面对台风来袭，谁能乘奔御风，测得台风过境时的海流资料？又是谁，竟能孤身入海数千米，携各种传感器，将各种海洋参数尽收“眼”底？由此能者，舍潜标其谁？现在，就让我们来揭开潜标观测系统的神秘面纱，看看这位大能的故事吧~
一．潜标系统的组成与特点
图1.浮潜标系统
如今潜标系统已然形成了一个家族，如自容式潜标观测系统；实时潜标观测系统；还可以强强联手，与浮标组成浮潜标观测系统。
海洋潜标可安装的传感器种类多样，例如温度传感器、海流传感器、营养盐传感器等，不在海洋，可以同时获取不同深度的海洋环境参数数据。
但是一般而言，海洋潜标主要由卫星通信系统、主浮体、传感器、数据记录仪、并联声学释放器、抓力锚等构成，通过系留系统进行串联。通常，主浮体布放在海面下100m左右或更大深度的水层中，因而避免海表面的扰动，锚系系统将整个系统固定在海底某一选定的测点上。在主浮体与锚之间的系留绳索上，根据不同的需要，在不同位置串联浮子和各种传感器，在系留索与锚的连接处安装释放器。除此之外，海洋潜标顶部还可以连接海洋浮标，对海面气象条件进行探测。
对自容式潜标观测系统，其在物理海洋要素监测时主要有2个检测单元：
（1）流速监测设备：一览无遗
过去多使用单点声学海流计，现更新为声学多普勒流速剖面仪（ADCP）。其利用声学多普勒原理，测量分层水介质散射信号的频移信息，并利用矢量合成方法获取海流垂直剖面水流速度，即水流的垂直剖面分布。对被测验流场不产生任何扰动，也不存在机械惯性和机械磨损，能一次测得一个剖面上若干层流速的三维分量和绝对方向。就观测区域的流速监测而言，ADCP已达到一览无遗之境。
（2）温盐深监测设备：一石三鸟
采用温盐深仪 （CTD）同时测量电导率、温度和压力，并通过电导率可推算盐度，由压力算出深度。实现conductivity（C）,temperature（T）,depth（D）的同时获取，一石三鸟。
上述仪器虽然有着诸多的优点，但是对应投放和回收的过程也是十分的繁琐，且稍有不慎便是大笔资金的损失，若要避免上述问题，就不得不提潜标观测系统的释放回收组件啦。
P.S.释放回收组件：一蹴而就
采用高可靠性和紧凑的声学释放仪器，它能够通过远程控制和多命令功能来操作复杂的水下系统。在潜标系统中可以控制释放机构做脱钩动作，并对锚定沉块进行释放，从而让浮体带着仪器上浮。该声学释放设备的释放机制是通过马达驱动来实现的，释放过程只需要很短的时间，一般从发出指令到触发释放，只需要几秒钟的时间就可以完成，这种“迅捷化”，“自动化”的释放机制使得原本繁琐的释放回收过程变得“一蹴而就”。
图2.自容式潜标观测系统
在生物与化学海洋要素方面，潜标观测系统可以对溶解氧，叶绿素，蚀度，PH，CO2，甲烷等参数进行长期连续观测。
然而，自容式潜标观测系统，需在观测周期（一般为数月至数年）结束并对潜标实施回收后方能获取观测数据，信息时效性较差。所以在此基础上，实时潜标观测系统应运而生，其在自容式观测系统的基础上还包括海上卫星通信终端、感应耦合链路和岸基数据接收中心。
除了捕获信息量大，观测要素多样外，潜标系统还能够长期、隐蔽地在水下工作、搜索水中运动目标和各种海况下的环境噪声信息。其自动化程度高，安全可靠，布放回收方便，经济实用。在水中目标特性信息获取和研究领域具有广阔的发展前景。
图3.实时潜标观测系统
既然潜标系统有着诸多优点，前景广阔，自然也是许多国家的重点研究对象，接下来且看国内外潜标观测系统的发展状况吧~
二.潜标系统在国内外的发展状况
世界潜标技术的发展
1、20世纪50~80年代：初显锋芒
潜标技术是20世纪50年代初首先在美国发展起来的。从六十年代初开始，美国许多海洋机构包括美国伍兹霍尔海洋研究所在墨西哥湾、西北太平洋 、日本附近的黑潮区和琉球群岛附近，以及中北大西洋海域的一些观测站，布设潜标系统。英国从60年代到80年代中期 ，共布放了400余套潜标系统。前苏联希尔绍夫研究所研制的潜标系统大量应用于北极浮冰区海洋环境观测。日本于70年代初开始研制和使用潜标系统，主要用于黑潮研究，在每年两次南太平洋调查中，在两条主要的观测断面上，每次布放十几套测流潜标。到80年代 ，国际上潜标系统已广泛应用 于海洋调查、科学研究、军事活动、海洋开发等方面。
2、20世纪80年代~20世纪90年代：突飞猛进
80年代中期，潜标与锚泊浮标相结合形成绷紧式锚泊浮标系统，在近十几年 海洋环境 测应用中得到了很大的发展。如美国、法国、日本和中国台湾合作布放的“热带海洋大气阵列（TAO）”，该阵列由套绷紧式锚泊浮标系统组成 ， 布放在太平洋137°E~95°W，8°N~8°S之间的海区，覆盖了赤道的三分之一，TAO直至21世纪仍是“全球海洋观测系统”的一个重要组成部分。1994 年，美国“百慕大试验站 锚泊系统”（BTM）实现了潜标数据远程无线传输，其潜标挂载的水下仪器通过感应耦合传输，利用一根单芯锚泊缆将数据传输到海面浮标，浮标通过 Argos 卫星将数据传送至岸站，也可在调查船靠近 BTM 浮标时通过无线电通信下载数据这种数据传输方式较TAO有明显的进步。
3、21世纪后：不断迭代
经过几十年的发展，国外的潜标技术已臻成熟，成为一种常规的调查手段。美国国家科学基金 会 2009 年启动 OOI（Ocean Observatories Initiative）观测网，其潜标准实时通讯方式有 2 种：一种是通过海底电缆传输；另一种是通过水下滑翔机中继传输。华盛顿大学研发了浮子式准实时潜标，主要应用于浅海观测。加拿大 ODIM Brooke Ocean 公司研制了SeaCycler升降式潜标系统，利用水下绞车控制卫星通信浮子的上下运动，在设定的通信时间将浮子释放浮至水面进行数据传输，在其它时间由水下绞车带动浮子下沉至海面以下。美国 WET Labs 公司研制的 Thetis 观测系统也采用类似的工作方式。日本 NGK OCEAN 公 司研制的海洋潜标观测系统具有锚系和座底2种状态，使用了流线形浮体及水下绞车技术，可以控制浮标上浮出水后通过卫星将数据传送到岸站。此外，美国InterOcean Systems 公司也开发了应用于潜标的水下绞车。
图4.加拿大ODIM Brooke Ocean 公司（a）、日本 NGK OCEAN 公司（b）和美国InterOcean Systems 公司（c）的潜标观测系统
中国潜标技术的发展
我国潜标研制工作于年代开始，比发达的海洋国家晚启动约20年。起步较晚，但发展迅速，开展潜标研制的单位主要有中国船舶七一〇所、国家 海洋技术中心、海洋局一所、中科院海洋所、山东省科学院海洋仪器仪表所和中国海洋大学等。
1、从无到有
1982年，国家海洋局立项研制千米测流潜标系统，解决了声学应答释放器、 系留系统的设计和计算、潜标系统的布放和回收等关键技术 ， 先后进行 了三次海上试验 ，布放六套潜标系统，安全回收了五 套 ，取得了6个月的实验数据 。系统在位连续工作最长时间105天 ，首次观测到连续15 天的南海某海域900m深处的海流数据，测得当地平均流速为15.6cm/s。
2、茁壮成长
1987年，国家海洋局海洋技术研究所承担了国家“ 七 · 五 ”科技攻关项 目76-05-04专题的研究任务，研究深海4km测流潜标关键技术，经过4年的努力 ，完成了深海应答释放器、深海海流计、雷达信标机及部分系留部件的研制。利用上述成果，我国又研制了200m水深以内的浅海潜标系统，并在南海珠江口西部海域与资料浮标同步观测，经受了恶劣天气环境的考验，系统 回 收 率100%！1988~2000年，国家海洋局海洋技术研究所在解决关键技术的基础上，研制了深海海洋潜标系统。科学家们始终秉持着一个信念，那便是“我国的潜标，不会逊色于外国！”
3、逐步完善
2002 年，中国船舶七一〇所研发了浮子式实时/准实时潜标观测系统。该潜标配有多台卫星通信浮子，通过释放浮子至海面进行实时卫星数据传输，一旦浮子信号传输发生故障，主控单元控制水下切割信号缆将失灵的浮标抛弃，再释放另外一个通信浮标，实现观测数据的接力传输。“十一五”期间，中国海洋大学与中国船舶七一〇所合作对该型实时/准实时潜标进行了优化，并在南海成功开展了海试。该潜标主浮体上架装多个弹射抛弃式卫星通信浮标，按设定时序定时释放至海面，通过卫星进行数据传输。2015 年起，中科院海洋所研发了浮子式实时/准实时潜标观测。系统并在西太平洋海域开展了规模化应用，于2019年实现了深海 6 000 m 实时数据传输。2016年我国新一代海洋综合科考船“科学”号进行了热带西太平洋综合考察。中国科学院海洋研究所和中国科学院声学研究所等单位的科学家在本航次成功对两套深海潜标进行实时传输改造，改变了以往潜标数据只能每年回收一次的情况，做到了通过深海观测数据实时回传获取前一个小时潜标观测数据的突破，破解了深海观测数据实时传输的世界难题。我国的潜标，首先做到了运筹深海之中！
图5.“科学”号上中国科考队员正进行深海潜标主浮球和ADCP的回收
从落后其他国家20年到解决世界难题，中国的科学家们付出了巨大努力，而现在我国的潜标更是广泛应用于各种状况下的海洋要素观测。而潜标在恶劣的天气与海况条件下的观测更是有着不可替代的地位。
三．潜标在我国的重要应用
①极端条件下的海况观测
根据自然资源部第一海洋研究所以及新思界网发布的新闻，2021年7月，自然资源部第一海洋研究所团队研发的准实时潜标系统，在成功抵御了12级台风的基础上实现了观测数据及时获取。相关分析人员表示：目前我国海洋潜标研制及应用实力已经达到国际先进水平。
图6.12级台风“圆规”行进路线与准实时潜标布放点
该准实时潜标系统于2021年7月17日布放在海南岛东部海域，布放站位恰好处于“圆规”台风登陆路线上。在台风经过期间，该潜标系统准实时回传台风影响下的海流数据。台风经过后，潜标工作正常，进一步验证了该准实时潜标系统的稳定性、可靠性和持续性。大洋环流及潮波动力学团队在可控成本的条件下，实现了准实时潜标观测，迈出了深远海海洋动力环境规模化准实时监测的重要一步，对提升海洋环境预报预警具有重要意义。
图7.准实时潜标回传温深传感器节点观测数据图
②南海探秘
“南海是开展海洋多尺度动力过程非线性相互作用和能量级联研究的理想天然试验场。过去，由于种种原因，南海长期连续观测资料匮乏，多尺度动力过程研究面临困难，进展缓慢，其相互耦合作用机制了解甚少。为扭转上述局面，中国海洋大学田纪伟、赵玮教授科研团队构建了国际上规模最大的区域潜标观测网——南海潜标观测网，支撑了南海多尺度动力过程及其相互作用的一些科学发现，从而深化了南海海洋动力学的认知水平。”中国科学院院士、中国科学院海洋研究所研究员胡敦欣教授对于南海在海洋科研领域的独特作用给予了充分肯定。
为解决国家对南海的长期连续观测数据的迫切需求，自2009年以来，中国海洋大学专家团队基于自主研发的系列深海潜标，在南海开展潜标布放回收航次20余次，总航时826天，组织开展潜标作业累计达12000余人天，累计布放各类潜标350套次，目前同时在位观测潜标42套，实现了南海海域多尺度动力过程长期连续观测；由于长期处于高盐、强流以及内波等极端动力过程等复杂海洋环境下，潜标观测的风险极高，潜标设计、研制、布放及回收等任何一个环节出现差错均有可能导致高价值的观测仪器设备及宝贵观测数据的丢失。国际上大范围开展潜标观测已有数十年的历史，虽然潜标相关技术水平已有显著的提升，但即使是美国、日本等海洋强国，其潜标回收成功率也仅有90%左右。基于多年海上作业经验，中国海洋大学专家团队总结出一套安全高效的规范化、标准化的潜标布放回收作业流程，布放自主研发的各类深海潜标350套次，回收成功率达到100%。在这一国际领先的作业成功率保障下，南海潜标观测网获取了系统完整的南海全海深动力环境长期连续观测数据。
南海潜标观测网自2009年运行以来，获取了大量南海温度、盐度及海流等多尺度动力过程长期连续观测数据，并分批次向国家海洋信息中心汇交，目前已汇交数据占信息中心南海潜标观测数据总比例超过80%，是信息中心海洋长期连续观测数据库的重要组成部分，支撑了海水温度、盐度、海流等关键海洋动力环境要素产品的制作，具有极其重要的科学及社会意义。
图8.南海潜标观测系统所用仪器设备海试现场
四．潜标系统的未来：智慧海洋
虽说潜标观测系统优点显著，应用广泛，而且在特殊领域无可替代。但是潜标系统的发展仍然面临着坎坷。一方面，潜标系统通常以自容方式存储观测数据，需在观测周期（一般为数月至数年）结束并对潜标实施回收后方能获取观测数据，信息时效性较差。另一方面，随着我国海洋强国及一带一路战略的实施，海洋科学研究、经济建设及国防安全等领域对实时海洋环境感知能力提出了迫切需求。因此，如何实现水下观测数据在各种条件下的实时传输成为一大难题。但不只是潜标面临这类问题，我国乃至世界在实现智慧海洋的道路上都面临着一大阻碍：海洋地理空间数据的实时获取。
若要解决这个问题，则先要实现透明海洋，吴立新院士在2013年提出了透明海洋的概念：构建海洋观测体系，支撑海洋的过程与机理研究，进一步预测未来海洋的变化，从而实现海洋状态“透明”，过程“透明”和变化“透明”。落实到潜标系统则需要针对实时、定点、长期海洋环境观测需求，以潜标技术为基础，开展水下观测数据实时传输技术研究，通过水下绞车、自升降通信浮标、水下滑翔机及波浪滑翔器等多种技术途径，研制水下实时观测系统，实现观测数据实时/准实时稳定可靠传输。如此便能实现潜标观测下的透明海洋乃至智慧海洋，并为海洋环境监测、预报及国防安全保障等提供技术支撑。
五．结语
中国的潜标观测系统做到了运筹深海之中，但能否做到决胜远洋之外的其他国家，还需要靠每一位“海之子”的不懈努力，请让我们拭目以待，展望中国在海上的崛起！