西安光机所、崂山实验室、中国海洋大学、深圳先进院、半导体所等8家单位19位研究人员联合发表水体参量原位监测技术发展路线图 | 光学学报

《光学学报》于2026年46卷第12期推出“AI光学：涉水光学”专题，中国科学院西安光学精密机械研究所吴国俊研究员团队牵头，崂山实验室、中国海洋大学、中国科学院深圳先进技术研究院、中国科学院半导体所、香港理工大学等单位联合发表的特邀发展路线图“水体参量光学原位传感技术的发展”被选为专题封面文章。

水体参量光学原位传感技术的发展为海洋长期连续观测提供了重要技术支撑。该特邀发展路线图重点介绍了水体光学原位传感的基本原理及典型观测参数，对其检测方法与应用场景进行了系统阐述，梳理了光学传感器的性能提升与智能化技术进展，详细描述了各传感器的代表性研究。讨论了光学原位传感技术在水体生态监测和碳循环等研究中的应用前景，并对未来发展方向进行了总结与展望。

封面解析

封面展示了基于光学原理的海洋水体参量原位传感器及海洋立体观测应用场景。封面中以叶绿素荧光传感器、硝酸盐吸收传感器、LIBS金属离子传感器和振动传感器为代表的光学传感器具有海洋环境高灵敏感知能力，所获得的大规模原位观测数据可为海洋生态评估、赤潮预警、海洋碳循环研究、气候变化分析以及数字海洋建设提供重要的数据支撑。生物地球化学浮标、水下滑翔机等平台协同构建海洋观测网络，可对不同深度海水中的关键生化与物理参数进行长期连续原位测量。

链接：李瑞卓, 杨鹏, 田野, 陈良培, 李高超, 董晶, 王东升, 张志浩, 陈顺明, 王永杰, 安然, 王明途, 明娜, 郑凯健, 唐军武, 李芳, 李剑平, 郭金家, 吴国俊. 水体参量光学原位传感技术的发展（特邀）[J]. 光学学报, 2026, 46(12): 1200001.

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背景介绍

水体环境是地球生态系统的重要组成部分，其生物地球化学过程及物质循环过程对全球气候变化、水资源利用、生态安全和环境保护具有重要影响。随着全球水环境观测需求的不断提升，传统实验室分析的监测方式已难以满足复杂水体长期连续、高时空分辨率观测的需求，发展适用于复杂水体环境的原位观测设备已成为水体检测技术发展的重要方向。

水体光学原位传感技术是基于光与水体中物质相互作用所建立的一类原位探测方法，可实现对叶绿素、有色可溶性有机物（CDOM）、溶解氧、硝酸盐等多种生化与物理参数的实时在线测量。与传统电化学或离线分析方法相比，光学原位传感技术具有响应速度快、灵敏度高以及易于连续监测等优势。近年来，水体光学原位传感器正朝着小型化、低功耗、多参数集成与智能化方向快速发展。随着器件性能和反演算法的不断发展，水体光学原位传感技术在水生态监测、藻华预警、生物地球化学循环研究及水环境评估等领域展现出重要应用价值。

图1 在重点研发计划的支持下，自研传感器搭载国产Argo浮标和Glider进行海试

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水体参量原位传感技术

2.1 水体物理参量传感器

物理参量传感器主要用于获取水体环境中的温度、盐度、流场结构等信息，是研究水体动力过程、水团演化及物质循环的重要基础。基于光纤传感技术的温盐深（CTD）传感器通过波长漂移实现高稳定性检测，是水体剖面观测的核心设备。流速传感器主要用于海流、湍流及水体输运研究，基于FBG光纤的新型流速传感器可实现高精度流速探测。辐照度传感器用于分析水下光衰减特性，其原理是利用光电探测器对不同波段光强进行检测。悬浮颗粒物与浊度传感器则主要基于光散射和透射原理，通过检测颗粒对光的散射与衰减实现浓度反演，广泛应用于水体浑浊度、沉积输运及颗粒有机碳循环研究。近年来，物理参量传感器正朝着高灵敏度、小型化、低功耗及长期在线观测方向发展，并逐渐与多参数观测平台融合，以满足复杂环境下长期连续原位观测需求。 

图2 西安光机所研制的水下辐照度传感器

2.2 水体化学参量传感器

化学参量传感器主要用于获取水体中的生物地球化学信息，是研究水体代谢过程、营养循环及环境变化的重要手段。光学溶解氧传感器通过检测荧光寿命或强度变化实现氧浓度测量，具有稳定性高、响应快和维护量低等特点。基于红外吸收法的溶解二氧化碳传感器主要用于水体碳循环和酸化研究。营养盐传感器主要用于硝酸盐、磷酸盐和硅酸盐等参数测量，为富营养化研究提供重要数据支撑。基于LIBS原理的金属离子传感器则主要面向海水中的铁、铜等痕量元素检测。得益于结构优化与技术升级，传感器在灵敏度和选择性方面的性能不断提升。

图3 中国海洋大学开发的深海LIBS系统“LIBSea”在进行现场海试

2.3 水体有机物传感器

有机物传感器主要用于水体有机物浓度及组成特征的检测与分析，在水污染溯源及生态评估等方面具有重要意义。fDOM传感器和PAHs传感器基于有机物在特定激发波长下产生荧光的原理，通过检测特定波长的荧光强度实现浓度反演和有机物分类。fDOM传感器主要应用于近海、河口及湖泊等区域，用于监测水体中溶解有机质输入、迁移与转化过程的变化。PAHs传感器可用于水体油污泄漏及有机污染监测。近年来，微塑料污染问题受到广泛关注。结合显微成像、激光散射及拉曼、红外光谱识别等技术的微塑料原位检测方法不断发展，可实现微塑料颗粒的识别与分类，推动微塑料检测由实验室分析逐步向现场连续监测方向发展。

2.4 水下生物参量传感

水下生物参量传感在海洋生态环境监测与水生态过程研究方面具有重要意义。水下原位观测系统通常基于水下显微成像，结合流式细胞法、偏振成像、全息成像等技术，通过获取生物和颗粒目标的图像信息，实现浮游生物及颗粒目标的实时观测与自动识别。叶绿素传感器通过检测叶绿素荧光强度实现叶绿素浓度反演，在藻华监测和赤潮预警中发挥着重要作用。近年来，水下生物传感器正朝着小型化智能识别方向发展，并逐渐与多参数观测系统融合，以提升复杂水体环境下的生态监测能力。

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总结与展望

海洋水体参量光学原位传感技术经过数十年的发展，已成为现代海洋环境观测的重要技术手段。原位光学传感技术能够实现水体参数的长期连续、实时在线监测，在提高观测时空分辨率和获取海洋过程动态信息方面具有显著优势。目前，基于荧光、吸收、散射及水下成像等原理构建的海洋光学传感器，已广泛应用于海洋生态环境监测、海洋碳循环研究、赤潮灾害预警、海洋污染监测及数字海洋建设等领域。未来，随着光学器件、传感器结构及人工智能技术的进一步发展，海洋原位光学传感技术将在全球海洋环境监测、海洋资源开发及海洋科学研究中发挥更加重要的作用。

吴国俊，研究员，博士生导师，中国科学院西安光学精密机械研究所海洋光学技术研究室主任，崂山实验室水下光学技术中心主任，陕西省海洋光学重点实验室常务副主任，中国光学工程学会海洋光学专委会秘书长。主要研究领域为海洋光学传感、流场光学测量等。近年来，承担三十余项科研项目，包括国家重点研发计划、省部级基金项目等，先后完成了我国首套全海深高清相机(“奋斗者”号载人潜器万米深海电视直播相机)、我国首套湿插拔光电连接器、系列移动平台搭载海洋生地化原位传感器等系统的研制工作，并在海底科学观测网等重大工程中取得应用。发表论文60余篇，获批专利50余项。相关成果获国家技术发明二等奖、军队科技进步二等奖、中国光学工程学会科技进步一等奖、中国电子学会技术发明一等奖。