海底长期观测网络试验节点关键技术
海洋环境安全保障技术发展现状和展望
*通信作者资助项目：国家重点研发计划项目（2021YFC 2803104、2021YFC 3101301）修改稿收到日期：2022年6月12日① 习近平集体会见出席海军成立 70 周年多国海军活动外方代表团团长 . (2019-04-23)[2022-06-14]. /xinwen/2019-04/ 23/content_5385354.htm.专题：海洋观测探测与安全保障技术Ocean Observation and Security Assurance Technology引用格式：毛华斌, 吴园涛, 殷建平, 等. 海洋环境安全保障技术发展现状和展望. 中国科学院院刊, 2022, 37(7): 870-880.Mao H B, Wu Y T, Yin J P, et al. Development status and prospect of marine environmental security technology. Bulletin of Chinese Academy ofSciences, 2022, 37(7): 870-880. (in Chinese)海洋环境安全保障技术发展现状和展望毛华斌1,2 吴园涛3 殷建平1,2 练树民1,2*1 中国科学院南海海洋研究所 广州 5103012 广东省·中国科学院应用海洋生物学重点实验室 广州 5103013 中国科学院 重大科技任务局 北京 100864摘要 海洋观测技术的不断进步为海洋环境安全提供了越来越多的技术手段。
海洋环境安全保障技术在“一带一路”倡议中有着不可或缺的作用，不仅对海洋强国建设、国家海上安全维护有着极为关键的作用，还将对推动构建“海洋命运共同体”，落实海洋可持续发展目标发挥积极的作用。
文章结合实际所面临的问题介绍了海洋环境安全保障技术的体系构成，即海洋环境参数感知技术、数据集成与分析技术、应用保障技术。
海域多要素感知观测与预警关键技术
海域多要素感知观测与预警关键技术作者：林化琛郑佳春黄一琦孙世丹曹长玉来源：《航海》2020年第02期摘要：本文介绍了一种海域多要素感知观测与预警系统。
该系统主要由雷达网、光电观察设备、AIS、GPS、综合信息处理平台等组成。
以先进雷达技术、大数据和人工智能为支撑，实现对海面目标实时态势跟踪和海洋环境实时监测，综合感知和立体观测预警分析。
文中介绍了基于非恒定自适应门限的目标全自动探测、雷达组网全目标融合、基于经验正交分解的X-BAND雷达海浪探测、基于雷达视频处理的溢油探测与报警等关键技术;给出了系统在福建省海洋渔业、海警、海事等部门成功应用案例，证明了该系统技术的可行性、先进性，极具应用推广价值。
关键词：雷达;AIS;综合感知;数据融合;海浪探测O引言党的十八大提出了建设海洋强国的重大部署。
习近平总书记曾指出，建设海洋强国是中国特色社会主义事业的重要组成部分，要进一步坚持创新、协调、绿色、开放、共享的新发展理念，树立海洋经济全球布局观，主动适应并引领海洋经济发展新常态，加快供给侧结构性改革，着力优化海洋经济区域布局，提升海洋产业结构和层次，提高海洋科技创新能力。
《福建省“十三五”海洋经济发展专项规划》提出了运用“互联网+”思维指导海洋信息化工作，综合应用通信技术、计算机技术、物联网技术、云技术等，构建融合海域使用动态化管理、海洋工程环境监管、渔船信息化管理、安全生产监管、养殖区域及水质监控、海洋渔业生产状况及经济数据收集、应急事项处置于一体的“智慧海洋”平台，实现智能感知、智能调度、智能决策、智能服务，形成与海洋现代化管理相适应的智慧海洋体系[1]。
基于海洋观测、海洋渔业、海洋执法等业务需求，“海域多要素感知观测与预警系统”应运而生，该系统通过对海面目标实时态势的跟踪观测和海洋环境实时监测，综合感知分析与预测处理，实现海域海面的“透明化”和“智能化”;可为海洋渔业、海警、海事等部门海上执法及事故调查等提供关键信息支撑，可赋能智能渔业、智能执法、智能搜救、海洋环境服务等新业态，对国家海洋信息化战略的实现具有重大意义，具有广泛的应用前景。
海底资源勘探与开发的前沿技术
海底资源勘探与开发的前沿技术随着全球经济的快速发展和人口的持续增加，人类对资源的需求也越来越大，其中包括海洋资源。
海洋资源是人类可持续发展的重要组成部分，其丰富性和多样性也为人类提供了广阔的发展空间。
然而，海洋资源的开发与利用面临着许多挑战，比如深度海底勘探与开发技术的缺失、环境保护和海洋生态破坏等问题。
因此，发展海底资源勘探和开发的前沿技术已成为当前海洋经济发展的重要任务。
一、深度海底勘探技术海底勘探是海底资源开发的第一步，其技术含量和难度也非常大。
目前，大多数海底勘探工作都是通过潜水器进行，但是潜水器只能在海底较浅的地方进行，对于深度超过2000米的海底资源勘探，潜水器技术已无能为力。
因此，科学家们正在努力探索新的海底勘探技术。
（1）海洋声纳技术海洋声纳技术是一种利用声波传播的物理原理，在水下进行的目标检测和定位技术。
该技术具有作用范围广、探测效率高等优点，可以对于不同类型的海底资源，如气体水合物、矿床、沉积物等进行精密探测和分析。
同时，海洋声纳技术还可以与机器视觉技术结合，进行三维成像，进一步准确记录目标物体的大小、形态和位置等信息。
该技术已经广泛应用于深度海底勘探和地震勘探领域，对于海底资源的发现和开发发挥了重要作用。
（2）海底天文观测技术海底天文观测技术是利用海底天文台等设备，在海底深处进行天文学观测的一种技术。
该技术首次应用于中国海底综合观测网，通过观测天体等物体的运动情况，可以得出地球质量、大洋地质和测量与时空等方面的重要信息。
目前，该技术在际连互通、空间探测等方面的应用正在不断拓展并逐渐成熟。
二、深度海底开发技术深度海底开发技术是对于深水和深海环境下的海洋资源进行开发的一种技术。
由于水深较大、水压更高、水温更低，并且还存在海底生态环境的破坏，因此需要特殊的开发技术和装备。
目前，深度海底开发技术主要包括如下几类：（1）深海采矿技术深海采矿技术是对于深海底下的矿产资源进行采集和利用的一种技术。
海底观测网络系统技术方案报告
海底观测网络系统技术方案报告目录1 概述 (3)2 需求描述及分析 (3)2.1需求描述 (3)2.2需求分析 (4)3总体设计 (4)3.1整体方案 (4)3.2系统架构 (5)3.2.1水下部分 (6)3.2.2岸基部分 (6)3.3海底观测网特点 (7)3.3.1“网格化”布设海底观测网 (7)3.3.2海底观测网预留标准接口 (7)3.3.3结合国情建设海底观测网络 (7)4关键技术 (8)4.1海底接驳盒技术 (8)4.2电能供给技术（高压直流输电） (8)4.3海底工程布设技术 (8)5技术指标 (9)5.1节点技术指标 (9)5.2接口技术指标 (10)1 概述海洋覆盖了70.8%的地球表面，平均深度约达3800m，对全球环境和气候变化影响巨大。
开展海洋研究，离不开海洋观测。
国际上主要通过三种平台对海洋进行观测，一是通过科学考察船，二是采用卫星遥感技术，三是建立海底网络，对海洋进行实时原位的观测，随时接收海底的信息。
传统海洋学研究方式主要是乘船从海面和用卫星从空中观测海洋，只能获取零星数据或只能观测表层水体，无法长期观测深海。
随着科技发展，载人深潜器和各种水下机器人被用于深海探测，获得了海底热液发现等重大科学成果，但仍无法长期蹲守深海。
浮标和潜标在长期海洋观测中发挥了重要作用，但受能量或通信带宽的限制。
海洋科学迫切需要通过长期、实时和高分辨率的原位过程观测来揭示深海大洋的运行机理。
海底观测网是一个大范围海底覆盖的基础,有了观测网,观测设备或者观测点将不在是一个孤立的点,不同位置的同一研究内容可以容易的得到比较和分析，新的观测点将容易的加入进观测网,真正的具备如同岸基一样网的概念。
海底观测网实现了能源供应和信息传送的网络化,使得观测网可以长期的,持续的工作。
电能将不再受自带电源能量的限制,信息将更方便的发送至岸基，可以方便的观测实时的信息,及时得到第一手资料，特别是对于原位观测系统有特别的价值和意义。
海洋资源开发的关键技术与可持续利用
海洋资源开发的关键技术与可持续利用是我们探讨的话题。
海洋作为我们星球上占据最多面积的地区之一，具备丰富的资源与活力，而人类的科技革命使得我们可以更好地利用海洋开发资源。
一、关键技术1.水下探测技术水下探测是综合水文学、物理学、化学、生物学、地质学等多学科知识发展起来的一门海洋科学技术。
它是研究深海海底动态地貌、地质、化学和生物特征形态和数量分布规律、提取和传输地下流体、寻找水下遗迹及海上物资和制造海洋资源的先决条件和一个有力支撑。
水下探测技术可以有效地帮助研究人员发现各式各样的水下资源，例如油气资源、矿产资源等。
2.深海种养技术深海养殖技术是近年来重点研发的一项技术。
相比陆地或浅海养殖，深海养殖具备以下优点：养殖环境稳定、水体污染较少、营养成分更加丰富、养殖密度更大、海水量更大等。
例如，中国长期以来一直是世界渔业大国，但是渔业资源清贫，随着人口增加，海洋渔业养殖和捕捞的压力越来越大，渔业资源日益短缺、品质低下。
利用深海养殖技术可以扩大养殖面积，提高养殖密度，增加受益农民的收入。
3.海底开采技术海底开采技术是指在海底进行开采工作，获得各种海洋资源的技术。
其目的是通过这种方式获得更多的海洋资源，从而满足社会、经济的需求。
目前，一些国家已经开始在深海区开展海底开采项目，例如在区块内寻找油气资源、矿产等。
二、可持续利用海洋资源开发的过程需要与可持续发展紧密结合，让资源开发和保护协调发展。
这样才能够确保海洋资源的可持续利用，从而创造一个良好的环境和资源可持续利用的生态系统。
因此，可持续利用极为关键。
如何达到可持续利用的要求，实现经济效益与生态效益的双赢呢？1.创新性思维创新性思维是最有力的资本，在海洋资源开发中，需要应用各种新技术和新材料，比如深海的矿产开采、深海垃圾处理等等，这些都是需要新材料和新技术进行支撑的。
同时，在利用海洋资源的过程中也需要创新性思维，开发新产品，创造新市场，从而提高市场竞争力。
2.环境监测和数据信息研究环境监测和数据信息研究是实现可持续利用的重要手段。
深海探测技术的关键技术分析
深海探测技术的关键技术分析深海，这个神秘而广阔的领域，蕴藏着无尽的奥秘和资源。
对于人类来说，深海探测既是科学探索的前沿，也是未来发展的重要方向。
而要实现对深海的有效探测，离不开一系列关键技术的支持。
首先，深海探测中的深海耐压技术至关重要。
随着下潜深度的增加，海水压力呈指数级增长。
在数千米甚至上万米的深海，压力可以达到数百甚至上千个大气压。
这就要求探测设备的外壳和结构具备极高的耐压能力，以防止被强大的水压压垮。
为了实现这一点，科学家和工程师们通常会采用高强度的金属材料，如钛合金，并通过精心的设计和制造工艺，确保设备能够承受极端的压力。
例如，深海潜水器的舱体通常采用球形设计，因为在相同材料和厚度的情况下，球形能够更好地分散压力，从而提高耐压性能。
其次，深海照明技术也是一个关键。
在深海中，阳光无法穿透，环境极度黑暗。
为了获取清晰的图像和有效的观测数据，需要强大而可靠的照明系统。
传统的照明设备在深海环境中往往会面临诸多问题，如高压导致的灯泡破裂、海水对光线的吸收和散射等。
因此，深海照明通常采用特殊的高强度发光二极管（LED）或激光光源，并结合先进的光学设计，以提高照明效果和能源利用效率。
同时，为了适应深海的恶劣条件，照明设备还需要具备良好的防水、抗压和抗腐蚀性能。
深海通信技术同样不可或缺。
在深海中，由于海水的阻隔，常规的无线电波很难有效地传输信号。
为了实现深海探测设备与水面支持平台之间的实时通信，需要采用特殊的通信手段。
例如，声学通信技术利用声波在海水中的传播特性，实现数据和指令的传输。
但声波在海水中的传播速度较慢，且容易受到海洋环境的影响，如温度、盐度和水流的变化，从而导致信号衰减和失真。
因此，如何提高声学通信的可靠性和传输速率，是深海通信技术面临的重要挑战之一。
此外，还有一些新兴的通信技术，如光通信和量子通信，也在深海探测领域中受到关注和研究。
深海定位与导航技术也是关键之一。
在茫茫深海中，要准确地确定探测设备的位置和方向并非易事。
无人潜水器实现深海探测的关键技术
无人潜水器实现深海探测的关键技术无人潜水器 (Remotely Operated Vehicles, ROVs) 是一种能够在水下进行探测和操作的远程设备。
随着科技的不断进步，无人潜水器在深海探测中发挥着越来越重要的作用。
本文将从三个方面介绍无人潜水器实现深海探测的关键技术。
一、潜水器结构与材料技术无人潜水器的结构与材料技术是实现深海探测的基础。
首先，潜水器需要具备稳定的结构，能够耐受高水压和恶劣的环境条件。
为此，潜水器通常采用高强度、耐腐蚀、轻量化的材料，如钛合金和复合材料，确保潜水器在深海中能够长时间稳定运行。
其次，潜水器还需要具备高度灵活性和机动性，以适应不同深度的探测任务。
为了实现这一点，潜水器通常采用多关节、可伸缩的机械臂和推进器。
这些机械装置能够根据需要调整形状和方向，从而更好地完成深海探测任务。
二、传感器与成像技术无人潜水器在深海探测中需要借助各种传感器来获取环境信息和目标数据。
其中，水下声纳传感器是实现深海探测的重要工具之一。
水下声纳传感器能够通过声波在水中传播的方式，获取大量环境和目标信息，包括水温、水压、海底地形等。
它的高分辨率和良好的穿透性使得潜水器能够更好地了解深海环境。
此外，潜水器还需要搭载摄像机和光学传感器，用于进行水下成像。
光学传感器能够捕捉高清晰度的图像和视频，帮助科研人员观察海洋生物和地质特征。
同时，红外热像仪等先进传感器的应用，还使得潜水器能够在极低光照条件下进行探测和拍摄工作。
三、通信与控制技术无人潜水器需要通过高效可靠的通信系统与地面指挥中心保持联系，以便远程操控和数据传输。
为此，潜水器通常采用声波、电磁波和无线电波等多种通信手段。
其中，声波是深海通信的主要方式，由于在水中传播的效果更好。
声波通信能够实现双向传输，使潜水器能够接收指令并将数据传回地面。
控制技术是保证无人潜水器安全运行的关键。
潜水器的控制系统应具备较高的自主性和智能化水平，能够适应各种复杂的水下环境。
高精度海洋地震监测的关键技术和算法
高精度海洋地震监测的关键技术和算法地震是地球活动中的重要现象，它经常发生并造成严重的灾害。
为了能够准确监测地震活动，国际上开展了许多研究工作，其中之一就是海洋地震监测。
海洋地震监测具有一定的挑战性，需要特定的技术和算法来实现高精度的监测。
本文将介绍海洋地震监测的关键技术和算法。
1. 海底观测系统海底观测系统是海洋地震监测的基础设施，它主要包括海底地震仪、海底压力计、地下水压计等仪器。
海底地震仪主要用于记录地震波在水中的传播情况，而海底压力计和地下水压计则用于监测地震活动对海底和水下环境的影响。
这些观测设备需要具备高灵敏度、高可靠性和长期稳定性，以确保准确监测海洋地震活动。
2. 信号处理算法海洋地震活动的信号通常呈现出多路径传播、多普勒效应和噪声干扰等复杂特点，因此需要针对这些问题设计相应的信号处理算法。
其中，多普勒效应是海洋地震信号中的一个重要问题，它会导致地震信号频谱的频移和频谱扩展。
为了克服这一问题，可以采用多普勒校正算法对海洋地震信号进行处理，以获得准确的地震信息。
此外，由于海洋环境中存在许多地球上没有的噪声源，例如船只噪声、脉搏噪声等，这些噪声会对地震信号的检测和识别造成干扰。
因此，需要设计有效的噪声抑制算法，以提高地震信号的提取效果。
常用的噪声抑制算法包括基于小波变换的降噪算法、自适应滤波算法等。
3. 数据分析和模型建立海洋地震数据具有复杂的时空分布特性，为了能够准确分析地震活动情况，需要进行数据分析和模型建立。
数据分析可以采用统计方法、波形匹配等技术来提取地震信号中的特征参数，进而判断地震活动的强度、位置和时间等信息。
模型建立可以通过数学建模的方法，将海洋地震活动变化的规律性表示出来，以便更好地理解海洋地震活动过程。
4. 监测网络的建设与数据交换为了能够全面有效地进行海洋地震监测，需要建设一个完善的监测网络，并确保监测数据的及时交换和共享。
监测网络的建设包括选址布设、设备安装和网络连接等方面的工作，需要充分考虑观测点的分布均匀性和覆盖范围。
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附件二
“十一五”863计划海洋技术领域
“海底长期观测网络试验节点关键技术”
重点项目申请指南
一、指南说明
“海底长期观测网络试验节点关键技术”是“十一五”863计划海洋技术领域重点项目之一。
其总体目标是：开发深海观测网络关键技术，并通过与国际已有海底观测网络（如MARS）相合作的方式，研制深海观测网络关键设备，实现与国际已有海底观测网络的接并以及原位实时数据的获取，初步形成深海海底观测网络建设能力，为我国深海海底观测网络的建设奠定基础。
二、指南内容
1．项目名称
海底长期观测网络试验节点关键技术
2．项目总体目标
开发深海观测网络关键技术，并通过与国际已有海底观测网络（如MARS）相合作的方式，研制深海观测网络关键设备，实现与国际已有海底观测网络的接并以及原位实时数据的获取，初步形成深海海底观测网络建设能力，为我国深海海底观测网络的建设奠定基础。
3．项目主要研究内容和主要考核指标
（1）接驳盒及输能通信技术
针对深海网络建设急需解决的输能、信号传输和通讯问题，发展深海水下接驳盒和节点技术，实现深海网络电能和信号的传输和分配以及各系统之间的控制。
主要考核指标：
接驳盒含10个可扩展端口、定时信号发生器；
接驳盒可多级扩展，水下热插拔，实现对其所连接的多个海底原位观测设备和采样器的管理和控制；
支网通讯模式：ICL、RS232/RS485；
支网通讯速率：9,600bps/node；
提供接驳盒样机，海底原位试验。
（2）海底网络组网标准技术
掌握国外深海已有的深海网络标准，结合中国深海观测网络构建的实际方案，建立中国深海观测网络的长程实时原位网络标准，使中国深海观测网络与国际观测网络能进行对接，在实现与国际观测网络的资源和能源共享的同时，网络本身具有高度的可扩展性。
主要考核指标：
建立中国深海观测网络的长程实时原位网络标准；
网络具有高度的可扩展性、可通用性和可交换性。
（3）原位阴离子化学分析技术
采用集成创新与自主研发相结合的技术手段，通过发展新的原位化学分析技术，研制可用于深海极端环境的原位阴离子化学分析系统，能针对水体中存在的多种阴离子进行高精度原位定量分析，实现对水体阴离子变化过程的原位监测。
主要考核指标：
工作水深范围0-4000米；
实现对流体中F－、Cl－、NO2－、PO43－、Br－、NO3－、SO42－、ClO2－、等原位分析；
阴离子检测限≤1ppb(以Cl-计)，重复精度5%；
实验室和海底原位试验。
（4）海洋动力环境原位监测技术
集成和研发深海海洋动力环境测量技术，突破海底边界层海流剖面、海底热通量、动量通量等测量技术，实现与新型沉积物捕获器、高灵敏度浊度计协同作业，形成海底边界层环境测量技术系统。
主要考核指标：
工作水深：最大4000米
测流精度：流速精度±2cm/s
流向精度：±5º
测温精度：0.001º
测盐精度：0.003
（5）系统集成、布放和试验技术
发展基于国际海底网络通用标准和协议的系统集成技术，实现对处于相对分离状态的各子系统模块间的交互、控制、数据采集和数据共享，并提高系统的扩展性和兼容性。
发展和掌握基于ROV运载器或其它载体对海底网络组网关键设备的布放、回收、试验和维护技术，建立组网关键设备布放和试验的操作技术规程。
主要考核指标：
实现关键设备之间信号采集、传输、处理系统的集成化，实现系统信息的集成与共享。
实现对网络组网关键设备的统一管理。
建立布放、回收和试验的操作技术规程。
4．项目经费及组成
本项目拟支持的863专项经费控制额为3000万元。
5．项目支持年限
自课题任务书签定日起4年。
6．其他内容
本项目申请必须针对项目整体任务，针对部分研究内容的申
请将视为无效申请，申请者需填写项目申请书。
由于本项目的特殊性，项目申请单位需在申请前与已有国际海底观测网络负责单位签署正式官方合作协议，在法律上保证研制的组网关键技术在国际观测网络（如MARS）上进行试验和接并。
申请时出示双方的合作协议。