特色实践 | 一群“追浪人”的自主创新答卷——南海局自主海洋观测装备攻坚记

长久以来，海洋探测始终困于多重桎梏：人工潜水作业深度有限，暗流礁石暗藏安全隐患，单日勘测范围狭小；远洋科考船运维成本高昂，浅滩、岛礁等危险水域难以抵达；卫星遥感仅能捕捉海面宏观图景，海底微地形、珊瑚群落细微变化无从辨识；传统岸基观测设备观测半径有限，风雨浓雾天气更不能发挥效力。

为破解“探不远、测不精、不安全”的行业瓶颈，自然资源部南海局测绘团队将爱国之情化作创新之志，数十载向海求索，以“十年磨一剑”的韧劲，扎根孤岛、搏击风浪，在滩涂、近远海千百遍迭代打磨各类装备，在生态普查、防汛抢险、灾害预警、海岛测绘等实战场景中淬炼硬核性能，走出了一条自主研发、实战落地、产业赋能并行的海洋装备创新之路。破浪巡海的智能无人艇、礁底勘测的水下机器人、岸线值守的高频地波雷达，分踞水面、水下、海岸三维空间，协同织就一张全域覆盖、立体感知的南海智慧观测网络。

这不仅是几件先进装备的诞生史，更是一群新时代“追浪人”用实干与智慧，书写出的守护蓝色国土的硬核答卷。

智能无人艇：踏浪逐波的海上“移动测绘站”

无人艇海上试验

2023年开始担任南海调查中心副主任、入选自然资源部青年科技人才的董超，早在2013年装备调研时便敏锐捕捉到行业难点：国内无人机研发热潮涌动，适配岛礁复杂工况的专用无人艇却近乎空白，海上实地作业仍存在大量亟待攻克的技术难关。彼时国产民用无人艇尚处于起步阶段，船体稳控、远距离通信、海洋声学载荷适配等多项核心技术受制于人，研发前路遍布荆棘。

2015年，董超带领团队携初代MM70无人艇奔赴西沙海试，设备有效通信距离仅5千米，母船必须全程随行护航，稍有偏差便会失联。2016年LE2000型无人艇出海前夜，惯导设备突发故障，船舱内50余万元仪器全线瘫痪。深夜12点，董超与合作企业技术员陷入两难，他毅然挺身而出：“线路我来拆解，所有责任由我承担！”二人通宵拆解调试、重新布设线路，直至东方泛起鱼肚白，设备终于恢复信号，如期奔赴海上试验。

初代样机性能简陋，出海时常撞击暗礁损毁推进器，打捞维修动辄耗费整日。起初船员都笑称这台小艇是“麻烦不断的笨家伙”，检修大半日，仅能下水作业片刻。但全体科研人员从未轻言放弃，一次次出海抢修、迭代升级软硬件，小艇打捞频次从一日十余次降至每日一回，昔日故障频发的试验样机，蜕变为稳定高效、能征善战的海上“移动测绘站”。

针对岛礁海域“大型船舶易搁浅、小型船只抗浪能力弱”的先天矛盾，董超团队自主研制了总长7米、总重2.5吨的“海洋探测一号”双体油电混动无人艇，三大核心创新技术实现性能跨越式突破——船体采用外倾双体构型，有效削弱航行兴波，4级海况下船体横摇幅度控制在10度以内，从源头规避气泡、震动干扰，利于多波束声学设备采集数据；创新融合自适应扰动前馈与鲁棒控制策略，4级恶劣海况中航向平均偏移仅1.6米，自主循迹精度稳居行业前列；通信系统搭载无人机高空增程方案，129米天线架设高度下，宽带通信距离可达40千米，180米高空窄带通信最远可延伸50千米，极大拓宽了母船安全作业半径。平台采用船体、载荷双独立模块化架构，供电与控制系统物理隔离，可灵活搭载多波束测深仪、三维侧扫声呐、浅地层剖面仪、温盐探测仪等全套海洋调查设备，作业场景与探测效能大幅拓展。整套装备坚持全链路硬件国产化，彻底攻克民用海洋无人艇“卡脖子”难题，打破海外探测设备长期垄断格局。

实验室里的样机，终要奔赴山海接受实战检验。江河洪峰、极地冰域、跨海枢纽、海底管线，处处留有无人艇自主巡航、采集数据的身影。

2020年江西特大汛情来袭，14千米堤防水下暗藏管涌隐患，人工徒步巡查无法探明水下风险且危险重重。南海局连夜组建抗洪攻坚小队，携带“海洋探测一号”无人艇驰援一线。团队仅用一日便完成全域水下扫描，精准锁定5处高危冲刷点位，收获前线防汛部队嘉奖，盛赞高新科技筑牢防汛屏障。事后，董超坦言：“百姓和堤防安危重于一切，我们的装备必须顶在最前线。”

港珠澳大桥常态化运维期间，无人艇自主规划航行线路，对500米×200米的沉管区域、西人工岛周边海域持续采集海底点云数据，周期性比对监测隧道沉降、海底管线淤积状况。

自2015年起，董超团队携无人艇累计完成1500余千米海底地形测线，为南海航行安全、海洋资源开发提供坚实数据支撑；2017年，M80B无人艇跟随我国第34次南极科考船出发，完整获取恩克斯堡岛周边海底地形数据，为极地科考事业添砖加瓦。

经年深耕换来沉甸甸的行业认可，无人艇两大核心科研项目斩获重磅奖项：“高性能无人艇浅水地形测量装备关键技术研发与产业化”荣获自然资源部科技进步奖二等奖，“复杂环境下无人艇机协同的浅海管线监测关键技术”摘得广东省科技进步奖二等奖。该系列装备已获多家科研机构批量采购，并实现常态化业务运行，应用成效显著。

着眼全域海洋观测长远布局，团队全力攻坚空、海、潜无人装备跨域机动组网协同观测技术。2021年10月，在珠江口海域顺利开展多无人艇集群协同测绘验证试验，分别完成10艘小型艇单波束协同测绘集群、7艘大中型艇多波束协同测绘集群技术实测，全面验证集群作业流程、系统性能、作业效率与综合效益，在无人装备规模化协同开展海洋监测方面迈出关键一步。

谈及长远规划，董超说：“单艇作业能力有限，唯有集群组网，方能实现大范围、同步化立体海洋观测。”未来，无人艇应用版图将持续拓宽，覆盖海上风电场巡检、海底电缆管道运维、跨海桥梁常态化监测、航道灾后地形勘测、珊瑚礁生态动态追踪等多元场景。

浅水珊瑚礁水下机器人：潜行碧海的“生态实验室”

珊瑚礁仅占全球海洋0.1%的面积，却孕育了25%的海洋生物，被誉为“海洋中的热带雨林”，兼具护岸消浪、固碳释氧、维持生物多样性及保障海洋国土安全等核心价值。全球气候变化、人类活动增加等持续加剧珊瑚礁退化与珊瑚白化，珊瑚礁精细化、常态化监测刻不容缓。但是，传统人工潜水监测风险高、采样范围狭小，卫星影像分辨率精细化不足，且国内尚未有适用于珊瑚礁调查的水下机器人专用设备。面对这一难题，自然资源部南海发展研究院联合中国科学院空天信息创新研究院、中国科学院西安光学精密机械研究所，申请获批了浅水珊瑚礁水下机器人研发项目。项目组耗时3年，终于打磨出了浅水珊瑚礁水下机器人载高光谱成像仪自主系统。该水下机器人系统有效破解了传统设备的应用局限，大幅提升复杂海洋环境下的探测与识别能力。

水下机器人搭载的水下高光谱成像仪性能表现优异，光谱覆盖区间为380纳米至800纳米，平均光谱分辨率达4纳米，信噪比达150分贝。依托0.5度高精度稳定光电吊舱，能够有效规避设备晃动、水流扰动带来的探测误差。配套搭载的超高清水下相机，适配大洋一类水体作业场景，最远探测距离15米。同时，探测机器人兼具灵活性与稳定性，支持有缆、无缆作业模式自由切换，可在200米以浅3级海况的区域24小时作业，具备自动避障功能，定位精度达米级，适配多元水下作业场景。

项目技术负责人李明杰介绍了核心技术突破：“团队针对可承受1000米作业水深的水下高清相机，创新提出了全新的设计方案，实现极小水下密封舱内的大功率散热；针对水下高光谱成像仪，研制了新的水下高光谱成像系统，可实现宽谱段、大视场、高分辨率和高信噪比，解决了设备小型化与高透光率难以兼顾的痛点；针对水下机器人获取的多源数据，强化了水下图像增强、珊瑚图谱库设计技术，构建了相对完善的水下高精度探测技术体系。”

水下机器人自主系统历经在实验室联调联试，在水池、千岛湖及外伶仃岛、庙湾岛周边等地多次测试，累计采集试点区域相关照片、视频、高光谱数据等合计约40GB，单日勘测效率达到人工潜水的3至4倍。项目团队在海试总结会上对水下机器人系统的表现十分欣慰：从前潜水员为了安全作业一天只能下潜两三次，采集效率不高。水下机器人的出现，有望补充和改变这种作业方式，使得珊瑚样带调查变得更自动化和高效。

依托历史数据、现场人工潜水和水下机器人调查数据，团队探索构建了佳蓬列岛区域首个珊瑚礁图谱数据库（含文本、照片、视频、高光谱数据、影像数据等），探索了珊瑚科（属）智能识别方法，识别精度优于80%。自2022年起，相关成果在三亚珊瑚礁研究所、广东海洋大学等6家涉海单位推广。用户总体认为“水下机器人是传统潜水调查的有力补充，适合长期大范围生态监测，对珊瑚种群长期动态追踪意义重大”。一些合作单位还表示“计划后续协同开展数据采集，制作珊瑚礁精细化分布图”。

2024年2月，项目成果经专家组鉴定，综合评定为“成果与国内同类研究相比，总体达到国内领先水平。项目成果推动了浅水珊瑚礁精细化监测装备的发展，具有重要意义和应用价值”。该项目还产生系列知识产权与学术成果：获发明专利授权5项、实用新型专利授权2项、软件著作权5项，发表5篇一区SCI论文。

高频地波雷达：屹立岸线的全天候“海上哨兵”

常态化感知海洋环境、监管海上活动，是近海综合治理的根基。长期以来，我国近海动态监测体系短板凸显：船舶、无人机出海作业受大风、暴雨、巨浪限制，无法实现不间断连续观测；海洋浮标仅能获取离散点位数据，难以还原整片海域完整动态；卫星遥感回访周期长、数据更新滞后，难以支撑险情实时预警。

在此背景下，高频地波雷达凭借独特技术优势脱颖而出：依托海面电磁波超视距传播特性，远距离不间断同步捕捉海域风浪、海流、海上移动目标等多元信息，可长期固定部署在沿海岸线，化身全天候、永久值守的海岸观测卫士，精准补齐现有近海监测体系核心短板。

尽管地波雷达具备全天候、广覆盖的监测优势，但我国长期依赖海外设备，不仅采购、运维成本高昂，核心观测数据还存在泄密风险，设备参数也难以适配南海绵长岸线、风暴潮频发、海况复杂的近岸特殊环境。为破除行业痛点，搭建自主可控近海观测体系，自然资源部南海海域海岛中心联合武汉大学组建专项研发团队。团队核心成员黄财京博士直言：“南海海域海洋灾害、海上险情多发，打造本土化岸基观测体系，自主研发核心探测设备，是打破国外垄断、补齐监测短板的关键。”

单座雷达监测范围有限，难以实现全域连续观测，唯有多站点组网布局，方能消除海域监测盲区。依托团队持续攻坚布局，南海局现已自建高频地波雷达5套，站点遍布南澳-惠来、汕尾-香港、万山-上川、阳西-硇洲、白龙尾-涠洲等沿海区域。依托雷达协同观测数据，海域海岛中心构建了华南沿海地波雷达数据集，并实现观测数据实时动态更新。

2023年，团队系统梳理国内外地波雷达发展现状与国内业务运行需求，发现设备运行存在数据接收不稳、观测质量参差不齐、成果转化应用不足等问题。为补齐地波雷达业务化保障短板，团队广泛开展调研，围绕标准体系构建、联合实验室建设、运维保障机制、数据深度应用、观测资源统筹整合等方面交流取经，吸收行业前沿技术与成熟业务经验，形成兼具针对性与实操性的优化方案，编制形成《关于提升地波雷达业务化保障能力的调研报告》。报告凭借扎实调研、精准研判，为完善地波雷达运维体系、提升海洋观测履职能力提供重要参考。

团队还通过多种途径，充分验证了国产地波雷达数据精准度、可靠性，综合观测性能比肩海外同类产品。依托潜标实测数据，完成平台基地波雷达探测性能评估，证实雷达可适配海上油气平台开展常态化观测，推动岸基观测向远海延伸。团队还利用无人机开展雷达方向图精准测量与数据校准，校准后海流观测精度提升17.3%，相关研究形成《南海区地波雷达海流数据质量与稳定性研究》报告。

应用层面，团队融合地波雷达与卫星同步观测数据，创新构建了内波（藏在海面下、发生在不同密度海水界面上的“水下巨浪”，看不见但威力巨大，被称为深海隐形杀手）识别、实时预警技术方法，有效提升海洋内波灾害监测处置能力。依托高精度雷达观测成果，海域海岛中心编制月度、季度标准化雷达数据集与专题图集，为海上搜救路径推演等应用提供核心支撑。

“这些沿岸天线杆看似平凡，却是海洋治理无可替代的技术支撑，在海洋环境监测、防灾减灾、海域监管、海事运维等领域发挥着举足轻重的作用，未来拥有广阔的应用前景。”黄财京博士如此评价这一座座矗立海岸的观测基站。

踏浪巡海的无人艇、礁底探微的水下机器人、岸线值守的高频地波雷达，三者分工互补、联动协同，与其余观测装备共同构筑起闭环完备的南海全域海洋观测体系，持续织密立体化、智能化南海感知观测网络，长久守护蔚蓝国土。