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自古以来，海洋就与人类的生产、生活和军事活动紧密相连。海底蕴藏着丰富的油气储量和各种稀有矿产，台风、海啸、地震等多种自然灾害频发，它起源于海洋，是人类的主要战场之一。海洋监测作为海洋科学技术的重要组成部分，在维护海洋利益、开发海洋资源、预警海洋灾害等方面发挥着重要作用，保护海洋环境，加强国防建设，寻求太空发展新途径，它也是国家综合能力的一个重要指标。考虑到作为国际海洋科学组织在军事和民用领域进行海洋观测的重要性，无论是海洋大国，长期以来都十分重视海洋环境监测技术的研究。早在上世纪80年代中期，海洋发达国家就相继实施海洋科技和发展战略，而在21世纪之后，与海洋有关的国际政治、经济和军事发展发生了深刻的变化。我国作为海洋强国，拥有300多万平方公里的经济专属区和1.8万多公里的海岸线，海洋环境监测技术已纳入国家中长期科技发展方案。 海洋观测是研究海洋、开发海洋、利用海洋的基础，并且本文从三个不同的角度——空间——深入探讨了现有的海洋观测技术，海洋和水下——并深入分析了它们的长处和短处，最终评估了我国海洋观测技术的发展情况。
一、天基海洋观测 随着空间和航空航天遥感技术的发展，空间和航空航天遥感技术逐渐得到应用用于海洋环境探测和从空间遥感海洋环境。利用空间手段遥感海洋，其特点是观测范围很广，短周期重复性和高时空分辨率，可以在相对较短的时间内，在区域内对海洋进行全球成像，船只无法到达的地方，以及通过常规方法易于测量或不可探测的参数，作为第二大平台观测海洋作为地球表面，因此，在海洋表面之外，它们也成为发达国家为之奋斗的最高科技海洋技术之一。近年来，美国、欧洲、日本等航天大国相继制定了相应的海洋发展规划。 ⒈ 卫星遥感观测 目前国外已经陆续发射了多颗海洋水色卫星、海洋地形卫星和海洋动力环境卫星。 ⑴SeaStar卫星 1997年8月，美国发射了SeaStar海洋水色卫星。星上装载有第二代海洋水色传感器，共有8个通道，前6个通道位于可见光范围，7、8通道位于近红外，中心波长分别为765nm和865nm；地面分辨率为1.1km，该卫星现仍在运行。 ⑵EOS卫星系列 EOS系列中的EOS-AM卫星主要用于陆地和大气观测、物理和化学、气候环境调查。第一颗EOS-AM卫星Terra于1999年12月18日发射。EOS-AM1卫星装载五个主要仪器：中分辨率成像光谱仪（MODIS-N）、先进星载热发射和反射辐射器（ASTER）、多角度成像光谱仪（MI-SR）、云和地球辐射能量系统（CERES）和对流层污染仪（MOPITT）。 EOS-PM卫星共计三颗，第一颗EOS-PM卫星Aqua于2002年5月4日发射；EOS-PM2卫星Aura于2004年7月15发射；EOS-PM3于2010年12月发射。EOS-PM卫星装载的仪器有：先进的微波探测器（AMSU）、微波湿度探测器（MHS）、云和地球辐射能量系统（CERES）、中分辨率成像光谱仪（MODIS-N）、大气红外探测器（AIRS）、多通道微波成像辐射器（MIMR）。 ⑶Geosat卫星 1985年3月，美国海军发射了Geosat大地测量卫星，也是一颗海洋地形卫星，星上装载的唯一传感器是一部Ku波段（13.5GHz）的雷达高度计。该卫星以军用为主，用于测量海洋表面有效波高，研究地球重力场、海潮和海面地形等，鉴于卫星轨道误差大（50cm）和数据保密等原因，没有得到广泛应用。1998年2月，美国海军又发射了Geosat的后继卫星GFO-1，运行至今。 ⒉ 航空海洋观测 航空海洋探测采用固定翼飞机和无人机为传感器载体，具有机动灵活、探测项目多、接近海面、分辨率高、不受轨道限制、易于海空配合而且投资少等特点，是海洋环境监测的重要遥感平台，通过搭载的微波和光学遥测设备，能够实时获取大气海洋环境资料。 在军事上，由于无人机可有效减少人员伤亡，得到了广泛应用。典型代表有美国的“全球鹰”、“捕食者”，澳大利亚的 Ａｅｒｏｓｏｎｄｅ 等无人机。
二、海基观测 ⒈ 海洋测量船 该船又称海洋研究船，是能够完成海洋环境要素研究的船舶，研究各种海洋学科，测量海洋环境的具体参数。随着社会的发展、科技的发展和军事的需要，海上测量从一次测深测量扩展到海底表面、海底地形，海洋气象学、海洋水文学、地球物理特征、空间遥感和极地参数测量。 美国拥有许多海洋测量船模型和新技术。在1989-1994年的短时期内，装备了6艘现代水文测量船（USNS系列），两年内建造了6艘更先进的中近程水文测量船（5000吨），每艘都配备了声纳探头，深海水文剖面、浅海海底多波束系统、深海多波束系统、多普勒水文仪器、侧扫声纳、水声站以及全球定位系统（GPS）、遥控潜水器、重力仪，磁强计和其他20台海洋学仪器，以及众多的测量工作站，可以对海底地貌的各种要素进行详细、准确的跟踪，海底地貌、海底表层剖面和海底表层地质构造。“曾经”号在我国南海是美国海洋测量船的典型代表，船上有大约20名船员，10名技术人员和20名海军陆战队士兵，配备大型拖曳声纳，能够有效探测和跟踪“安静”舰的船只，而美国海军在航母上配备了先进的测量设备。 俄罗斯拥有更多的海洋测量船，几乎每两三年就生产一艘吨位相对较大的俄罗斯大型水文测量船，为了支持多年来在海洋上的活动，海上作战项目是综合性的，主要是海上测量、救援、地质、气象，水文、生物学和化学，测量设备的容量很多，但指标和功能一般，不如美国、日本进步。 日本海军自卫队和海上保安厅拥有20多艘不同的测量船，包括“第二眼”等“石碑”和“开放海洋”位于世界前列，部分由军方管理，部分由地方当局管理。特别是，Minokean号配备了海底地形测量系统，利用高频声纳站进行海底地形测绘，利用这种测量手段进行海底地质探测，作为能够快速测量大面积海底深度和地形的传感器和声学传感器，创造三维空间海底图像，并配备先进的磁传感器，比较水下磁强计，可立即分辨出潜艇水下活动引起的磁异常，达到发现敌潜艇的目的。日本测量船配备了现代化的设备，更新速度很快。日本海道测量船近来频繁进入沿海国家，主要是为了探测这些区域信息流，可作为水文数据，如巡航飞行潜艇。此外，日本根据水文测量船的结果，公布了大陆架海底地形图：20000和1:50000。无论从舰队数量还是从最新测量技术来看，日本都力求保持海上强国地位。 ⒉ 浮标 浮标监测由于其分布广泛、测量周期长，已成为海洋和水文监测的主要手段。浮标集计算机、通信、能源、传感器测量等技术于一体，已成为科技含量较高的科技综合体。 法国已经开发了一种带有溶解氧传感器的新型浮标校准仪CT。该浮标由ifrmer与martec集团合作开发，以满足Argo国际研究计划的需要。最大深度可达2000m，浮动深度和时间可预置。浮标通过预设程序提供海洋环境的相关条件，并采集与含盐量、温度和压力相关的参数。浮标浮出水面后，数据通过ar gos卫星传输。浮标潜入水中的时间为十天。可使用通用释放浮标的喷射器或专用释放箱将其从船上释放到海上。 在欧共体Eureka海洋计划的支持下，挪威开发了海洋警戒系统，主要用于小区域的生态环境监测和预测。配备相应的应用软件。托比斯浮标与各种适合生态环境监测的传感器和仪器一起使用。 ⒊ 剖面探测漂流浮标 这项技术是20世纪90年代初的一项重大成就。它的出现催生了国际Argo计划，解决了全球地下温度和盐的同步观测问题。美国和法国先后研制了多个剖面浮标，最大设计深度为2000m，设计使用年限为4~5年。 “Argo”浮标是用于建立全球海洋观测网的专用测量设备。Argo是“实时地转海洋学阵列”的缩写，中文意思是“地转海洋学实时观测阵列”。它可以在海洋中自由漂流，自动测量从海面到2000m水深的海水温度、盐度和深度，跟踪其漂流轨迹，获得海水的移动速度和方向。Argo全球海洋实时观测网是1998年由美国、法国和日本的大气和海洋科学家发起的一项大规模海洋观测计划。设想在全球海洋中每隔300公里放置一个卫星跟踪剖面漂移浮标（Argo剖面浮标），共计3000个，形成一个巨大的Argo全球海洋实时观测网，因此，快速准确、大规模地采集全球海洋上部0~2000m的海水温度和盐度剖面数据，将有助于更仔细地了解大规模实时海洋变化，提高气候和海洋预测的准确性，有效防止日益严重的全球气候和海洋灾害（如飓风、台风、龙卷风、冰暴、水旱、风暴潮、赤潮等）对人类的威胁。 自2002年初中国实施Argo计划以来，已在太平洋、印度洋等海域投放了155个Argo剖面浮标。目前，78个浮标仍在海上正常工作。
三、水下海洋观测 ⒈ 无人潜航器 与载人潜水器相比，无人潜水器具有成本低、安全可靠的特点。它可以在巨大的压力下在海床上工作很长时间。可用于海洋调查、海底矿产资源开发、水下工程建设、海上救助打捞、航道清理、水产养殖、军事国防建设等领域。无人水下航行器通常由潜水器、收放系统和水面控制装置组成。根据控制方式的不同，无人水下航行器可分为遥控型、自主监控型和智能型。目前，无人水下航行器（AUV）已经从有线控制型发展到无缆自主智能型。自主式无缆无人水下航行器（AUV）是一种发展迅速、应用广泛的航行器。与有线无人水下航行器不同，AUV可以自带电源，在水下自由航行，在海洋开发和军事领域具有广阔的应用前景。目前，世界上有十几个国家正在从事无人水下航行器的开发，包括美国、英国、法国、德国、意大利、日本、加拿大、俄罗斯、韩国和澳大利亚。美国、挪威、俄罗斯、日本和西欧处于领先地位。 1993，在美国国家科学基金会的支持下，伍兹霍尔海洋研究所开发了一个自主的深海AUV“探险家”。系统电源具有低能耗的特点。初始试验采用胶体介质铅酸电池进行小规模短时间调查，基础电池进行大规模长时间调查，锂电池进行大规模长时间调查，续航时间为50h，总航程可达30km。该系统配备光学成像传感器，以满足精确导航摄影、水下摄像机（两个单色摄像机和一个彩色CCD）和深度计的需要。该系统可潜至6000m进行深海海底科学考察任务，并通过30kHz信标返回母船。 1994年，美国海军制定了新一代先进无人水下航行器的开发计划，即“海军UUV总体计划”，旨在开发能够执行水下侦察、搜索、通信、导航、寻雷和反潜任务的自主无人水下航行器。2005年1月21日，在取得初步成果的基础上，美国海军宣布了大规模修订后的“海军UUV总体规划”升级版，重新定义了无人水下航行器的任务和使命以及海军希望其具备的能力，指出了工业部门的发展方向。 目前，美国最具代表性的水下无人飞行器是whoi开发的“远程环境监测装置”（Remus）。Remus是一个低成本的海上环境调查和监测以及多任务操作平台。研究基金由美国海洋和大气管理局和海军研究管理局支持。主要用于探矿、目标监测、情报收集和军事海洋学研究。Remus的长度为1.32米，直径为19厘米，工作深度为150米，空气中的自重为31千克（铅酸电池），水中的浮力为中性，以4节的速度进行14小时的潜水循环，三个推进电机产生0.68千克的推力，以4节的速度在10小时内可以完成74公里的航程。电源工作电压24V，输出功率32W，电源为可充电铅酸密封电池或锂电池。Remus携带的设备主要包括侧扫声纳、前视声纳（didson）、CTD和ADCP、浮游生物录像机、浮游生物泵、辐射计、生物荧光计、荧光计、光学背散射OBS和浊度传感器。 日本不愿意在这一研究领域落后。投资数亿美元研发无人水下航行器，技术达到世界领先水平。然而，日本研制的无人水下机器人主要用于民用深海开发，很少用于军事领域。日本国际电信和电话公司（KDD）成功开发了一种新型水下机器人“水下探索者1000”（ae1000），它可以潜到1000米的水下，以调查海底和海底电缆。Ae1000可以独立搜索海底电缆，然后连续跟踪电缆轨迹并记录电缆状况。它配有传感器、微型计算机和电池。其中，主要传感器包括：水压传感器，用于反映潜水深度和判断自身动作；方位传感器，用于测量船首方向；用于测量海床表面高度的高度传感器；姿态传感器，用于测量自身运动；声纳，探测周围障碍物；多普勒声纳用于识别其自身的航迹和其他8个设备，使ae1000能够沿预定路线导航Z形且困难。 ⒉ 海底观测网 海洋科学正经历着从对海面的短期“调查”到对海洋内部的长期“观察”的明显变化。如果把地面和海面作为地球科学的第一个观测平台，把航空遥测和遥感作为第二个观测平台，建立在海底的观测系统将成为第三个观测平台。海床观测系统是指将观测平台布置在海床上，不仅可以向下观测海床，还可以通过锚具系统观测海洋水层，还可以投入主动式深海观测站。潜艇观测网已逐渐成为观测海洋和地球过程的第三个平台，并将成为未来了解和预测海洋过程的主要观测手段之一。 1998年，美国和加拿大合作建立了一个长期深海观测网，即海王星项目（海王星），该项目于2007年投入运行。Nep tune位于水下约3000m的海床上，用3000km长的光缆连接20~30个观测站。每个观测站也可能有各种仪器，其分支延伸数千米。它能长期观测海洋内部和海底的各种物理、化学、生物和地质过程，使用寿命至少为20~30年。关键设备包括：潜水浮标、CTD、ADCP、人工磁流量计、波传感器、光源和摄像机、营养仪、地震仪、ROV、AUV和漫游车。其中，ROV用于水下仪器和网络的布置、安装和维护；AUV用于数据传输和能量补充；漫游者用来观察节点之间的空白区域。在网络设计中，有一个“即插即用”接口，使仪器的更换和新仪器的使用更加方便。 海王星的建设目标是在整个胡安-德-富卡板块上安装3000公里长的光缆网络。安装在网络节点的观测站将为海洋学家提供多学科的探索空间，也可以成为西北太平洋的地震预警系统。科学家相信海王星计划将从根本上改变人类研究海洋和地球的方式。2003年10月，加拿大宣布为该项目投资4750万美元。同时，美国和加拿大为两个小型光缆观测站提供了资金支持，作为该项目的测试平台：一个是维多利亚海底实验网络（Venus），另一个是蒙特利加速研究系统（MARS），计划在蒙特利湾建一个观测站，加拿大它们将使科学家能够更密切地监测海岸周围的水域，也为海王星技术的发展提供了广阔的舞台。 欧洲esonet的目标是探索在大西洋和地中海沿岸建立潜艇网络系统的可能性。与海王星不同，esonet将开展一系列科学项目，如评估挪威海海冰变化对深水循环的影响，监测北大西洋生物多样性和地中海地震活动。计划在20年内，esonet将拥有强大的能力来监控整个欧洲。 海底长期科学观测系统具有广阔的应用前景。它不仅有助于促进我国海洋科学技术的发展，而且可以应用于海洋环境监测、减灾、防灾预警、海底资源开发和重大海洋工程监测。同时，对于发展海洋高科技装备产业，维护国家主权和国土安全也具有重要意义。以同济大学为代表的有关单位已启动国家海底长期科学观测系统建设项目。在2013年1月国务院讨论通过的《国家重大科技基础设施建设中长期规划》中，“国家海底长期科学观测系统”项目建议书被列为“十二五”期间国家16个重点科技基础设施建设项目中的第一个。中国自主研发的潜艇观测网组网核心组件已于2011年成功部署在美国蒙特利湾，并已正式接入美国潜艇观测网。 ⒊ 水下传感器网络 无线传感器网络是由密集、低成本、随机分布的节点组成的自组织网络，集成了传感器、数据处理单元和无线通信模块。借助于节点中内置的各种传感器，我们可以检测到人们感兴趣的各种现象，最终实现对现实世界的全方位监控。它也是下一代互联网愿景的重要组成部分。2003年2月，由麻省理工学院赞助的非盈利技术评论杂志将传感器网络总结为将改变未来世界的十大新兴技术之一。传感器网络很快就出现了。由于其成本低、灵活性强等诸多优点，受到各国海洋界的青睐，其应用范围已扩展到海洋。 国外对海洋传感器网络最具影响力的研究是美国海军的水声网络（SeaWeb）。其目的是建立一个可部署的军事自主分配系统，可用于大型沿海地区的警报、反潜战和反雷系统。可实现民用领域的控制、通信和导航功能，节点间采用水声通信技术。海网试验始于2000年，此后几乎每年都进行有针对性的试验。最新的实验于2008年在美国长滩港进行，以测试新一代水下17节点声学调制解调器。在mast计划的支持下，欧盟还制定了一系列水声通信网络研究计划。
四、我国海洋观测的现状与建议 经过多年的发展我国已建成了包括海洋站、浮标、调查观测船、海监飞机，以及利用国外遥感卫星资料的海洋环境初级监测网，但是和国外发达国家相比还存在着以下两个方面的不足： ①起步晚，能力弱 我国的海洋科学研究起步较晚，海洋观测能力建设与国际发达国家相比差距较大，观测内容少，精度低，无法满足现代海洋军事活动的需要。目前的观测仅以岸基站常规监测为主，主要依靠国家海洋局的若干观测站、固定浮标以及少量Argo浮标，以及近年来建立的海底观测网，缺少海上固定式长期海洋综合观测平台，无法满足海洋科学研究长期、连续、实时、多学科同步的综合性观测要求。而目前美国有基于NOAA的90个浮标、60多个海岸自动观测网以及多源卫星构成的海洋动力环境监测网。 ②时空覆盖范围与监测尺度远远不够 目前，我国有一系列关系国计民生和国防安全的海洋问题亟待研究与解决，但是由于缺少水下观测节点，加之国外遥感卫星资料来源十分有限，因此对第二岛链附近相关海域、台湾周边、南海及重要出海通道的监测能力十分薄弱；缺少水下自主浮动节点，只能观测点、面或某一层次的海洋环境要素，立体探测能力几乎是空白，缺乏重要海域的长期断面观测数据；和海军活动、水下资源开发密切相关的深、远海立体监、探测技术目前尚处于空白阶段，无法满足我海军走向大洋，成为蓝水海军的需求。 未来需要在以下几个方面应加大投入力度： ❶ 大力发展基于卫星的全球海洋环境探测系统和基于无人机的区域海洋环境移动探测系统。二者相辅相成。 ❷ 建立高密度三维观测网。一般来说，国际海洋观测的目标是建立全球联网的三维观测系统。目前，已建成包括卫星遥感、浮标阵列、海洋观测站、水下剖面、海底电缆网和科学考察船在内的全球观测网。因此，有必要在重点海域建立多参数长期、三维、实时监测网络，有效、持续地获取和传输海洋长时间序列的综合参数。要加强对重要现象和过程机制的观测,综合运用声学,遥感等各种先进的传感器和观测仪器,更多地应用于海洋观测,做到点与点的结合,，直线和曲面更接近并有效地监视该区域。 ❸ 充分发挥各行业优势，提高科技创新水平。海洋监测技术涉及多个学科，一个单位或小组不可能在所有海洋监测技术学科中处于领先地位，因此有必要梳理海洋观测技术的核心技术，紧跟世界海洋观测技术的发展趋势，提出一批具有强大核心竞争力的关键技术,在全国广泛寻找有实力的科研队伍,通过一定的组织形式,将海洋科研院所,大学,军工单位和地方企业有序结合,，充分挖掘海洋监测技术与其他行业的共性技术，相互学习，相互借鉴，构建高效稳定的海洋观测技术研究团队和人才梯队，不断提高海洋观测的竞争力。
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