测技术水平的主要因素之一传感器技术水平反映了一个国家的工业水平在海洋监测中还有许多目前不能用传感器测量的环境参数例如营养盐痕量金属痕量有机污染物它们还只能用取样分、朱光文海洋监测技术的国内外现状及发展趋势析的方法而这种取样分析已实现了自动化技术发展的重点之一这是美国最早在传感器和自动分析取样技术是海洋监测高.下面是几种有代表性的海洋仪器和传感器∀#ΒΑ(∀)球形人工磁场电磁海流计年推出的新型无活动部件的海流计带沟槽的外壳即是海流传感器的一部分内装两对钦材的电极当海流流过球体表面的人造磁场时产生与流速大小成正比的电压用电极测出电压即得到海流分量经矢量平均后得到海流流速矢量这是海流测量技术的新发展经多年改进目前已组合成为一个可同时测量波潮流7及水质参数的多功能自动测量系统(!)微结构测量用三维声学海流计这是美国和挪威最近推出的新技术用声学方法测量微小体积(如Ξ0,7耐)内的三维流速可用于微结构内的湍流测量海一气界面海一底界面内的通量测量速度分辨率达到0Ι11八测量准确度土0<Η最小测量深度!一Α515一种很小的皮托管方式的小型海流计可以用来在自由下落的探头上进行小尺度(∀01)湍流流速的测量用于研究海洋微结构(Α)光纤传感器这是近年来发展很快的一种测量技术工业上已经有成熟的光纤传感器在线应用在海洋监测方面的应用研究已有许多报导如光纤水听器分布式光纤温度传感器利用荧光方法测量藻类和油类的光纤传感器测量海水污染的光纤传感器漂流浮标光纤测温链等总体上海洋环境监测用光纤传感器尚处于实验研究阶段(>)痕量物质测量和分析仪器痕量物质包括重金属有机污染物及放射性物质为了分析和测定痕量物质通常需要采集大量的海水样品带回实验室进行分析测量法都在发展国外取样分析方法和微电极测量方美国新近发展了用微电极测量7ΘΧΥΕ+ϑΡ7ΥΨ&等重金属的方法基于类似电镀的原理并且将!0份的测量多个微电极集束成雪茄烟头大小的多用电极组进行多种重金属成:月又计划也列有用微电极测量重金属属的项目欧共体的另一条路是现场萃取富集的方法加拿大美国及欧共体都相继发展了这种技术定量连续泵水富集柱富集痕量物质然后取回富集柱作定量测量它用微机控制.其中关键技术是Φ分离颗粒并捕捉颗粒成份的萃取柱不管悬浮沉积物的多少保证以预定流速有效泵水的特殊泵它的优点是现场分离颗粒物质避免预处理和站污Φ既避免了使用大容;Φ量的采水器和存贮器又实现了连续采样(萃取柱4塔7既是存贮器又是贮运器减少了环境污染Φ)缩短了分析处理时间它可以悬挂在浮标或平台上也可吊挂在船舷很容易操作4>7营养盐现场自动分析仪营养盐是指亚盐盐氨氮磷酸盐及硅酸盐它是海洋生物生存的基本营养物质而水体的富营养化又可能引发赤潮及生物的病害因此营养盐是生态环境和污染环境的必测项目至今还没有可用于现场测量营养盐的传感器现有的方法是将由人工操作的实验室分析方法变为微机控制的全自动测量并使其微型化相当于在现场建一个全自动的微型的营养盐分析实验室一般用实验室的化学分析流程例如将盐用锅气象水文海洋仪器一铜(7Θ一7Υ)还原法还原成亚盐然后用偶氮法测量分析结果略低于实验室精Ζ度它取决于仪器设计的水平其体积(单个参数)约为。!0<=00(11)现场布放一般半个月最长一个月届时要取出清洗并更换和添加相应的化学物质水加液分光光度测量系统设计及指示剂的稳定性技术(=)溶解氧现场测量关键技术是自动泵)是生物生存的必要条件也是海水中某些化学过程的物质基础溶解氧(以〕9+的现场监测是海洋界多年努力的一个目标国外某公司近几年已花费几百万美元致力于以)传感器的研制但至今还没有一个能普遍推广应用满足海洋环境条件可长期工作的9+传感器主要困难是污染压力影响响应时间长及可靠性差目前比较普遍的测量方法是极谱法和原电池法温度和压力的影响用同步测温测压方法进行修正特别是与高精度7配合使用时可以得到很好的补偿经常冲洗或自洗洁或者定期校准污染将堵塞传感器的氧通道因此必须当与7丁9配合使用时Ι1Ν,的下降速度要求9+传感器有很小的时问常数因此对薄膜的材料及厚度有很高的要求欧共体的ΧΔΕ+:ΦΕ计划中就安排有研究用光纤传感器测量溶解氧的内容(∃)海水透射率和悬浮物浓度的测量海水的透射率和悬浮物浓度是水质监测的重要指标植物的生长繁殖是至关重要的技术一直是海洋界关心的内容浮物质黄色物质或藻类光对于海洋生物尤其是浮游而海水中过多的悬浮物质可能使海洋生物窒息藻类的数量也是判断是否产生赤潮的主要标志因此海水透射率和悬浮物浓度的现场自动监测对透射率的测量通常用光学方法挪威的+7ΧΦ+Ε公司推出的三色光的透射率传感器根据三种光谱的衰减程度确定海水的透射率并区分悬美国最近推出的[,,8Γ<一∀0激光散射仪可以测颗粒浓度和粒径谱标准测量范围为<一<0即1采样率为个粒径分布Ν每次对悬浮物浓度的测量也可以用声学散射法这方面也有不少报导和相应的仪器(Β)水声换能器海洋环境中的很多参数可以通过声波的测量获得研究水声发射和接收的换能器是海洋高技术的重要内容海洋噪声场混响场海底地貌水下通讯声成像海洋温升等特征ΦΙ)7ϑ等都离不开使用换能器利用海洋环境场某些声学参数的测量还可以反演海底底质风暴潮大洋宏观结构全球水声换能器是为这些测量提供技术支撑的重要传感器目前国外在接收用水听器和发射换能器方面正朝着系列化标准化方向发展一批具有高电压灵敏度()∃一#0超)低加速度灵敏度(簇∀一0心)的水听器已经投人使用=利用稀土材料和新型弯张型结构的低频大功率深水用的换能器也正在研制之中国内海洋自动监测系统及仪器的现状在广大海洋科学技术工作者的努力下几十年来在海洋环境监测技术方面取得了较大的进步、<但总体来说目前我国的海洋监测技术落后于先进海洋国家∀年左右实际上还没有形成海洋环境立体监测的能力更谈不上与∗++,接轨先进的海洋仪器和系统主要依靠进口具有Β0年代中期水平的全自动海洋站有Α个其中南沙站监测参数最多有#个水文气象参数用卫星通讯近年来已被从美国进口的自动监测系统所代替Λ其!朱光文海洋监测技术的国内外现状及发展趋势余海洋站多数实现了仪器观测少数波浪站还用目测和实时信息传输能力“”因此现有海洋站不具备实时监测4Ζ通过七五攻关研制了∀0个资料浮标其中小浮标的功能是参考英国:6∋浮标设计的使用ΦΕ∗(〕,卫星通讯可监测#个水文气象参数01直径的大浮标有=个∀可监测Β个参数用≅Σ通讯由于传感器水密接插件微机和控制系统及其他部件的可靠性差加上渔民的因素上述浮标的在位率和有效数据获得率都远低于国外资料浮标的水平监测数据质量差不能为海洋环境预报提供有效的实时监测数据上有所改进已利用没有明显的提高近几年在技术ϑ∗,定位和Γ:ΦΕ,8一7卫星通讯但传感器及系统的可靠性仍然单参数表面漂流浮标已有网!个样机其中一个进行了∃个月的海上试验因此实际上在我国管辖海域内没有形成有效的海洋环境实时监测能力且因数据质∗8,量差而不能进人浅海潜标系统比较成熟千米以上的深海潜标系统经过水下0<天的试验并应用于黑潮调查潜标用海流计还不能满足使用要求∀船基调查监测系统中我国研制了系统,Ψ7=一,系统并应用于南太平洋调查其中∀型,系统的主要技术指标为.素度度力要范围准0确0<℃度分辩00∀℃00∀∀率响应时间∀000<稳定性Ν月00∀℃温盐0一Α=℃>一Α=00<60<00<00∀压0一=0:ϑ0<ΗΣ,0∀ΗΣ,0<00<0∀ΗΣ,传感器振弦式压力传感器感应式盐度传感器铂电阻温度传感器−工作方式为自容为0<次Ν.最高采样速率从上述指标看出我国的,水平要比国外同类仪器低一个数量级主要差距在传感器和测量控制系统人上述仪器是国内Β0年代末的最高水平近几年来由于没有经费投7仪器全部依靠进口+1国内已开展了Φ97ϑ技术的研究实验样机工作深度达到<01∀对底深度达到!<最大测层数∀Β!层流速准确度∀一Α51−Ν最小层厚Ι1工作%.频率为!00Μ≅ΝΑ00Μ≅但与美国产品相比技术上还有较大差距要形成生产能力替代进口产品特别在换能器的设计和信号处理技术方面还需要做很多工作在高频雷达海洋环境监测技术方面、Β=年代初开展了高频地波雷达探测海上移动军事目标的研究Β0年代末开展了高频地波雷达探测海洋表面环境参数的研究工作#0年代初武汉大学研制了海态分析雷达原理样机(+,:ΦΕ)取得一些理论研究和现场试验研究成果海洋仪器和传感器方面通过近十几年的努力取得了一些进步先后研制成功了实验室盐度计空气声学水位计等十多种常规调查监测用海洋仪器实现了主要物理环境参数的仪器测量监测网但这些仪器大都是半自动测量必须有人干预或介人还不能进入全自动要建立海洋立体监测系统提高实时监测能力对这些仪器都必须进行改造提高其自动化水平环境污染和生态环境监测的仪器基本上处于取样分析的水平上发展化学参数测量气象水文海洋仪器!传感器是一项重要任务在海洋监测仪器设备的发展中国内存在的主要问题是.对海洋监测仪器设备的发展缺乏总体规划缺乏系统设计因而构不成系统形不成整体实力Φ研制与应用脱节海洋环境监测海洋科学研究和海洋工程作业对海洋仪器设备的需求与海洋技术的研究和仪器设备的开发之间不衔接缺乏协调Φ(国外先进海洋监测技术和仪器设备进入国内市场而对国内海洋监测技术研究和仪器设备开发又缺乏资金注入因而国内海洋监测仪器的研制和生产日趋萎缩国内海洋仪器市场基本上被国外占领一些研制和生产单位纷纷改行基本倒闭Φ)海洋监测仪器设备的发展缺乏高技术的支持与先进海洋国家有很大的技术上的差距在技术上开展国际合作的可能性很少因此如果不是从国家的层次上来支持海洋监测高技术和关键仪器设备的发展开发高技术产品并形成生产能力就不可能替代进口也不可能取得商业竞争的机会二卫星遥感海洋应用技术119?!年美国发射了第一颗气象卫星.∃&Α∴一1热红外图像中包含了无云海区丰富的海面温度信息海洋学家们正是从这红外图像上发现了海洋中尺度涡旋的宏观影像及其广泛存在从而改变了对大洋环流结构的传统认识这一发现被公认为:!年代海洋科学最重大的进展之一代从此卫星遥感成为监测海洋和认识海洋的重要工具,#%,%.一19:3年美国发射了世界上第一颗海洋卫星1它标志着海洋监测进人了空间遥感时199>经过几十年的努力卫星遥感技术已趋成熟年至Δ年约有>!个对地观测卫星将被送入空间轨道而Δ!!!年前在轨运行和将要发射的与海洋有关的卫星达到约Ζ!个卫量遥感海洋观测已覆盖了: !的海洋环境要素卫星遥感信息量的增长速度已大大超过人们对遥感信息资源的开发利用能力总的趋势是卫星遥感技术已经从科学研究和技术开发阶段向产业化方向发展;Δ目前卫星遥感技术发展的主要特点表现在以下几个方面改进遥感器提高功能Κ−&例如,Ε[,中增加81!]Ν波段有助于分离叶绿素Ε等色素克服5Σ5,的不足Φ现有的陆地卫星在!8一Δ>拜Ν.]Ξ∴∀波段宽度只在?ΛΚ/!一Δ:!Ν范围内而高光谱40⊥ΛΚΤΞΕΠ7遥感器可细到 ]Ν的波段宽度且通常有Δ>一Δ!>个数据通道美国计划199:年发射的小卫星波长内分 38个光谱波段Φ199>!年发射的加拿大的雷达卫星4∃%∋%∃!7的雷达波束入射角可自由地从小于Δ,.%到?!一!间变化从而使其可采用:种不同的波束方式和Δ>种波束位置收集数据而#∃,1和_#∃,一1只有一个固定的人射角199>提高分辨率随着冷战局面的结束高分辨率卫星遥感开始应用于民用如一年发射的印度1999&∃,&5全色相机4Λ%67用55∋推扫方式成像分辨率达到Φ>3Ν并计划于年发射的后续卫星其分辨率可达到!3一ΠΝΔ>Ν美国计划199:年发射的5∃,,卫星的地面分辨率可达到多光谱分辨率为8Ν(发射小卫星为降低成本1缩短卫星研制周期趋向于发射小重量的专用业务卫星如美国计划于5ϑ%只⎯199?年发射的卫星从概念设计到卫星送入轨道只需Δ8个月卫星总重量仅?1磅)改进一轨道设计提高数据获得率和缩短区域覆盖周期如#∃,一1覆盖周期为 >天_#∃,1!朱光文海洋监测技术的国内外现状及发展趋势为>天而ΕΦΓ〕ΦΕ,Φ8仅!>天且因ΕΦ9ΦΕ,Φ8具有可变入射角和多波束方式的特ΩΤΞΚΚ点使其对某一特定区域重复观测的频率大大增加在高纬度地区重复频率可高达一天一次∗提高数据处理能力ΕΤΚΞΚαβΞΝ例如7利用相干雷达技术&6,%∃4&],%∃7可以获得动态特征日本曾用199Δ年兵库地区地震前,%∃资料与199>年地震后的,%∃资Κ料进行Ω∴β工67使不同分辨率的数据融合后制出各种应用的彩色图像充分挖掘各种资料的潜力]%,∃7利用图像数据融合技术4&ΝΕχ分析获得了地表变动干涉图ΦςΨΕΤΕαδ加拿大一公司即将出版的海岸带地区监测管理和预测软件%ε0∃∃一Τ,ΚΕ/Ε∴融合了及%∋#Α,的数据一+∃,Χ,及ΧΛ,综合应用&Γ获取时序数据%,∃例如#∃,1#∃,Δ上携带5波段雷达散射计可得到全球海洋近表面风矢量的数据日本的一%Π7#Α,一1和%∋#Α,Δ上携带⎯δ波段测风雷达散射计欧空局将在本世纪末发射的∀#.ΑΛ,上也带有5波段雷达散射计因此海洋学家和气象学家可以期待获得连续1!年的用雷达散射计测量的海风矢量数据Η产业化应用和服务#∃,一例如欧共体和挪威空间和雷达高度计数据中心共同投资资助挪威Α5#%6Α∃公司利用编制世界海浪图1卫星的,%∃它将是世界上第一个包含全球各海区波浪统计数据和极值数据的海浪图集为海上交通运输业海洋油气业和近岸工程提供商业服务星遥感数据资源促进可持续发展Ι区域合作共用卫例如1998年在北京召开了亚太地区空间应用促进发展级会议通过了空间应用促进可持续发展区域合作战略等三个重要文件 具有代表性的主要星载遥感器417合成孔径雷达4,%∃7它具有全天候全天时和高空间分辨率观测的特点基本上不受云层的影响可以提供不同于光学遥感器的物理信息#Α,美国#Α,卫星上的上的%,有∃有ϑ5φ 个波段8种极化方式人射角可变动口拿大的∃%&7%∃,%.,%∃>种工作模式成像宽度可调最高分辨计可达]φ4Ν7约两天可以覆盖我国9一次可广泛应用于动态环境变化监测4Δ7雷达高度计4%ϑ.7它具有全天候全天时工作特点可进行多参数同步测量主要用于海面高度和地形测量并可获得海洋重力场海面风场浪场和海水的信息Τ国海军193>年星载高度计的遥感卫星ΧΚ∴βΕ美对全球的海洋重力场和环境参数进行高密度的观测提供军事目的产品服务Φ为配合大洋环流实验4−Α5#7计划美Υ法联合发射了.ΑΛ#φ6卫星用于海平面测量其测高精度达到Σ/ΝΥΛΑ,#&∋4〕经过卫星海面高度测/Ν 量分析发现近两年来全球海平面呈上升趋势上升幅度为每年!与验潮仪观测的统计平均结果!1一!/Ν基本吻合Δ并利用%ϑ.的观测结果绘制世界上第一幅全球大洋海底地形图4 7雷达散射计4%5%.7主要用于测量海面风矢量#∃,人∋#Α,∀#.ΑΛ,的相继!年的雷达散射计测量的海面风矢量数据发射可以得到连续1通过雷达高度计和雷达散射计在空间和时间上的重迭可以进行海洋环境及其主要驱动力以及海面风的研究海温和海冰∀Α,487微波辐射计4∀∃7主要用于高度计和散射计测量数据的大气修正测量海面风∋∀,Λ.ΑΛ#φΥΛΑ,#&∋Α6#6ε&,%.%Π7#Α,上都搭载有∀∃4>7红外辐射计4&∃7主要用于海表面温度测量是海洋科学家最早用于解译海洋环境的遥感信息源目前已在海温和海冰监测渔海况速报等方面得到广泛的应用美国的气象水文海洋仪器+ΦΦΝΦ∴≅ΕΕ!仍是目前海洋遥感最重要的信息源ΧΕ,一∀ΧΕ,一!上搭载的Φ8,Ε(轨道扫描辐射计)可进行双角度重复测量提供更为精确的大气校正从而提高海表温度遥感精度(=)海洋水色仪(+7)主要用于研究海洋生物初级生产力海洋环境污染及其他与海工Σ,色有关的海洋现象∋ς美国将发射搭载,6−346替代失效的7Ψ7,Λ日的水色卫星,∋6本的Φ9Χ+,一∀)搭载水色水温遥感器(+78,Χ+,Φ9Χ+,一!≅上将搭载全球成像仪(∗[Γ)Λ,和中分辨率成像光谱仪ΕΓΓ美国的对地观测卫星上将搭载高分辨率成像光谱仪(:+9Γ,)其中≅ΓΕΓ,在0>一!<拼1之间分成∀#!个通道扫幅宽ΑΜ1分辨率<−1Α01是目前最先进的光学遥感系统(∃)全色相机(ϑΦ)我国也将于近几年发射海洋水色卫星,一印度的ΓΕ<∃Γ7上已搭载这种相机分辨率为带宽0∃Μ1光谱范围为0<一0拼1有士!=0侧视能力可立体成像在<天内重复拍摄同一地区成像方式为779推扫已有计划分辨率提高到!−1就全球海洋环境卫星遥感而言最急需的是要改进对海表水温海冰海面高度和地形水色海面风Ν浪的监测提高数据处理加工及产品开发服务能力>国内海洋遥感应用研究概况目前我国卫星遥感海洋应用主要依靠国外卫星资料还没有国产的海洋卫星+ΦΦ卫星资料主要应用于海面温场分布大中尺度海洋动力学研究渤黄海海冰动态监测及我国临近海域的渔场环境研究要信息源速报图”+ΦΦ卫星图像已成为我国海冰预报业务的重渔业部门利用+ΦΦ的卫星红外图像分析渔场环境作出了东海黄海海况“分析渔场变化准确掌握中心渔场位置指导渔业生产提高渔获量和节约能源发挥了积极作用取得了显著的经济效益陆地卫星应用方面主要应用[Φ9,Φ8卫星资料调查和研究海岸带河口浅海岛礁在岸线长度及滩涂面积量算岸线和沙滩演“变研究浅海水深测量岛屿调查水下暗礁探测河口悬浮沙分布及冲淤规律研究等方面都取得了一批成果0年代中期应用国产国土普查卫星的照像成果研究黄河人海口Β的悬浮泥沙分布发现了由高悬浮沙浓度海水构成的逆时针涡旋对认识该海域流系和悬浮沙输运过程有很大价值处理技术ΧΕ,在卫星遥感海洋应用技术如,ΦΕ的应用数据同化和融合一∀数据的应用等方面也取得了一些成果总体上说我国卫星遥感海洋应用技术尚处于比较分散的科技研究和技术开发阶段还没有形成卫星遥感信息产业化服务的能力和机制“因此在灾害预警海洋监测及为海洋经济发展服务方面卫星遥感海洋应用技术所做的贡献还不显著卫星遥感资料在海洋环境预报中的利用率中有<Η九五期间应集中卫量遥感海洋应用的科技力量围绕海洋立体监测灾害预警及为海洋渔业服务等目标开展高技术研究逐步向卫星遥感信息产业化方向发展三水声遥测技术声波是目前已知唯一可以在海洋中远距离传播的能量形式利用声波在海水介质和各种界面中传播所发生的各种物理现象可以实现对海洋某些环境要素的监测和对水中目标物的探测因而水声遥测成为海洋观测的重要手段水声遥测基本上分为主动遥测Ψ朱光文海洋监测技术的国内外现状及发展趋势和被动遥测两大类∀海洋环境监测对水下目标物的探测和成像及水下声多媒体通讯是当前水声应用技术发展的主要内容声成像技术激光技术和779器件的发展使水下光成像(光照相Ν摄像)有了长足的进步提高了分辨率增强了清晰度缩小了水下光学相机的尺寸增加了光成像的作用距离但由于光波在水中传播的严重衰减即使在很清洁的海水中光成像的最大作用距离至今只达到01<因此人们把希望寄托在水声成像技术上尤其在沿海混浊水体情况下更是如此线列阵声换能器阵可以提高对目标的方位分辨率但线列阵在实用上相当不便为达到高的方位分辨率线阵要做得很长受雷达探测技术中的合成孔径雷达的启发先进沿海国家正在研究一种合孔径声纳合成孔径线阵声纳是利用接收基阵在拖曳过程中对海洋中目标反射信号的时间采样经延时补偿构成目标的空间图像.它以小孔径的基阵获得大孔径基阵才具有的分辨率这是声探测和声成像技术的重大突破合成孔径声纳成像的关键技术有拖曳基阵的姿态控制实时时延修正逆散射图像重建技术海洋介质时空变化引起的声信号起伏的处理技术达到>001在国外一直到∀##!年才在技术上有所突破并且出现了被动和主动两种工作方式的合成孔径声纳0分辨率达到∀∀##<年完成了实验样机目前作用距离51但至今还没有商品出现国外目前的发展趋势是提高分辨率和作用深度!国内中科院有关单位已开展了该项技术的应用基础研究∀#∃#声层析技术海洋声层析法监测海洋环境是美国的芒克和旺恩年提出的设想并在∀#Β∀年在海上三维空间进行验证它利用多个声发射和接收器之间的声传播所携带的海洋内部结构信息经计算机处理获得海洋运动和变化图像它类似于医学上的计算层析术(78)目前有两种方法一是温度层析法通过精确测量声源到接收器之间的声传播时间来测量大尺度的海洋温度变化变化试验表明可以检测出沿!<00Μ10路径上∀”Ω的平均温度近年来发展的Φ8+7测温系统其测量问距可达∀0000Μ1它用于探测由于气候波动引起的海洋温度变化量实验结果证实Φ8+7有可能测量整个大洋盆的平均温度并揭示大洋的内部结构二是速度层析法通过测量声发射和接收器之间双声线传输的0时间差来测量流速分量测量声传播时间达到∀“0量级相当于测量海流达到∀“量级或精确到∀−11−Ν利用声层析术可以测定大尺度的温度热通量海流涡流上升流等环境参数<001大范围声层析系统需要低频宽带声源例如欧共体一<0≅%ΧΔΕ+:ΦΕ∀#0计划中的声.层析成像低频换能器指标为频率!0<带宽]Ξ>声级⊥;工作深度⊥Θ效率⊥<0Η目前声层析成像技术的发展是利用∗ϑ,的高精度定位功能设计船一船声层析系统或船一系留装置混合的声层析系统可以快速绘制大面积的海洋层析图定位值用于修正船不稳定带来的测量误差美国加拿大欧共体日本都相继发展了该项技术并开展了相应的试验Α水下声多媒体通讯水下声多媒体通讯是海洋科技界多年来追求的一个目标陆地上一样快速的传输语音图像文字及数据人们希望在水下也能与在:ΦΕ计划中列了几项有欧共体ΧΔΕ+关这方面的发展项目例如研究水下声通讯距离达到∀00Μ1应用于环境控制和海洋调气象水文海洋仪器−和距查作为无线链路卫星传输的补充Λ水下声图像传输技术主要研究速率大于!ΜΝ0Ρ离达到Α0001的水下声数字传输技术用于近底运动中的潜器到表面舰船之间的图像传输−国内在国家自然科学基金和Β=Α相关项目的支持下开展了这方面的研究厦门大学和哈尔滨工程大学在这方面都取得了较好的成果水声遥测的数据传输速率达到∀=ΜΡΝ在水深Β一!01的浅海声信道中传输距离达到−Μ1∀0Μ1Λ数字语音通讯的速率达到=ΜΡΝ−∀!ΜΡΝ−最远通讯距离达到∀0Μ1语音清晰Λ视频图像传输速度为.最远传输距离达到其中解决的关键技术有数据压缩技术高效高速数据编码解码技术抗噪声和抗多路效应技术及精密同步技术等的基础>这些成果为发展水下声多媒体通讯技术奠定了较好水生生物资源水声定量评估技术水声技术定量评估水生生物资源始于=0年代中期它是依赖电子学计算机和现代水声技术发展起来的一门新兴交叉学科挪威科学家对此作出了突出的贡献声学法评估水生生物资源为船用走航方式具有调查速度快覆盖面大准确性高预报及时不伤害鱼类资源等优点是ΣΦ+(联合国粮农组织)推荐并为Γ7Χ,(国际海洋考查理事会)成员国公认的先进勘测手段0年代挪威研制了ΒΤ14−6ΘΧΩ>0Π]9回声探鱼一积分系统用于海洋生物资源的声学评估与研究Τ146开发出居国际领先水平的新一代,近∀00年来随着渔业声学研究的深人和信Τ14Θ6的声学水生物资源评估系统经历了多次更新现已息处理技术的飞速发展挪威,ΘΧΩ0<系统它的主要特点是目标定位准确.能测定目标强度扩大了信号动态范围探测深度及检测层次能满足现代水生物资源调查的主要要求设备问世后即被沿海发达国家广泛采用!美国购置∀部装备海洋生物资∀源调查舷我国周边沿海国家中俄罗斯有∃部日本有Α部马来西亚国省>部印尼!部及我部水声评估生物资源的关键技术主要有被测生物反射特征4目标强度7.的测定Φ信号捕捉识别与判读Φ(鱼群成像技术Φ)快速大容量数据处理技术Φ∗取样网具及其状态控制与监测技术Φ+海洋地理信息数据与生物资源属性的匹配和取样技术ΦΓ系统的长期稳定性和精密校准技术发展水声海洋生物资源监测和资源评估技术还具有国防建设意义利用水声技术进行海洋生物考察可以摸清海区发声生物种类群体及个体自然发声规律4包括昼夜季节地理分布与海况7摸清声级及其频谱结构建立海区自然噪声图谱用于发展水下兵器和防御海上仿声人侵建立自适应报警系统
