为了实现这一目标, 未来国产 CTD 的自主创新主要应集中在以下几个方向:
1) 小型化、低成本、高一致性
对于广袤海洋的观测而言, 现有感知能力还很不足, 其制约瓶颈主要体现在现有海洋传感器体积大、造价高昂、难以广泛布设, 这就使陆地上蓬勃发展的泛在感知物联网无法实现于海洋之上。
正因为基于现有技术来连续监测广袤海洋的成本是难以负担的, 美国国防高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA)于 2017 年 12 月宣布启动“海洋物联网”(ocean of things)项目, 试图将海洋感知领入物联网时代。其目标是在一定海域布设数以万计的传感器, 以形成浮动传感器网络。
近年来, 国内青岛海洋科学与技术国家实验室的吴立新院士提出了“透明海洋”计划, 其目的也是打造海洋物联网。实现海洋物联网, 首要突破的关键技术是如何实现多要素传感器微型化、批量制作高一致性、低成本、微功耗, 将海量传感器布放和节点组网变为现实。
其最可行的解决途径是采用微机电系统(micro-electro-mechanical system, MEMS)工艺，集微结构、微传感器、微执行器以及信号处理和控制电路于一体, 对海洋传感器进行革命性创新和应用。
目前的技术已经可以在一块 6 inch基板上一次成型 100 余个微型温盐传感器探头，且一致性很好, 对于中等精度的传感器不需要进行逐个标定, 批量化制作大大降低了成本。
这种技术可形成芯片级的海洋无线物联网传感器, 实现海洋哺乳动物、鱼类等动物身体搭载, 记录洄游规律和海水环境要素等信息, 通过海量大数据分析, 得到意想不到的科学发现。
2) 智能化
传统的海洋观测调查采用调查船、台站和浮标等固定平台, 存在观测成本过高，且无法长期连续观测的难题。
海洋无人自主观测手段的兴起有效解决了这一难题, 将海洋观测尺度从大洋环流级推进到中尺度和亚中尺度级, 各种类型的无人自主观测平台进行组网观测, 实现了对海洋环境长期连续、高分辨率、低成本观测, 成为未来海洋观测技术发展的热点。
未来该项技术的发展方向是长寿命、智能化, 其搭载的海洋观测传感器也必然要符合这一要求。智能化 CTD 传感器的典型特点之一是具备自补偿、自修正功能, 而目前进口传感器尚无法实现这一功能。
在水下无人系统中, 以在海洋 0~2000 m 范围上下往复做剖面运动的 Argo 浮标为例, 其寿命要长达 3 年, 电导率传感器受海洋生物附着等影响, 会产生盐度数据漂移, 如图 3 所示。全球大洋 2 000 m 水深的海水盐度基本为一定值, 但从该图中明显看出, 经过多个剖面测量后, 盐度数据已经漂移了近 0.3, 严重影响观测数据质量。
基于 CTD 传感器的基本测量原理, 开发具备自补偿、自修正功能的智能传感器，其基本思想是以全球大洋 2000 m 深度海水盐度为定值，如果一个剖面的盐度值较上一个剖面该深度的盐度值产生了较大变化，即可确定为在此间隔过程中电导率传感器因污染等原因产生了漂移。
因为这种漂移主要是电导率传感器探头结构参数上的变化所导致的，可以在传感器中内置自修正算法，以未漂移前的盐度值作为基准，结合传感器漂移后的原始量, 对传感器进行重新标定, 修正传感器定标参数。
基于这种方法可以将传感器漂移造成的 0.3 左右的盐度漂移误差修正到 0.01 以内，对于大量无法回收的无人自主观测平台, 可以取得更优的观测数据质量。
海洋传感器的智能化特征还体现在故障自诊断、自修复以及在观测过程中对被观测对象的特征进行智能化判断方面。以水下滑翔机为例, 如图 4 所示, 未来智能化的观测平台以及传感器,可以按照特殊的科学研究观测需求, 进行逻辑判断和自适应采样率动态控制, 在温跃层等重点关注区域进行加密测量, 其他区域则降低观测密度,这样既可以降低功耗, 又可以增加在位时间。智能化传感器与平台电源管理、运动速度和姿态协调相适应, 可以获取更多有效的观测数据质量,提高观测效能。
3) 适用于极端环境
当前, 世界各国均加紧拓展深海极地等海洋战略空间, 我国也在由近浅海向深远海迈进。深海、海底、极地等区域的观测网建设对极端环境传感器创新提出了迫切需求。
近期, 我国自主研制的万米载人潜器“奋斗者”号创造了 10909 m 的深潜世界纪录, 在深渊探测领域进入了国际领先水平。水深 11000 m的深渊具有超高压、低温、资源缺乏、黑暗、板块运动活跃及化学环境独特等特点, 开展深渊科学研究对揭示地球大陆板块运动、生命起源、海啸预警等科学问题具有十分重要的意义。
近年来，对深渊的探索发现备受世界瞩目, 而深渊探索离不开全海深(11 000 m)探测技术与装备的支撑, 所有全海深调查技术装备都需要通过 CTD 传感器判断自身所处的状态。
深海环境受外界扰动很小,背景场稳定, 波动度和变化微小, 要测量和有效分辨这些微小的变化, 就要求传感器必须具有高准确度、高分辨率、高稳定性和快速响应的特点。目前我国在自主全海深 CTD 传感器方面尚处空白, 而现今应用于深渊考察的进口传感器也存在着诸多不足。
作为世界上最主流的 CTD 传感器制造商美国 Seabird 公司的产品, 其温度测量分辨率为0.000 2℃, 电导率测量分辨率为 0.000 05 s/m, 如图 5 所示, 该型传感器在4000 m 水深情况下, 已经无法很好地分辨微小的温度和盐度变化。针对此, 我国全海深科学考察所必备的全海深 CTD传感器必须立足于自主研发。
3.2 加快构建国际一流水平的海洋传感器测试体系
海洋传感器定标与测试能力是传感器技术发展的重要因素, 制约海洋 CTD 测量技术发展的高精度校准检定技术已有 20 年未在国家科技计划中立项, 可谓是一直原地踏步, 究其原因主要是标准溯源理论和实用盐度测量理论方法研究上遇到了瓶颈, 没有突破创新。
因此, 首先要加强海洋传感器校准测试的基础理论方法研究, 吸收国际海洋传感器评价体系的先进技术及评价标准,建立高标准的国际一流海洋传感器标定、校准实验环境, 构建国际领先水平的海洋传感器标定、校准和比测评价体系, 大幅度提高海洋传感器的检定校准和评价水平。
海洋传感器需要在不断使用中积累经验, 提高技术水平。国产海洋传感器要走出研制与应用“冰火两重天”的局面, 并向商业化和规模化应用迈进, 需要形成积极使用国产海洋仪器设备的氛围。任何一种新型传感器, 只有在使用中才能发现问题, 并通过不断地改进和提高, 形成高性能、高质量的产品。
现阶段所缺乏的国内统一权威性试验测试体系, 制约了传感器自主创新和产业发展, 因此要加快海洋仪器装备海上试验场和定型平台建设, 为国产深海仪器装备提供试验平台、试验背景场和测试方法标准, 对其实海况的工作可靠性、稳定性和环境适应性等性能进行评估与评价, 解决其海上试验高风险、高成本和长周期的问题, 从而促进国产深海仪器装备产品定型和产品化, 助力海洋传感器产业发展。
3.3 政策扶持, 打通研产用链条, 加速产业链循环
分析国产海洋传感器研制与应用“冰火两重天”的原因,，除了研产用存在严重脱节的问题，更有政策层面上对应用国产仪器设备的漠视。要走出这种困局，实现海洋传感器自主创新和产业蓬勃发展, 就需要有长期的资金投入以及配套的政策和措施支撑。
党的十九届五中全会通过的十四五规划建议提出“提升企业技术创新能力, 促进各类创新要素向企业集聚, 推进产学研深度融合”。海洋传感器的产业发展要按照国家战略要求, 通过适当的专项投入和政策激励, 引导企业、科研院所和高校建立联合研发中心、工程技术中心和重点实验室等创新平台, 建立以企业为主体、大学-研究所-企业有机结合的海洋传感器产业技术创新体系。
面向海洋传感器产业链各个环节对创新资源的需求, 以解决产业链共性、关键技术为重点, 开展产业链上下游协同创新。通过设立一批海洋传感器科技成果孵化器和创投基金, 激发海洋传感器领域创新创业活力。出台相应的政策和措施, 鼓励科研业务单位积极采购和使用国产设备, 将应用国产设备的比例设置为一项重要的考核指标，并要求根据国产海洋传感器的功能、性能等来科学地设置项目指标, 引导并加强国产海洋传感器的应用。
4 结束语
CTD 测量技术为展开海洋科学研究提供最基础的海洋环境信息, 也是支持海洋强国战略发展的重要技术途径。面对长期未解决的国产 CTD传感器卡脖子状况, 需要面向需求立足自主创新，加快构建国际一流水平的海洋传感器环境测试体系, 同时加强政策扶持, 打通研产用链条, 加速产业链循环, 不断提升国产海洋仪器设备的性能和质量, 使国产海洋仪器设备成为真正的“国之利器”。
