這個(gè)傳感器100%靠進(jìn)口，為什么中國(guó)造不出來(lái)？這才是被卡脖子最嚴(yán)重的地方！

2020 年, 世界上最大的CTD 傳感器生產(chǎn)商——美國(guó) Seabird 公司對(duì)我國(guó)用戶限制采購(gòu), 其產(chǎn)品不得用于“軍事最終用途”或“軍事最終用戶”，導(dǎo)致我國(guó)幾乎所有的水下移動(dòng)平臺(tái)均無(wú)法采購(gòu)到該公司 CTD 傳感器產(chǎn)品, 短期內(nèi)又無(wú)法獲得相應(yīng)的替代儀器, 嚴(yán)重影響了產(chǎn)品應(yīng)用,?“卡脖子”之痛油然而生。

據(jù)2020年由傳感器國(guó)家工程研究中心等四個(gè)行業(yè)核心機(jī)構(gòu)，聯(lián)合發(fā)布的權(quán)威報(bào)告《中國(guó)傳感器發(fā)展藍(lán)皮書(shū)》，特別寫(xiě)到中國(guó)高端傳感器的應(yīng)用市場(chǎng)幾乎被國(guó)外壟斷，其中列舉了汽車(chē)傳感器、智能氣體傳感器、光纖傳感器等多個(gè)高端傳感器市場(chǎng)領(lǐng)域，國(guó)產(chǎn)傳感器品牌市場(chǎng)占比最高不超過(guò)10%，即90%以上高端傳感器需要靠進(jìn)口。特別的，有一個(gè)傳感器領(lǐng)域國(guó)產(chǎn)占比為0%！就是說(shuō)該傳感器領(lǐng)域100%靠進(jìn)口。

藍(lán)皮書(shū)特別提到的這個(gè)國(guó)產(chǎn)0%市占率的傳感器領(lǐng)域，就是海洋傳感器，主要是CTD儀、ADCP儀用傳感器，尤其是CTD儀，溫鹽深(CTD)是海洋動(dòng)力環(huán)境要素中最基礎(chǔ)的環(huán)境信息, 海洋調(diào)查首先是對(duì)海水的溫度、鹽度隨深度分布及變化的調(diào)查。所有的海洋觀測(cè)監(jiān)測(cè)平臺(tái)都要集成和應(yīng)用溫鹽深（CTD）傳感器，相關(guān)測(cè)量?jī)x器已普遍應(yīng)用于臺(tái)站, 船舶, 浮標(biāo), 潛標(biāo), 座底式、拖曳式和水下運(yùn)動(dòng)平臺(tái)等。

0%的國(guó)產(chǎn)市占率，讓我國(guó)在該項(xiàng)傳感器技術(shù)一直依賴于進(jìn)口、受制于人。本文來(lái)自國(guó)家海洋技術(shù)中心，全面闡述了我國(guó)溫鹽深(CTD)傳感器的自主創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的相關(guān)情況，能夠全面了解我國(guó)這個(gè)卡脖子最嚴(yán)重的傳感器領(lǐng)域！

文中所提出“鮮有人或單位愿意沉下心來(lái)對(duì)海洋傳感器的高性能敏感材料、封裝材料等進(jìn)行研究?！薄?strong>在傳感器的測(cè)量機(jī)理等基礎(chǔ)研究方面主要照抄國(guó)外, 缺乏系統(tǒng)深入地研究。為完成科研項(xiàng)目驗(yàn)收,?片面追求見(jiàn)效快，很多是知其然不知其所以然?！薄艾F(xiàn)階段傳感器批量制作, 不是靠工藝保證，而是靠后期篩選分檔”……等觀點(diǎn)，同樣適用于我國(guó)其他傳感器領(lǐng)域困境。

海洋動(dòng)力環(huán)境要素中, 海水溫度、鹽度、深度是最基礎(chǔ)的海洋環(huán)境信息, 海洋調(diào)查首先是進(jìn)行海水的溫度、鹽度隨深度分布及變化的水文調(diào)查，因此溫鹽深(conductivity temperature depth,CTD)是海洋調(diào)查和監(jiān)測(cè)中最重要的常規(guī)觀測(cè)項(xiàng)目。

而在海洋技術(shù)中, 傳感器作為感知部分, 在海洋監(jiān)測(cè)/探測(cè)領(lǐng)域居于核心和關(guān)鍵地位, 因此所有的海洋觀測(cè)監(jiān)測(cè)平臺(tái)都要集成和應(yīng)用 CTD傳感器, 其測(cè)量技術(shù)受到普遍重視。相關(guān)測(cè)量?jī)x器已普遍應(yīng)用于臺(tái)站, 船舶, 浮標(biāo), 潛標(biāo), 座底式、拖曳式和水下運(yùn)動(dòng)平臺(tái)等, 如圖 1 所示。

目前, 國(guó)外在海洋 CTD 傳感器的產(chǎn)業(yè)化方面已經(jīng)相當(dāng)成熟, 產(chǎn)品性能也居于世界領(lǐng)先地位。在眾多國(guó)家級(jí)項(xiàng)目的支持下,?國(guó)內(nèi)傳感器科研樣機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)已基本接近國(guó)際先進(jìn)水平, 但存在著產(chǎn)品化程度不高、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定、環(huán)境適應(yīng)性差等缺陷, 業(yè)務(wù)應(yīng)用中對(duì)進(jìn)口傳感器的依賴程度達(dá)到 90%以上。

1.1 國(guó)外現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì) CTD 測(cè)量技術(shù)的研究始于 20 世紀(jì) 60年代, 美國(guó)、德國(guó)和日本等國(guó)先后開(kāi)展了 CTD 傳感器的研制, 研發(fā)出各具特色的產(chǎn)品, 并在海洋調(diào)查觀測(cè)中獲得了廣泛應(yīng)用。

目前, 世界上主要海洋科技強(qiáng)國(guó)都擁有自己的 CTD 知名企業(yè), 包括美國(guó) Seabird 和 RDI, 加拿大 AML 和 RBR、德國(guó) Sea & Sun Technology、意大利 IDRONAUT、日本 ALEC 以及英國(guó) VALPORT 等。其中,Seabird 公司的 CTD 傳感器產(chǎn)品在精度、可靠性等方面尤為突出, 占據(jù)了國(guó)內(nèi)外大多數(shù)市場(chǎng)份額。一般按照船載、水面和水下、機(jī)載 3 類搭載平臺(tái)對(duì) CTD 傳感器進(jìn)行系列化分類, 具體如圖 2所示。

水面和水下固定平臺(tái) CTD 傳感器主要應(yīng)用于海洋臺(tái)站、浮標(biāo)、潛標(biāo)和海底平臺(tái)等, 突出特點(diǎn)表現(xiàn)為長(zhǎng)期穩(wěn)定性優(yōu)異, 尤其是在淺表層應(yīng)用, 具備相應(yīng)的抗生物附著措施, 滿足其在水中長(zhǎng)期連續(xù)工作的需求。

水下移動(dòng)平臺(tái) CTD 傳感器主要應(yīng)用于潛水器、自主遙控水下機(jī)器人(automatic remote vehicle, ARV)、遙控水下航行器(remote operated vehicle, ROV)、無(wú)人水下航行器 (unmanned undersea vehicle,UUV)、自主水下航行器(automatic undersea vehicle, AUV)、水下滑翔機(jī)和 Argo 浮標(biāo)等, 需要盡可能不影響平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)特性, 其突出特點(diǎn)為高精度、體積小、低功耗及低流阻等。

1.2 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)海洋 CTD測(cè)量技術(shù)始于 20世紀(jì) 70年代,?國(guó)家海洋技術(shù)中心先后研制了千米和 3000 m 自容式 CTD 自記儀, 并成功參與了我國(guó)首次南大洋考察。

90 年代后期, 隨著國(guó)際海洋科學(xué)研究的興起, 世界環(huán)流試驗(yàn)計(jì)劃(world ocean circulationexperiment, WOCE)對(duì) CTD 測(cè)量技術(shù)與設(shè)備提出了更為先進(jìn)的技術(shù)指標(biāo)要求。

“九五”開(kāi)始, 海洋監(jiān)測(cè)技術(shù)正式列入了國(guó)家科技部“863”計(jì)劃,實(shí)現(xiàn)了技術(shù)跨越性的發(fā)展。國(guó)家海洋技術(shù)中心、山東省科學(xué)院海洋儀器研究所、中科院聲學(xué)所等國(guó)內(nèi)科研機(jī)構(gòu)先后研發(fā)了各種新型 CTD 傳感器，傳感器精度、響應(yīng)時(shí)間等技術(shù)指標(biāo)上, 居于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先并接近國(guó)際先進(jìn)水平, 大大縮小了與先進(jìn)國(guó)家的技術(shù)差距。

1.3 國(guó)內(nèi) CTD 傳感器應(yīng)用的“卡脖子”之痛

盡管?chē)?guó)產(chǎn) CTD 傳感器技術(shù)研究已經(jīng)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步, 與國(guó)際先進(jìn)水平的差距正在縮小，部分指標(biāo)甚至已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平,?但其產(chǎn)品的批量生產(chǎn)幾乎空白, 業(yè)務(wù)應(yīng)用方面更是嚴(yán)重依賴于進(jìn)口，進(jìn)口 CTD 傳感器幾乎占據(jù)了我國(guó)海洋調(diào)查的“整壁江山”。

國(guó)家通過(guò)各類專項(xiàng)計(jì)劃在 CTD傳感器研制方面投入數(shù)千萬(wàn)的研發(fā)經(jīng)費(fèi), 而真正可得到用戶信任的產(chǎn)品卻少之又少。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì), 截至 2019 年, 中國(guó)市場(chǎng)的各類型 CTD 傳感器市場(chǎng)規(guī)模約 1.5 億元，其中 95%由國(guó)外 CTD 傳感器占據(jù), 指標(biāo)超過(guò) 7000 m 的高端 CTD 傳感器更是 100%由國(guó)外壟斷。

2020 年, 世界上最大的CTD 傳感器生產(chǎn)商——美國(guó) Seabird 公司對(duì)我國(guó)用戶限制采購(gòu)，其產(chǎn)品不得用于“軍事最終用途”或“軍事最終用戶”,?深度 1 000m 以上的載人、無(wú)人潛水器和水下滑翔機(jī)等均被列為禁止使用范圍。隨后,?幾乎所有的國(guó)內(nèi)水下移動(dòng)平臺(tái)均無(wú)法采購(gòu)到該公司 CTD 產(chǎn)品, 短期內(nèi)又無(wú)法獲得相應(yīng)的替代儀器, 嚴(yán)重影響了產(chǎn)品應(yīng)用, “卡脖子”之痛油然而生。

2 CTD 傳感器“卡脖子”的原因所在

盡管 CTD 傳感器國(guó)內(nèi)市場(chǎng)有旺盛的需求，在過(guò)去的 20 年里，國(guó)家通過(guò)各類專項(xiàng)計(jì)劃已取得了多種科研成果, 但其成果未能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，現(xiàn)有國(guó)產(chǎn) CTD 產(chǎn)品性能落后于國(guó)際水平，絕大部分市場(chǎng)被國(guó)外儀器占領(lǐng)。

國(guó)產(chǎn)海洋儀器生產(chǎn)的模式和能力距離產(chǎn)業(yè)化有很大的差距，生產(chǎn)周期長(zhǎng)、效率低、成本高, 產(chǎn)品一致性、可靠性差, 競(jìng)爭(zhēng)力低, 無(wú)法滿足市場(chǎng)快速發(fā)展, 特別是海洋安全對(duì)國(guó)產(chǎn)儀器的迫切需求,?這主要由以下幾點(diǎn)原因造成。

1) 長(zhǎng)期以跟蹤仿制國(guó)外產(chǎn)品為主, 原始創(chuàng)新能力不足

習(xí)總書(shū)記指出要“持之以恒加強(qiáng)基礎(chǔ)研究”,“基礎(chǔ)研究是整個(gè)科學(xué)體系的源頭, 是所有技術(shù)問(wèn)題的總開(kāi)關(guān)”。海洋傳感器技術(shù)是海洋基礎(chǔ)研究的主要組成部分, 但一直以來(lái)我國(guó)對(duì)海洋傳感器測(cè)量的基礎(chǔ)研究不夠深入。

在 CTD傳感器技術(shù)中，傳感器研究和制造長(zhǎng)期以國(guó)外技術(shù)、產(chǎn)品指標(biāo)為跟蹤目標(biāo), 在傳感器的測(cè)量機(jī)理等基礎(chǔ)研究方面主要照抄國(guó)外, 缺乏系統(tǒng)深入地研究。

有些為完成科研項(xiàng)目驗(yàn)收, 片面追求見(jiàn)效快,，特別是在對(duì)很多進(jìn)口傳感器的測(cè)量原理、敏感探頭與電路的參數(shù)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理方法等方面,?很多是知其然不知其所以然。

CTD 傳感器面臨的很多“卡脖子”技術(shù)問(wèn)題，其根源是基礎(chǔ)理論研究跟不上, 源頭和底層的東西沒(méi)有搞清楚, 這些都制約著國(guó)產(chǎn)CTD 傳感器很難達(dá)到國(guó)外 CTD 傳感器的水平。

2) 傳感器關(guān)鍵材料、器件支撐配套能力欠缺

CTD 傳感器等典型海洋傳感器相對(duì)于工業(yè)傳感器而言, 生產(chǎn)批量小、應(yīng)用范圍窄, 而對(duì)其穩(wěn)定性、可靠性要求又特別高，研制見(jiàn)效周期長(zhǎng)。

由于前期科研項(xiàng)目支持海洋傳感器基本都是對(duì)標(biāo)國(guó)外產(chǎn)品進(jìn)行短平快研究, 小批量的科研樣機(jī)研制難以創(chuàng)造出上下左右協(xié)同的創(chuàng)新生態(tài)。鮮有人或單位愿意沉下心來(lái)對(duì)海洋傳感器的高性能敏感材料、封裝材料等進(jìn)行研究。從而導(dǎo)致現(xiàn)階段我國(guó) CTD 傳感器關(guān)鍵材料、器件的配套能力不足,關(guān)鍵部件配套產(chǎn)品嚴(yán)重依賴進(jìn)口, 傳感器并未實(shí)現(xiàn) 100%的國(guó)產(chǎn)化。

例如在 CTD 傳感器的壓力測(cè)量方面,?高精度壓力傳感器的壓電晶體、萬(wàn)分之一精度石英諧振傳感器在國(guó)內(nèi)仍未能實(shí)現(xiàn)自主生產(chǎn), 一旦進(jìn)口受限, 就會(huì)“卡”住我國(guó)海洋傳感器研制生產(chǎn)的“脖子”。

3) 對(duì)傳感器探頭制作工藝研究不夠重視

對(duì)國(guó)內(nèi)科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)來(lái)說(shuō), CTD 傳感器結(jié)構(gòu)和電路不難,?難的是傳感器部分尤其是敏感探頭的制備工藝。目前,?國(guó)內(nèi)傳感器的生產(chǎn)工藝與專用工裝設(shè)備研制相對(duì)落后, 微機(jī)械加工技術(shù)和封裝技術(shù)不夠先進(jìn), 監(jiān)測(cè)手段也尚待規(guī)范。這些工藝上的不穩(wěn)定因素造成傳感器性能分散、穩(wěn)定性差。

現(xiàn)階段傳感器批量制作, 不是靠工藝保證，而是靠后期篩選分檔，由此造成生產(chǎn)周期長(zhǎng)、成品率低, 成本急劇上升, 企業(yè)不敢投資。由于批產(chǎn)工藝的穩(wěn)定性和可靠性沒(méi)有得到根本解決, 限制了國(guó)產(chǎn)傳感器應(yīng)用領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

4) 尚未構(gòu)建國(guó)際一流的海洋傳感器測(cè)試體系

我國(guó)海洋傳感器研發(fā)投入上一直存在“重研究、輕測(cè)試”的情況, 這并不符合海洋儀器海試投入大、風(fēng)險(xiǎn)高、實(shí)施困難的特點(diǎn), 因此, 僅靠研發(fā)單位自主投入, 難以實(shí)現(xiàn)對(duì)大批量、多批次的國(guó)產(chǎn)傳感器進(jìn)行反復(fù)測(cè)試驗(yàn)證, 有效評(píng)測(cè)生產(chǎn)定型狀態(tài), 產(chǎn)品的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和可靠性難以準(zhǔn)確評(píng)價(jià)和持續(xù)改善, 導(dǎo)致始終無(wú)法跳出一個(gè)怪圈:?由于缺少支撐國(guó)產(chǎn)傳感器研發(fā)、產(chǎn)品化和產(chǎn)品定型的公益性試驗(yàn)平臺(tái), 致使國(guó)產(chǎn)傳感器缺少實(shí)戰(zhàn)機(jī)會(huì)，導(dǎo)致用戶在產(chǎn)品應(yīng)用時(shí)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量可靠性信心不足, 而應(yīng)用不足又無(wú)法有效提升質(zhì)量和可靠性。

在水下無(wú)人系統(tǒng)中, 以 CTD 傳感器為例, 我國(guó)的典型產(chǎn)品如可用于 Argo 浮標(biāo)、AUV、UUV、潛水器、ROV、ARV 及水下滑翔機(jī)等水下無(wú)人自主移動(dòng)平臺(tái)連續(xù)剖面觀測(cè)的 OST4X 系列 CTD 剖面測(cè)量?jī)x的技術(shù)指標(biāo)已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平, 如表 1 所示。但由于缺乏長(zhǎng)期、嚴(yán)格的與國(guó)際接軌的檢定、測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證體系看，其穩(wěn)定性和可靠性與國(guó)外產(chǎn)品還有相當(dāng)?shù)牟罹? 用戶信任度不夠, 市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)長(zhǎng)期處于劣勢(shì)。

海洋傳感器技術(shù)研究終要走向產(chǎn)品化、產(chǎn)業(yè)化才能擺脫對(duì)國(guó)外的依賴, 真正實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵核心技術(shù)自主可控。但是由于科技體制和成果轉(zhuǎn)化機(jī)制的原因, 造成了海洋傳感器研、產(chǎn)、用相脫節(jié)。

早期的海洋傳感器研究單位主要集中在大學(xué)和研究所,?這些研究單位更關(guān)注于科研項(xiàng)目的完成，做到正樣機(jī)研制階段的并不多, 利用自身?xiàng)l件進(jìn)行批量化生產(chǎn)和應(yīng)用的更是少之又少, 無(wú)法形成批量生產(chǎn)能力, 即使少數(shù)進(jìn)行批量生產(chǎn)后, 其儀器質(zhì)量、可靠性、穩(wěn)定性、生產(chǎn)周期和服務(wù)等也都無(wú)法得到保證。

而近年來(lái)新興的海洋傳感器小微企業(yè), 因?yàn)槠涞玫秸?、資金、項(xiàng)目的支持有限, 加上前期投資大、市場(chǎng)容量小、收益周期長(zhǎng)等特點(diǎn), 導(dǎo)致其研發(fā)能力偏弱, 只能進(jìn)行機(jī)械仿制, 企業(yè)生存較為困難。

再加上業(yè)務(wù)單位對(duì)國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品缺乏全面客觀的認(rèn)識(shí)，無(wú)法對(duì)其性能樹(shù)立足夠信心, 從而形成優(yōu)先采購(gòu)進(jìn)口裝備的行業(yè)慣性。

3 國(guó)產(chǎn) CTD 傳感器自主創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展之路

冰凍三尺非一日之寒, 對(duì)于長(zhǎng)期未解決的CTD 傳感器“卡脖子”的狀況, 需用猛力去破解。

3.1 面向需求, 立足自主創(chuàng)新

一直以來(lái),?在 CTD 傳感器研究方面我國(guó)長(zhǎng)期以跟蹤仿制為主, 鮮有原理、技術(shù)、材料和工藝方面的創(chuàng)新。而實(shí)際上由于我國(guó)在工業(yè)制造、微加工、敏感材料等基礎(chǔ)領(lǐng)域方面與歐美國(guó)家存在的差距, 導(dǎo)致機(jī)械地仿制進(jìn)口傳感器方案, 無(wú)法獲取其高水平的真正精髓之所在, 也致使國(guó)內(nèi)傳感器研究的技術(shù)水平和產(chǎn)品的性能和可靠性長(zhǎng)期落后于先進(jìn)國(guó)家, 在競(jìng)爭(zhēng)中處于劣勢(shì)。

未來(lái)的海洋監(jiān)測(cè)需要 CTD 傳感器具備用得住、測(cè)得準(zhǔn)、易集成的特點(diǎn), 這就對(duì)傳感器的能耗、體積、長(zhǎng)期穩(wěn)定性、免維護(hù)、自校準(zhǔn)和平臺(tái)適應(yīng)性等方面提出了更高的要求。

從這個(gè)角度而言,?進(jìn)口傳感器也不是萬(wàn)能的, 其中很多也不適用于國(guó)內(nèi)的實(shí)際需求, 尤其是未來(lái)海洋監(jiān)測(cè)的需求, 很多“西洋貨”在中國(guó)的海洋環(huán)境中也會(huì)“水土不服”。

特別是在當(dāng)今國(guó)際復(fù)雜局勢(shì)的大背景下，更應(yīng)當(dāng)緊密?chē)@我國(guó)在海洋經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展、海洋生態(tài)文明建設(shè)、海洋科學(xué)研究和海洋國(guó)防建設(shè)等方面的實(shí)際需求，真正立足于自主創(chuàng)新, 樹(shù)立自立自強(qiáng)的國(guó)產(chǎn)傳感器品牌, 讓進(jìn)口儀器“走下神壇”。

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo), 未來(lái)國(guó)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(cè)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(wú)法實(shí)現(xiàn)于海洋之上。

正因?yàn)榛诂F(xiàn)有技術(shù)來(lái)連續(xù)監(jiān)測(cè)廣袤海洋的成本是難以負(fù)擔(dān)的,?美國(guó)國(guó)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(wàn)計(jì)的傳感器, 以形成浮動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)。

近年來(lái), 國(guó)內(nèi)青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)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(wú)線物聯(lián)網(wǎng)傳感器, 實(shí)現(xiàn)海洋哺乳動(dòng)物、魚(yú)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(guò)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(cè)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(cè)成本過(guò)高，且無(wú)法長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè)的難題。

海洋無(wú)人自主觀測(cè)手段的興起有效解決了這一難題, 將海洋觀測(cè)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(wú)人自主觀測(cè)平臺(tái)進(jìn)行組網(wǎng)觀測(cè), 實(shí)現(xiàn)了對(duì)海洋環(huán)境長(zhǎng)期連續(xù)、高分辨率、低成本觀測(cè), 成為未來(lái)海洋觀測(cè)技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)。

未來(lái)該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展方向是長(zhǎng)壽命、智能化, 其搭載的海洋觀測(cè)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(wú)法實(shí)現(xiàn)這一功能。

在水下無(wú)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(zhǎng)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(guò)多個(gè)剖面測(cè)量后, 鹽度數(shù)據(jù)已經(jīng)漂移了近 0.3, 嚴(yán)重影響觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量。

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(wú)法回收的無(wú)人自主觀測(cè)平臺(tái), 可以取得更優(yōu)的觀測(cè)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(cè)過(guò)程中對(duì)被觀測(cè)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(lái)智能化的觀測(cè)平臺(tái)以及傳感器,可以按照特殊的科學(xué)研究觀測(cè)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(cè)量, 其他區(qū)域則降低觀測(cè)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(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量,提高觀測(cè)效能。

當(dāng)前, 世界各國(guó)均加緊拓展深海極地等海洋戰(zhàn)略空間, 我國(guó)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(cè)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(guó)自主研制的萬(wàn)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(cè)領(lǐng)域進(jìn)入了國(guó)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(kāi)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(wèn)題具有十分重要的意義。

近年來(lái)，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(kāi)全海深(11 000 m)探測(cè)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(guò) 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(chǎng)穩(wěn)定, 波動(dòng)度和變化微小, 要測(cè)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(guó)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(guó) Seabird 公司的產(chǎn)品, 其溫度測(cè)量分辨率為0.000 2℃, 電導(dǎo)率測(cè)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(wú)法很好地分辨微小的溫度和鹽度變化。針對(duì)此, 我國(guó)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)。

海洋傳感器定標(biāo)與測(cè)試能力是傳感器技術(shù)發(fā)展的重要因素,?制約海洋 CTD 測(cè)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(guó)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(cè)量理論方法研究上遇到了瓶頸, 沒(méi)有突破創(chuàng)新。

因此, 首先要加強(qiáng)海洋傳感器校準(zhǔn)測(cè)試的基礎(chǔ)理論方法研究, 吸收國(guó)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(guó)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(guó)際領(lǐng)先水平的海洋傳感器標(biāo)定、校準(zhǔn)和比測(cè)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(guó)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)?；瘧?yīng)用邁進(jìn), 需要形成積極使用國(guó)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(wèn)題, 并通過(guò)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(guó)內(nèi)統(tǒng)一權(quán)威性試驗(yàn)測(cè)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(chǎng)和定型平臺(tái)建設(shè), 為國(guó)產(chǎn)深海儀器裝備提供試驗(yàn)平臺(tái)、試驗(yàn)背景場(chǎng)和測(cè)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(zhǎng)周期的問(wèn)題, 從而促進(jìn)國(guó)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(guó)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(wèn)題，更有政策層面上對(duì)應(yīng)用國(guó)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(zhǎng)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(guò)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(guó)家戰(zhàn)略要求, 通過(guò)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(kāi)展產(chǎn)業(yè)鏈上下游協(xié)同創(chuàng)新。通過(guò)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(gòu)和使用國(guó)產(chǎn)設(shè)備,?將應(yīng)用國(guó)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(guó)產(chǎn)海洋傳感器的功能、性能等來(lái)科學(xué)地設(shè)置項(xiàng)目指標(biāo), 引導(dǎo)并加強(qiáng)國(guó)產(chǎn)海洋傳感器的應(yīng)用。

4 結(jié)束語(yǔ)

CTD 測(cè)量技術(shù)為展開(kāi)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(guó)戰(zhàn)略發(fā)展的重要技術(shù)途徑。面對(duì)長(zhǎng)期未解決的國(guó)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(guó)際一流水平的海洋傳感器環(huán)境測(cè)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(guó)產(chǎn)海洋儀器設(shè)備的性能和質(zhì)量, 使國(guó)產(chǎn)海洋儀器設(shè)備成為真正的“國(guó)之利器”。

小編題外話

本文最初發(fā)表于《水下無(wú)人系統(tǒng)學(xué)報(bào)》（2021年第3期），第一作者李紅志，是國(guó)家海洋技術(shù)中心海洋裝備技術(shù)研究院院長(zhǎng)，在其帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)努力下，2021年國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“海洋環(huán)境安全保障”專項(xiàng)“基于水下平臺(tái)的系列化溫鹽深流浪潮測(cè)量?jī)x產(chǎn)品化”項(xiàng)目通過(guò)考核，項(xiàng)目組成功研制了“OST”全系列溫鹽深測(cè)量?jī)x，系列化自主溫鹽深傳感器部件國(guó)產(chǎn)化率達(dá)到100%，處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先、國(guó)際先進(jìn)水平，是我國(guó)海洋傳感器領(lǐng)域零的突破，填補(bǔ)了我國(guó)傳感器領(lǐng)域的一項(xiàng)空白。但因海洋科學(xué)測(cè)量的復(fù)雜性，該成果仍處于大規(guī)模應(yīng)用和驗(yàn)證階段

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