揭秘一堂海上光仪课！|传感器|光学|原理|李剑平|海上光仪课

2026年7月23日清晨七点半，深圳先进院门口，一群研究生正在往一辆大巴上搬运器材箱。

箱子里装着的，是过去两周内，他们从零开始设计并装调完成的两台光学仪器原理装置。有的零件由3D打印制成，表面还保留着FDM工艺的层纹纹理；零件组成的光路、电路与机械结构，则是在有限时间内做出的工程取舍的结果。

没有人称它们是“成熟”的仪器。就在出发前一晚，他们仍在不断调试，直至深夜。但它们毕竟能够工作了。

“足够了。”首席教授李剑平说，“剩下的问题，海会告诉你们。”

为什么是海洋仪器？

《仪器光学》是中国科学院深圳先进技术研究院为博士生开设的高阶核心课程。课程内容涵盖三大模块：

光纤光学：光在波导中的传输机理与传感应用；

显微光学：如何利用光看清微观世界；

涉水光学：水体光学特性、衰减补偿与水下观测的特殊约束。

三大模块各有其相对独立的理论体系和核心技术难点。在每个模块中，主讲教师在理论知识讲解之外，都安排了相应的实操环节：刘奂奂博士在光纤光学模块中，带领学生完成了光纤熔接与信号解调的实验室实操；李慧博士在显微光学模块中，指导学生进行了双光子显微光路调试与成像质量评估的动手训练。

课程教师授课（滑动查看更多）

然而在李剑平看来，分模块的实操虽然必要，但依然不足以让学生建立起“整机”层面的系统认知。

“一台完整的海洋光学仪器，天然地要求这三部分知识的协同运作，”李剑平解释道，“光纤可以实现光信号的传输与探测，显微光学决定成像分辨率和视场设计，水下光学则提供了真实介质中的边界条件。学生亲手完成这样一台装置，才能真正理解：之前学过的每一个模块，都是这台系统中不可替代的一块拼图。”

因此，他将海洋仪器的设计与实操放在课程的收官阶段——不是为了制造一台先进的设备，而是为了创造一次知识的综合演练。

跨专业协作：工程问题的天然解法

参与本次实践的六位博士生，专业背景各不相同：有的来自生物材料方向，熟悉样本制备与生物光学窗口；有的来自医学图像分析方向，专攻算法、信噪比建模与特征提取；还有的来自光电技术方向，擅长光源选型、探测器匹配与电路设计。李剑平将他们打乱重组为两个小组，每组三人，恰好各覆盖一个方向。

“一个人难以精通所有环节，”他在分组时说，“但三个人加在一起，应该能覆盖一台光学仪器所需的核心知识。你们的任务不是各自为战，而是学会在不同知识体系之间建立接口，把各自的零件拼成一个能运转的整体。”

在后续两周的集中开发中，两组学生经历了相关知识的快速恶补、多轮方案讨论、技术妥协与资源协调。有人负责光学设计与3D打印零件，有人负责电路搭建与控制程序编写，有人负责系统集成与调试。到第一周结束时，两组之间已经开始互相借用器材、协助排查故障——因为任一组的进度滞后，都会影响全班的出海日程。

学生出发前调试仪器

“帮他们把光路调通，我们的数据才能按时拿到。”一位学生事后回忆，“这不算无私，这是项目制下的理性选择。”

这种基于真实工程约束形成的协作模式，本身就是课程设计的一部分——团队沟通、分工协调、利益分配，这些在教科书上难以传授的能力，在两周的“极限交付”过程中自然生长了出来。

出海：从实验室到真实海域

大巴沿大鹏半岛的沿海公路行驶一个半小时后，抵达南澳月亮湾码头。师生们将器材搬上小艇，航行约五分钟，一座蓝白相间的海上浮排出现在视野中。

这里是位于大鹏南澳畲吓湾的海上实验平台，电力与网络配套齐全，已安装多套专业海洋观测设备。对师生们而言，它提供了一个不可替代的条件——真实的海域环境。

师生装卸器材前往畲吓湾实验浮排

12:30-13:30｜样本采集

采水器沉入海中，提取表层海水样本，分装至透明样品瓶中。这是经典的海洋采样流程，也是后续光学观测的对照基准。

学生采水

13:30-16:00｜系统实操

两台原型机被架设在浮排上用折叠桌临时搭建的“工作台”上。连线、通电、系统自检。镜头对准样品瓶，逐项调节照明强度、焦距与曝光参数。

显示屏上逐渐浮现出图像：微小的浮游生物在视野中缓慢移动，纤毛与附肢的边缘虽不够锐利，但已可辨识。

随后的两个半小时内，两组学生交替进行参数扫描、样本更换与数据记录。实际操作中暴露出的问题，远比实验室预想的更为多样——海面反射光引发的杂散光干扰、低对比度目标的识别阈值漂移、原型机在浮台起伏条件下的振动对成像稳定性的影响……

学生观测到的浮游生物

每一项“意外”，都对应着一个需要在理论框架内重新审视的工程问题。而这些问题的根源，恰恰指向了此前三个模块中那些曾被抽象化处理的真实边界条件。

浮排上的课堂：从一台仪器到全球海洋观测

16:00-17:00｜现场授课

下午四点，李剑平在遮阳棚下架起大屏幕，开始一堂时长一小时的专题授课。

屏幕亮起，标题浮现：《海洋生物地球化学要素的自主观测技术》。

他从一个宏大的背景切入——全球海洋正在经历深刻变化：升温、酸化、脱氧、营养盐格局改变……这些变化正在重塑海洋生态系统的结构与功能，而人类对其时空演变规律的认知仍极为有限。

他接着介绍了联合国“海洋科学促进可持续发展十年”计划（简称“联合国海洋十年”），以及全球主要海洋观测计划的布局：美国OOI、欧洲EMSO、加拿大Neptune、日本ARENA……这些大规模海底观测网的建成，标志着人类对海洋的认知正在从“走航调查”迈向“长期原位监测”的新范式。

随后，他将话题聚焦到一个具体的观测系统上——全球Argo浮标计划。两万多个自动剖面浮标遍布全球大洋，每十天完成一次从海面到两千米深度的垂直剖面测量，构成了人类历史上最大的海洋实时观测网络。而近年来兴起的BGC-Argo，则在传统温盐深传感器的基础上，加装了溶解氧、pH、硝酸盐、叶绿素荧光、辐照度等生物地球化学传感器，使浮标具备了“感知海洋生命”的能力。

“但问题在于，”李剑平话锋一转，“目前BGC-Argo搭载的生物地球化学传感器，绝大多数仍依赖进口。核心器件的小型化、低功耗、长期稳定性，依然是全球范围内的技术难题。”

他列举了一系列关键传感器类型及其技术瓶颈：溶解氧传感器、pH电极、硝酸盐光学传感器、叶绿素荧光计、颗粒物光学计数器……每一种传感器背后，都涉及材料科学、微电子技术、信号处理等多个学科的深度交叉。

“这正是各位所学的知识可以发挥作用的地方。”他说。

随后，他还介绍了中国科学院在此领域的系统性布局。他特别提到，中国科学院广州能源研究所研发的深远海漂浮式波浪发电平台，正在为解决全球海洋观测平台的长期供电难题提供新的技术路径。这类平台可利用波浪能实现长期自供电，为搭载各类生物地球化学传感器提供稳定可靠的海上平台支撑，有望成为未来全球海洋观测网络的重要组成部分。此外，从深海所的深渊观测技术，到南海所的深海原位实验室，从声学所的南海监测网建设，到沈自所的水下机器人平台，再到深圳先进院在海洋光学仪器与智能感知方向的特色积累——中国科学院已经形成了一条覆盖“传感器研发—平台集成—海上试验—数据应用”的创新链条。

“海洋观测技术的突破，不是哪一个学科能单独完成的。”李剑平环顾在座的学生们，“你们中间有做材料的、有做算法的、有做光电的——每一双眼睛看到的都是同一个问题的不同侧面。我希望这门课能让你们意识到：投身海洋科学的技术创新，不需要你们都变成海洋学家。你们只需要把自己擅长的那个侧面做好，然后学会和其他侧面的人对接。”