物理海洋學(xué)的研究離不開大量的實(shí)測(cè)海洋數(shù)據(jù)，集成了各種性能優(yōu)異的傳感器儀器設(shè)備是海洋調(diào)查的基礎(chǔ)。作為國之重器，海洋傳感器值得各方面的重視。比如一臺(tái)超大型智能鉆井平臺(tái)，便安裝有2萬多個(gè)探測(cè)傳感器和5萬多個(gè)感應(yīng)報(bào)檢點(diǎn)。
海洋儀器設(shè)備的一個(gè)最大特點(diǎn)是，生產(chǎn)批量小、應(yīng)用范圍窄、使用壽命短，而穩(wěn)定、可靠性和一致性，以及測(cè)量分辨率和精度等要求又特別高，需要在不斷應(yīng)用中改進(jìn)制造工藝和提高技術(shù)性能。傳感器技術(shù)是海洋儀器設(shè)備的基礎(chǔ)，其各方面性能是衡量儀器設(shè)備好壞的關(guān)鍵，同時(shí)也是調(diào)查數(shù)據(jù)質(zhì)量的保證，各種數(shù)據(jù)訂正方案應(yīng)運(yùn)而生，但是在長期的觀測(cè)中，傳感器的穩(wěn)定性、漂移、準(zhǔn)確度等指標(biāo)依然是最重要的部分。海洋傳感器在海洋監(jiān)測(cè)、觀測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛，可測(cè)量并提供各種海洋環(huán)境要素，如溫度、電導(dǎo)率/鹽度和壓力/深度等基本物理海洋學(xué)要素的原始數(shù)據(jù)，不僅用于海洋科學(xué)研究，還是海洋資源開發(fā)領(lǐng)域應(yīng)用不可或缺的重要數(shù)據(jù)源。因此，開發(fā)、研制海洋傳感器，意義深遠(yuǎn)。
一、海洋傳感器及其分類
隨著海洋觀測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，作為各種觀測(cè)要素的感知、采集、轉(zhuǎn)換、傳輸和處理的功能器件，傳感器的作用日益突出。海洋傳感器是海洋觀測(cè)系統(tǒng)的神經(jīng)末梢，作為海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)的設(shè)備基礎(chǔ)，可獲取海洋水質(zhì)、水文、生態(tài)、成像、地形地貌、地震波等信息，其觀測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、原位性、連續(xù)性等，與最終海洋觀測(cè)結(jié)果息息相關(guān)。
海洋傳感器種類繁多，常規(guī)監(jiān)測(cè)參數(shù)達(dá)上千種，常用傳感器達(dá)數(shù)百類。海洋傳感器根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域大致分為海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)應(yīng)用、海洋資源勘探開發(fā)應(yīng)用、國防安全應(yīng)用和科學(xué)研究應(yīng)用等。在不同的應(yīng)用領(lǐng)域，觀測(cè)目標(biāo)和參數(shù)各有不同，同一參數(shù)的觀測(cè)方法和原理也多種多樣。
海洋傳感器根據(jù)檢測(cè)參數(shù)類別可大致劃分為水質(zhì)類、水文類、地質(zhì)地震類、聲學(xué)探測(cè)類、光學(xué)探測(cè)類等，每一類檢測(cè)參數(shù)大則包含上百項(xiàng)檢測(cè)目標(biāo)，少則數(shù)十項(xiàng)檢測(cè)目標(biāo)，且根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用環(huán)境的不同，每一項(xiàng)檢測(cè)參數(shù)的工作原理和技術(shù)實(shí)現(xiàn)手段各有不同。
表1 海洋傳感器及其分類
二、海洋傳感器市場(chǎng)需求
目前的海洋溫、鹽、深、流速等物理傳感器技術(shù)已經(jīng)近20年沒有更新?lián)Q代，其響應(yīng)時(shí)間慢、體積大、功耗大、重量大、成本高、非環(huán)保等缺點(diǎn)已經(jīng)阻礙了海洋觀測(cè)的需求和許多新的應(yīng)用開展。
海洋化學(xué)傳感器、海洋微生物傳感器也都存在不能與時(shí)俱進(jìn)的問題，我國目前尚不具備全面、完整的微生物數(shù)據(jù)庫，適合長期海洋監(jiān)測(cè)的便攜、低功耗、原位、實(shí)時(shí)、快速、精確的海洋微生物傳感器也未有相關(guān)產(chǎn)品。
中國90%的傳感器依賴進(jìn)口，只有通過國產(chǎn)化來降低成本，國內(nèi)海工裝備才用得起傳感器。國外的海洋傳感器已經(jīng)近二十年沒有更新?lián)Q代了，但是在過去二十年，材料技術(shù)、信息技術(shù)、集成電路技術(shù)等都取得了很大的進(jìn)步，當(dāng)這些新技術(shù)滲透到海洋傳感器領(lǐng)域的時(shí)候，就會(huì)有大的突破。
預(yù)計(jì)今后2年~5年內(nèi)國產(chǎn)傳感器將實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，基于這些新的技術(shù)未來將實(shí)現(xiàn)傳感器領(lǐng)域的彎道超車。傳感器的應(yīng)用普及，將會(huì)對(duì)多個(gè)領(lǐng)域帶來突破性的發(fā)展。未來國產(chǎn)傳感器將實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，云端傳送信息，由中心處理器來掌握實(shí)時(shí)信息，隨時(shí)進(jìn)行檢測(cè)校對(duì)。
據(jù)統(tǒng)計(jì)，2017年中國的傳感器市場(chǎng)為2070億元，預(yù)計(jì)到2021年可以達(dá)到5937億元。世界智能傳感器市場(chǎng)2015年已經(jīng)達(dá)到1萬億元，在2016~2020年間，可以達(dá)到20%的年復(fù)合增長率。因此，傳感器的需求量極大，在全球也具有廣闊的市場(chǎng)。
未來，我國將基于創(chuàng)新的光電集成芯片和光學(xué)傳感原理，基于光電集成芯片技術(shù)，依靠發(fā)展成熟的集成電路的制造設(shè)備與工藝水平和在中國國產(chǎn)化的集成電路芯片制造水平，結(jié)合我國已搭建起的芯片產(chǎn)業(yè)鏈，通過國內(nèi)外的密切合作，開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的芯片級(jí)海洋物理、化學(xué)和微生物傳感器，并且實(shí)現(xiàn)微型化與國產(chǎn)化，推進(jìn)“兩用”研究，進(jìn)一步將海洋傳感器開發(fā)應(yīng)用到高端智能裝備的制造領(lǐng)域，加速實(shí)現(xiàn)“中國制造2025”所依托的高端智能傳感器芯片的國產(chǎn)化。
三、檢索式策略
傳感器種類非常多，應(yīng)用領(lǐng)域也非常廣泛，在工業(yè)領(lǐng)域有大量的應(yīng)用。本次檢索策略的構(gòu)建主要是聚焦海洋應(yīng)用領(lǐng)域，重點(diǎn)檢索專門應(yīng)用于該領(lǐng)域的傳感器研究論文和專利。論文數(shù)據(jù)來自科睿唯安WOS核心合集數(shù)據(jù)庫，專利數(shù)據(jù)來自DII數(shù)據(jù)庫。檢索式及檢索結(jié)果如下表，本報(bào)告根據(jù)檢索式6進(jìn)行數(shù)據(jù)檢索及分析。
表2 海洋傳感器領(lǐng)域論文和專利檢索策略
四、海洋傳感器科技論文研究情況
4.1 主要地區(qū)分布
海洋傳感器領(lǐng)域發(fā)表SCI論文排在前15位的國家分別是美國、中國、法國、英國、日本、意大利、德國、加拿大、印度、西班牙、俄羅斯、澳大利、韓國、荷蘭和挪威。其中美國在該領(lǐng)域發(fā)文量為3267篇，占全部總量的30.9% ；該領(lǐng)域發(fā)文量排前5位的國家研究論文數(shù)量達(dá)到該領(lǐng)域研究論文數(shù)量的59.7%。
圖1 海洋傳感器領(lǐng)域研究論文地區(qū)分布
4.2 主要研究方向
海洋傳感器領(lǐng)域論文數(shù)量TOP10研究方向主要聚焦在遙感、海洋學(xué)、影像科學(xué)與攝影技術(shù)、工程、氣象與大氣科學(xué)、地質(zhì)學(xué)、環(huán)境科學(xué)與生態(tài)、光學(xué)、海洋與淡水生物學(xué)、地球化學(xué)與地球物理學(xué)等方面。
圖2 海洋傳感器領(lǐng)域主要研究方向
對(duì)海洋傳感器領(lǐng)域論文關(guān)鍵詞進(jìn)行主題聚類，主要的研究方向分為三個(gè)方向，海洋主題方向有探測(cè)對(duì)象、探測(cè)數(shù)據(jù)以及傳感器。紅色聚類塊的主題詞主要聚焦在海洋年際變化、溫度、海洋環(huán)流、海洋渦旋、海洋動(dòng)力、海洋高程、海浪、海洋浮游植物等海洋參數(shù)方面；綠色聚類塊主題詞主要聚焦在遙感數(shù)據(jù)、Modis數(shù)據(jù)、氣象衛(wèi)星、海冰、海面溫度、海洋氣溶膠、高分辨率等觀測(cè)數(shù)據(jù)方面；藍(lán)色聚類塊主題詞主要聚焦在水色掃描儀、遙感探測(cè)、海色、海色影響、渾濁海岸、大氣校正、氣溶膠光深度、光譜、海灣、懸浮顆粒物、沿海水域、光吸收等傳感器等方面。
圖3 海洋傳感器領(lǐng)域主要關(guān)鍵詞聚類（點(diǎn)擊放大）
4.3 主要研究機(jī)構(gòu)
海洋傳感器領(lǐng)域發(fā)文量TOP30機(jī)構(gòu)分別來自美國、中國、法國、英國、日本、俄羅斯、歐盟、印度和加拿大。其中美國機(jī)構(gòu)有16家，總計(jì)發(fā)文3085篇，占TOP30機(jī)構(gòu)發(fā)文總量的62.7% ；中國機(jī)構(gòu)有3家，總計(jì)發(fā)文652篇，占TOP30機(jī)構(gòu)發(fā)文總量的13.7%。
該領(lǐng)域發(fā)表論文排名前5位的機(jī)構(gòu)分別是美國國家航空航天局（NASA）發(fā)文612篇，美國海洋大氣管理局發(fā)文522篇，中國科學(xué)院發(fā)文345篇，美國加州大學(xué)發(fā)文344篇，法國國家科學(xué)院發(fā)文193篇。
TOP30機(jī)構(gòu)中，比較早的發(fā)文在20世紀(jì)70年代，并且大部分機(jī)構(gòu)來自美國，其中中央華盛頓大學(xué)自1973年開始在該領(lǐng)域開展研究，并持續(xù)研究到現(xiàn)在；美國國家航天航空局、邁阿密大學(xué)、美國海洋大氣管理局、哥倫比亞大學(xué)、在該領(lǐng)域的研究均保持在40年以上，美國海軍早在1976年開始在該領(lǐng)域進(jìn)行研究，但是2013年之后，就再無相關(guān)研究論文產(chǎn)出。加拿大漁業(yè)部自1979年開始進(jìn)入該領(lǐng)域開展相關(guān)研究工作，并持續(xù)到現(xiàn)在。
表3 海洋傳感器研究領(lǐng)域SCI發(fā)文排名TOP30機(jī)構(gòu)
美國國家航空航天局的主要研究主題方向有海洋水色衛(wèi)星、海洋大氣校正、中分辨率成像光譜儀、算法、遙感衛(wèi)星、模型、校準(zhǔn)、變異性、反射率、浮游植物、葉綠素、航空網(wǎng)、氣候、圖像、表面等。
美國海洋大氣管理局的主要研究主題方向有海洋水色衛(wèi)星、中分辨率成像光譜儀、海洋大氣校正、高分辨率輻射計(jì)、遙感衛(wèi)星，變異性、模型、留水輻射率、校準(zhǔn)、海面溫度，折射率、可見光紅外成像輻射儀、葉綠素等。
中國科學(xué)院的主要研究主題方向有海洋水色衛(wèi)星、中分辨率成像光譜儀、大氣校正，變異性、算法、遙感衛(wèi)星、海洋顏色、回填、沿海水域，浮游植物、SEAWIFS圖像、反射、葉綠素、葉綠素等。
美國加州大學(xué)的主要研究主題方向有海洋水色衛(wèi)星、浮游植物、變異性、海洋顏色、葉綠素、遙感、模型、大氣校正、算法、圖像、吸收、廢水、散射、加利福尼亞電流、系統(tǒng)、溫度、表面等。
法國國家科學(xué)院的主要研究主題方向有海洋水色衛(wèi)星、葉綠素、循環(huán)、變異性、模型、大氣校正、遙感衛(wèi)星、海洋色彩、地中海、浮游植物、動(dòng)力學(xué)、海水、反射率、表面、海面溫度、年際變化等。
南佛羅里達(dá)大學(xué)的主要研究主題方向有海洋水色衛(wèi)星、海洋顏色、遙感衛(wèi)星、大氣校正、沿海水域、葉綠素、模型、中分辨率成像光譜儀、變異性、浮游植物、吸收率、遙感反射、算法、光學(xué)特性、圖像等。
美國海軍的主要研究主題方向有模型、海洋顏色、可變性、算法、循環(huán)、固有光學(xué)特性、海洋水色衛(wèi)星、遠(yuǎn)程傳感、吸收、圖像、大氣校正、廢水、葉綠素、浮游植物等。
國家海洋局的主要研究主題方向有海洋水色衛(wèi)星、大氣校正、驗(yàn)證、模型、算法、海洋顏色遙感、海洋顏色、沿海水域、衛(wèi)星、中分辨率成像光譜儀、SEAWIFS圖像、可變性、浮游植物等。
邁阿密大學(xué)的主要研究主題方向有海洋水色衛(wèi)星、大氣校正、驗(yàn)證、海洋顏色、模型、海面溫度、變異性、圖像、北大西洋、中分辨率成像光譜儀、掃描儀、電離輻射度計(jì)等。
馬里蘭大學(xué)的主要研究主題方向有算法、中分辨率成像光譜儀、海洋水色衛(wèi)星、驗(yàn)證、海洋顏色、模型、遙感、大氣校正、海面溫度、可變性、標(biāo)定、游植物、高分辨輻射計(jì)等。
表4 海洋傳感器領(lǐng)域主要機(jī)構(gòu)研究方向
海洋傳感器領(lǐng)域發(fā)文數(shù)量TOP30機(jī)構(gòu)之間也有密切的合作關(guān)系，尤其以國內(nèi)合作最為密切，國外合作較少。
美國的科研機(jī)構(gòu)和高校之間的合作非常密切，美國國家航空航天局合作最為頻繁的是科學(xué)系統(tǒng)和應(yīng)用公司，其次是馬里蘭大學(xué)、哥倫比亞大學(xué)、加州理工學(xué)院，同時(shí)也和法國海洋開發(fā)研究院有合作；美國海洋大氣管理局的密切合作伙伴是科羅拉多州立大學(xué)、邁阿密大學(xué)和中央華盛頓大學(xué)；加州大學(xué)的密切合作伙伴是哥倫比亞大學(xué)、美國伍茲霍爾海洋研究所；科學(xué)系統(tǒng)和應(yīng)用公司和馬里蘭大學(xué)是密切的合作伙伴。
中國的國家海洋局和中科院以及中國海洋大學(xué)都是密切的合作伙伴，中科院與中國海洋大學(xué)之間也有科研合作。
法國的巴黎第六大學(xué)和法國國家科學(xué)院之間有密切合作；英國的普利茅斯海洋實(shí)驗(yàn)室和南安普敦大學(xué)在該領(lǐng)域有科研合作。
圖4 海洋傳感器領(lǐng)域TOP30機(jī)構(gòu)合作圖（點(diǎn)擊放大）
五、海洋傳感器專利技術(shù)分析
5.1 主要地區(qū)分布
海洋傳感器領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)數(shù)量較多的是中國、美國、韓國、日本、德國、英國、加拿大和法國。其中中國申請(qǐng)專利1074件，排在第一位，美國申請(qǐng)專利267件排名第二，排在第三位的國家是韓國，申請(qǐng)專利214件。
圖5 海洋傳感器領(lǐng)域?qū)＠夹g(shù)區(qū)域分布
5.2 主要研究方向
海洋傳感器領(lǐng)域?qū)＠夹g(shù)方向主要集中在測(cè)量參數(shù)、應(yīng)用領(lǐng)域、信號(hào)控制三個(gè)方向，其中測(cè)量參數(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域的研究方向比較多。測(cè)量參數(shù)主要有化學(xué)物理性質(zhì)（G01N）、重力（G01V）、距離（G01C）、速度（G01S）、特定變量（G01D）、溫度/ 熱量（G01K）、力（G01L）、平衡（G01M）、電磁（G01R） 等；應(yīng)用領(lǐng)域有船舶（B63B）、污水處理（C02F）、漁業(yè)（A01K）、土層/ 巖石（E21B）、水下設(shè)備（B63C）等；信號(hào)控制方面主要是對(duì)測(cè)量值和信息的傳輸系統(tǒng)（G08C）。
圖6 海洋傳感器領(lǐng)域技術(shù)布局TOP10
5.3 主要研究機(jī)構(gòu)
海洋傳感器領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)TOP25機(jī)構(gòu)分別來自中國、美國、韓國和日本，中國機(jī)構(gòu)有16家，美國、韓國和日本機(jī)構(gòu)分別有3家機(jī)構(gòu)。其中美國海軍安全部和山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所在該領(lǐng)域的專利申請(qǐng)數(shù)量均超過了40件，排在前兩位；其次是中國海洋大學(xué)、日本沖電氣工業(yè)株式會(huì)社、國家海洋技術(shù)中心、韓國海洋科學(xué)技術(shù)源和天津大學(xué)在該領(lǐng)域的專利申請(qǐng)也都超過30件，排在前6位。專利申請(qǐng)數(shù)量超過20件的機(jī)構(gòu)還有浙江大學(xué)、浙江海洋大學(xué)、大連科技學(xué)院和韓國大宇造船海洋株式會(huì)社。
圖7 海洋傳感器領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)數(shù)量TOP25機(jī)構(gòu)(點(diǎn)擊放大)
海洋傳感器領(lǐng)域主要機(jī)構(gòu)的技術(shù)布局也各有側(cè)重。美國海軍安全部專利側(cè)重在流量測(cè)量、重力測(cè)量、速度測(cè)量、船用設(shè)備和數(shù)據(jù)處理等方面進(jìn)行技術(shù)布局；山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所側(cè)重在化學(xué)/物理測(cè)量、溫度/熱量測(cè)量、非特定變量測(cè)量、力的測(cè)量以及控制系統(tǒng)方面進(jìn)行技術(shù)布局；中國海洋大學(xué)側(cè)重在非特定變量、距離/攝影測(cè)量、化學(xué)/物理測(cè)量、重力測(cè)量和控制系統(tǒng)方面進(jìn)行技術(shù)布局；日本沖電氣工業(yè)株式會(huì)社側(cè)重在非特定變量測(cè)量、船用設(shè)備、速度測(cè)量、電纜安裝、機(jī)電傳感器方面進(jìn)行技術(shù)布局；國家海洋技術(shù)中心側(cè)重在距離測(cè)量、化學(xué)/ 物理測(cè)量、溫度測(cè)量、流量測(cè)量和船用設(shè)備方面進(jìn)行技術(shù)布局；天津大學(xué)的專利技術(shù)主要布局在化學(xué)/ 物理測(cè)量、平衡測(cè)量、距離測(cè)量、船用設(shè)備和非特定變量測(cè)量等領(lǐng)域；浙江大學(xué)的專利技術(shù)主要布局在化學(xué)/物理測(cè)量、平衡測(cè)量、信號(hào)控制傳輸、液力機(jī)械和船用設(shè)備等領(lǐng)域；浙江海洋大學(xué)的專利技術(shù)主要布局在船用設(shè)備、化學(xué)/物理測(cè)量、控制系統(tǒng)、平衡測(cè)量、電場(chǎng)分離等領(lǐng)域；韓國海洋科學(xué)技術(shù)院的專利技術(shù)主要布局在化學(xué)/物理測(cè)量、船用設(shè)備、微觀機(jī)械裝置、納米結(jié)構(gòu)、速度測(cè)量等領(lǐng)域；大連科技學(xué)院的專利技術(shù)主要布局在非特定變量測(cè)量、化學(xué)/物理測(cè)量、長度/角度等測(cè)量、液力機(jī)械和距離/攝影測(cè)量等領(lǐng)域。
海洋傳感器領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)機(jī)構(gòu)之間也有合作，其中以大連科技學(xué)院和中國海洋石油集團(tuán)有限公司合作最為密切，這兩家機(jī)構(gòu)也與天津大學(xué)有技術(shù)合作。日本的三菱重工業(yè)株式會(huì)社和沖電氣工業(yè)株式會(huì)社在該領(lǐng)域有技術(shù)合作；中國海洋大學(xué)和山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所在該領(lǐng)域也有技術(shù)合作。
表5 海洋傳感器領(lǐng)域主要機(jī)構(gòu)專利技術(shù)布局
六、小結(jié)
1、海洋傳感器領(lǐng)域發(fā)表SCI論文較多國家分別是美國、中國、法國、英國、日本，這幾個(gè)國家的研究論文數(shù)量達(dá)到該領(lǐng)域研究論文數(shù)量的59.7%。
2、海洋傳感器領(lǐng)域論文研究方向主要聚焦在遙感、海洋學(xué)、影像科學(xué)與攝影技術(shù)、工程、氣象與大氣科學(xué)、地質(zhì)學(xué)、環(huán)境科學(xué)與生態(tài)、光學(xué)、海洋與淡水生物學(xué)、地球化學(xué)與地球物理學(xué)等方面。
3、海洋傳感器領(lǐng)域發(fā)表論文排名前5位的機(jī)構(gòu)分別是美國國家航空航天局、美國海洋大氣管理局、中國科學(xué)院、美國加州大學(xué)和法國國家科學(xué)院。
4、海洋傳感器領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)數(shù)量較多的國家分別是中國、美國、韓國、日本和德國。
5、海洋傳感器領(lǐng)域?qū)＠夹g(shù)方向主要集中在測(cè)量參數(shù)、應(yīng)用領(lǐng)域、信號(hào)控制三個(gè)方向，其中測(cè)量參數(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域的研究方向比較多。
6、海洋傳感器領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)TOP25機(jī)構(gòu)分別來自中國、美國、韓國和日本，中國機(jī)構(gòu)有16家，美國、韓國和日本機(jī)構(gòu)分別有3家機(jī)構(gòu)。其中美國海軍安全部和山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所在該領(lǐng)域的專利申請(qǐng)數(shù)量均超過了40件。
