物理海洋學的研究離不開大量的實測海洋數(shù)據(jù)，集成了各種性能優(yōu)異的傳感器儀器設備是海洋調查的基礎。作為國之重器，海洋傳感器值得各方面的重視。比如一臺超大型智能鉆井平臺，便安裝有2萬多個探測傳感器和5萬多個感應報檢點。

海洋儀器設備的一個最大特點是，生產(chǎn)批量小、應用范圍窄、使用壽命短，而穩(wěn)定、可靠性和一致性，以及測量分辨率和精度等要求又特別高，需要在不斷應用中改進制造工藝和提高技術性能。傳感器技術是海洋儀器設備的基礎，其各方面性能是衡量儀器設備好壞的關鍵，同時也是調查數(shù)據(jù)質量的保證，各種數(shù)據(jù)訂正方案應運而生，但是在長期的觀測中，傳感器的穩(wěn)定性、漂移、準確度等指標依然是最重要的部分。海洋傳感器在海洋監(jiān)測、觀測領域的應用十分廣泛，可測量并提供各種海洋環(huán)境要素，如溫度、電導率/鹽度和壓力/深度等基本物理海洋學要素的原始數(shù)據(jù)，不僅用于海洋科學研究，還是海洋資源開發(fā)領域應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。

一、海洋傳感器及其分類

隨著海洋觀測技術的不斷發(fā)展，作為各種觀測要素的感知、采集、轉換、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系統(tǒng)的神經(jīng)末梢，作為海洋觀測數(shù)據(jù)的設備基礎，可獲取海洋水質、水文、生態(tài)、成像、地形地貌、地震波等信息，其觀測數(shù)據(jù)的準確性、原位性、連續(xù)性等，與最終海洋觀測結果息息相關。

海洋傳感器種類繁多，常規(guī)監(jiān)測參數(shù)達上千種，常用傳感器達數(shù)百類。海洋傳感器根據(jù)應用領域大致分為海洋生態(tài)環(huán)境保護應用、海洋資源勘探開發(fā)應用、國防安全應用和科學研究應用等。在不同的應用領域，觀測目標和參數(shù)各有不同，同一參數(shù)的觀測方法和原理也多種多樣。

海洋傳感器根據(jù)檢測參數(shù)類別可大致劃分為水質類、水文類、地質地震類、聲學探測類、光學探測類等，每一類檢測參數(shù)大則包含上百項檢測目標，少則數(shù)十項檢測目標，且根據(jù)應用領域和應用環(huán)境的不同，每一項檢測參數(shù)的工作原理和技術實現(xiàn)手段各有不同。

表1 海洋傳感器及其分類

二、海洋傳感器市場需求

目前的海洋溫、鹽、深、流速等物理傳感器技術已經(jīng)近20年沒有更新?lián)Q代，其響應時間慢、體積大、功耗大、重量大、成本高、非環(huán)保等缺點已經(jīng)阻礙了海洋觀測的需求和許多新的應用開展。

海洋化學傳感器、海洋微生物傳感器也都存在不能與時俱進的問題，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)測的便攜、低功耗、原位、實時、快速、精確的海洋微生物傳感器也未有相關產(chǎn)品。

中國90%的傳感器依賴進口，只有通過國產(chǎn)化來降低成本，國內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、信息技術、集成電路技術等都取得了很大的進步，當這些新技術滲透到海洋傳感器領域的時候，就會有大的突破。

預計今后2年~5年內國產(chǎn)傳感器將實現(xiàn)量產(chǎn)，基于這些新的技術未來將實現(xiàn)傳感器領域的彎道超車。傳感器的應用普及，將會對多個領域帶來突破性的發(fā)展。未來國產(chǎn)傳感器將實現(xiàn)遠程實時監(jiān)測，云端傳送信息，由中心處理器來掌握實時信息，隨時進行檢測校對。

據(jù)統(tǒng)計，2017年中國的傳感器市場為2070億元，預計到2021年可以達到5937億元。世界智能傳感器市場2015年已經(jīng)達到1萬億元，在2016~2020年間，可以達到20%的年復合增長率。因此，傳感器的需求量極大，在全球也具有廣闊的市場。

未來，我國將基于創(chuàng)新的光電集成芯片和光學傳感原理，基于光電集成芯片技術，依靠發(fā)展成熟的集成電路的制造設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，結合我國已搭建起的芯片產(chǎn)業(yè)鏈，通過國內外的密切合作，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權的芯片級海洋物理、化學和微生物傳感器，并且實現(xiàn)微型化與國產(chǎn)化，推進“兩用”研究，進一步將海洋傳感器開發(fā)應用到高端智能裝備的制造領域，加速實現(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，應用領域也非常廣泛，在工業(yè)領域有大量的應用。本次檢索策略的構建主要是聚焦海洋應用領域，重點檢索專門應用于該領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。檢索式及檢索結果如下表，本報告根據(jù)檢索式6進行數(shù)據(jù)檢索及分析。

表2 海洋傳感器領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。其中美國在該領域發(fā)文量為3267篇，占全部總量的30.9% ；該領域發(fā)文量排前5位的國家研究論文數(shù)量達到該領域研究論文數(shù)量的59.7%。

圖1 海洋傳感器領域研究論文地區(qū)分布

4.2 主要研究方向

海洋傳感器領域論文數(shù)量TOP10研究方向主要聚焦在遙感、海洋學、影像科學與攝影技術、工程、氣象與大氣科學、地質學、環(huán)境科學與生態(tài)、光學、海洋與淡水生物學、地球化學與地球物理學等方面。

圖2 海洋傳感器領域主要研究方向

對海洋傳感器領域論文關鍵詞進行主題聚類，主要的研究方向分為三個方向，海洋主題方向有探測對象、探測數(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、高分辨率等觀測數(shù)據(jù)方面；藍色聚類塊主題詞主要聚焦在水色掃描儀、遙感探測、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 海洋傳感器領域主要關鍵詞聚類（點擊放大）

4.3 主要研究機構

海洋傳感器領域發(fā)文量TOP30機構分別來自美國、中國、法國、英國、日本、俄羅斯、歐盟、印度和加拿大。其中美國機構有16家，總計發(fā)文3085篇，占TOP30機構發(fā)文總量的62.7% ；中國機構有3家，總計發(fā)文652篇，占TOP30機構發(fā)文總量的13.7%。

該領域發(fā)表論文排名前5位的機構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，中國科學院發(fā)文345篇，美國加州大學發(fā)文344篇，法國國家科學院發(fā)文193篇。

TOP30機構中，比較早的發(fā)文在20世紀70年代，并且大部分機構來自美國，其中中央華盛頓大學自1973年開始在該領域開展研究，并持續(xù)研究到現(xiàn)在；美國國家航天航空局、邁阿密大學、美國海洋大氣管理局、哥倫比亞大學、在該領域的研究均保持在40年以上，美國海軍早在1976年開始在該領域進行研究，但是2013年之后，就再無相關研究論文產(chǎn)出。加拿大漁業(yè)部自1979年開始進入該領域開展相關研究工作，并持續(xù)到現(xiàn)在。

表3 海洋傳感器研究領域SCI發(fā)文排名TOP30機構

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、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、遙感衛(wèi)星，變異性、模型、留水輻射率、校準、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、動力學、海水、反射率、表面、海面溫度、年際變化等。

南佛羅里達大學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)、固有光學特性、海洋水色衛(wèi)星、遠程傳感、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。

邁阿密大學的主要研究主題方向有海洋水色衛(wèi)星、大氣校正、驗證、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、電離輻射度計等。

馬里蘭大學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、驗證、海洋顏色、模型、遙感、大氣校正、海面溫度、可變性、標定、游植物、高分辨輻射計等。

表4 海洋傳感器領域主要機構研究方向

海洋傳感器領域發(fā)文數(shù)量TOP30機構之間也有密切的合作關系，尤其以國內合作最為密切，國外合作較少。

美國的科研機構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系統(tǒng)和應用公司，其次是馬里蘭大學、哥倫比亞大學、加州理工學院，同時也和法國海洋開發(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、邁阿密大學和中央華盛頓大學；加州大學的密切合作伙伴是哥倫比亞大學、美國伍茲霍爾海洋研究所；科學系統(tǒng)和應用公司和馬里蘭大學是密切的合作伙伴。

中國的國家海洋局和中科院以及中國海洋大學都是密切的合作伙伴，中科院與中國海洋大學之間也有科研合作。

法國的巴黎第六大學和法國國家科學院之間有密切合作；英國的普利茅斯海洋實驗室和南安普敦大學在該領域有科研合作。

圖4 海洋傳感器領域TOP30機構合作圖（點擊放大）

五、海洋傳感器專利技術分析

5.1 主要地區(qū)分布

海洋傳感器領域專利申請數(shù)量較多的是中國、美國、韓國、日本、德國、英國、加拿大和法國。其中中國申請專利1074件，排在第一位，美國申請專利267件排名第二，排在第三位的國家是韓國，申請專利214件。

圖5 海洋傳感器領域專利技術區(qū)域分布

5.2 主要研究方向

海洋傳感器領域專利技術方向主要集中在測量參數(shù)、應用領域、信號控制三個方向，其中測量參數(shù)和應用領域的研究方向比較多。測量參數(shù)主要有化學物理性質（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；應用領域有船舶（B63B）、污水處理（C02F）、漁業(yè)（A01K）、土層/ 巖石（E21B）、水下設備（B63C）等；信號控制方面主要是對測量值和信息的傳輸系統(tǒng)（G08C）。

圖6 海洋傳感器領域技術布局TOP10

5.3 主要研究機構

海洋傳感器領域專利申請TOP25機構分別來自中國、美國、韓國和日本，中國機構有16家，美國、韓國和日本機構分別有3家機構。其中美國海軍安全部和山東省科學院海洋儀器儀表研究所在該領域的專利申請數(shù)量均超過了40件，排在前兩位；其次是中國海洋大學、日本沖電氣工業(yè)株式會社、國家海洋技術中心、韓國海洋科學技術源和天津大學在該領域的專利申請也都超過30件，排在前6位。專利申請數(shù)量超過20件的機構還有浙江大學、浙江海洋大學、大連科技學院和韓國大宇造船海洋株式會社。

圖7 海洋傳感器領域專利申請數(shù)量TOP25機構(點擊放大)

海洋傳感器領域主要機構的技術布局也各有側重。美國海軍安全部專利側重在流量測量、重力測量、速度測量、船用設備和數(shù)據(jù)處理等方面進行技術布局；山東省科學院海洋儀器儀表研究所側重在化學/物理測量、溫度/熱量測量、非特定變量測量、力的測量以及控制系統(tǒng)方面進行技術布局；中國海洋大學側重在非特定變量、距離/攝影測量、化學/物理測量、重力測量和控制系統(tǒng)方面進行技術布局；日本沖電氣工業(yè)株式會社側重在非特定變量測量、船用設備、速度測量、電纜安裝、機電傳感器方面進行技術布局；國家海洋技術中心側重在距離測量、化學/ 物理測量、溫度測量、流量測量和船用設備方面進行技術布局；天津大學的專利技術主要布局在化學/ 物理測量、平衡測量、距離測量、船用設備和非特定變量測量等領域；浙江大學的專利技術主要布局在化學/物理測量、平衡測量、信號控制傳輸、液力機械和船用設備等領域；浙江海洋大學的專利技術主要布局在船用設備、化學/物理測量、控制系統(tǒng)、平衡測量、電場分離等領域；韓國海洋科學技術院的專利技術主要布局在化學/物理測量、船用設備、微觀機械裝置、納米結構、速度測量等領域；大連科技學院的專利技術主要布局在非特定變量測量、化學/物理測量、長度/角度等測量、液力機械和距離/攝影測量等領域。

海洋傳感器領域專利申請機構之間也有合作，其中以大連科技學院和中國海洋石油集團有限公司合作最為密切，這兩家機構也與天津大學有技術合作。日本的三菱重工業(yè)株式會社和沖電氣工業(yè)株式會社在該領域有技術合作；中國海洋大學和山東省科學院海洋儀器儀表研究所在該領域也有技術合作。

表5 海洋傳感器領域主要機構專利技術布局

六、小結

1、海洋傳感器領域發(fā)表SCI論文較多國家分別是美國、中國、法國、英國、日本，這幾個國家的研究論文數(shù)量達到該領域研究論文數(shù)量的59.7%。

2、海洋傳感器領域論文研究方向主要聚焦在遙感、海洋學、影像科學與攝影技術、工程、氣象與大氣科學、地質學、環(huán)境科學與生態(tài)、光學、海洋與淡水生物學、地球化學與地球物理學等方面。

3、海洋傳感器領域發(fā)表論文排名前5位的機構分別是美國國家航空航天局、美國海洋大氣管理局、中國科學院、美國加州大學和法國國家科學院。

4、海洋傳感器領域專利申請數(shù)量較多的國家分別是中國、美國、韓國、日本和德國。

5、海洋傳感器領域專利技術方向主要集中在測量參數(shù)、應用領域、信號控制三個方向，其中測量參數(shù)和應用領域的研究方向比較多。

6、海洋傳感器領域專利申請TOP25機構分別來自中國、美國、韓國和日本，中國機構有16家，美國、韓國和日本機構分別有3家機構。其中美國海軍安全部和山東省科學院海洋儀器儀表研究所在該領域的專利申請數(shù)量均超過了40件。