海洋探測技術(shù)（2）眺望海洋的顏色——基于運(yùn)動的探測

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無論是海面上起伏的波浪，還是每天循環(huán)漲落的潮汐，或是深海中長達(dá)數(shù)千千米的海流，都是在不同尺度空間范圍內(nèi)與海洋動力環(huán)境相關(guān)的特征，與人類的海洋運(yùn)輸、海洋工程、旅游業(yè)、漁業(yè)及水產(chǎn)養(yǎng)殖等活動，與地球生態(tài)系統(tǒng)、氣候系統(tǒng)等方面都有著密切關(guān)系。因此，采用合適的技術(shù)方案獲取海浪、潮汐、海流等海洋動力環(huán)境特征信息，根據(jù)海洋動力學(xué)相關(guān)知識對海浪、海流的變化作出分析和預(yù)測，對前述的海洋相關(guān)活動和長期氣象預(yù)報、氣候變化趨勢研究都有重要意義。

海浪是我們能直接看到的海洋運(yùn)動特征，要具體測量海浪的運(yùn)動參數(shù)，需要專業(yè)化的設(shè)備，比如雷達(dá)，雷達(dá)的英文全稱是 Radio Detection and Ranging， 即“ 無 線 電 探 測 和測距”，通過發(fā)射無線電信號并接收目標(biāo)物體反射回的信號，與雷達(dá)匹配的計算機(jī)程序就能對反射信號進(jìn)行分析，判斷目標(biāo)物體的狀態(tài)。用雷達(dá)快速觀測大面積范圍內(nèi)海洋動力環(huán)境特征的方法，就是將雷達(dá)安裝在衛(wèi)星上。這一類型的衛(wèi)星被稱為海洋動力環(huán)境衛(wèi)星。目前，中國的海洋動力環(huán)境衛(wèi)星主要包括海洋二號系列衛(wèi)星和中法海洋衛(wèi)星。

海洋二號系列衛(wèi)星的主要功能是監(jiān)測和調(diào)查海洋環(huán)境，探測包括海面風(fēng)場、浪高、海面高度等多種海洋動力環(huán)境參數(shù)在內(nèi)的數(shù)據(jù)，并及時發(fā)給地面站，為海洋防災(zāi)減災(zāi)、海洋權(quán)益維護(hù)、海洋資源開發(fā)、海洋環(huán)境保護(hù)、海洋科學(xué)研究等事業(yè)提供支持。海洋二號系列衛(wèi)星搭載的設(shè)備主要包括雷達(dá)高度計、微波散射計、校正輻射計等。

雷達(dá)高度計對地球表面發(fā)射微波信號，根據(jù)反射信號的狀態(tài)探測海面高度、有效波高和重力場參數(shù)。其 微 波 信 號 頻 率 選 擇 5.25GHz 和13.58GHz（見圖 1）。微波信號發(fā)出后，以光速傳播，在達(dá)到海面時被反射。雷達(dá)高度計接收到被反射的微波信號后，利用特定算法分析返回信號相對于發(fā)出信號的時間延遲、頻率變化等參數(shù)狀態(tài)，得以確認(rèn)衛(wèi)星與海面之間的距離。需要指出的是，雷達(dá)高度計在工作時并非單槍匹馬孤軍奮戰(zhàn)，還需要依靠校正輻射計提供的大氣濕對流層路徑延遲校正數(shù)據(jù)作為參考。

圖 1 海洋二號系列衛(wèi)星搭載雷達(dá)高度計的工作頻率范圍

在雷達(dá)高度計中，之所以采用5.25GHz 和 13.58GHz 的 微 波 頻 率進(jìn)行高度測量，是因為這兩個頻率的微波在大氣中的傳播損耗較小，能夠穿透云層，同時也具有較短的波長（1~10cm）。在不考慮大氣散射、大氣吸收等影響因素的情況下，雷達(dá)信號的波長越短，其探測的分辨率和精度就越高，能夠更準(zhǔn)確地識別和區(qū)分出被探測對象的細(xì)節(jié)。圖 2 形象地展示出這種差異：信號頻率較低的雷達(dá)（黃色）發(fā)出的信號在檢測到相互靠近的幾個目標(biāo)物體時，因為分辨率較低而將多個目標(biāo)物體識別為一個，但信號頻率較高的雷達(dá)（藍(lán)色）發(fā)出頻率更高、波長更短的信號以后，就能具備更高的分辨率，將相距較近的幾個目標(biāo)物體分別辨識出來。

圖 2 不同頻率雷達(dá)信號的分辨率差異，黃色雷達(dá)發(fā)出的信號頻率低而波長較長，藍(lán)色雷達(dá)發(fā)出的信號頻率高而波長較短

采用前述微波頻率的情況下，對于星下點(diǎn)（地球中心與衛(wèi)星的連線在地球表面上的交點(diǎn)，也就是衛(wèi)星正下方的地點(diǎn)），海洋二號系列衛(wèi)星搭載雷達(dá)高度計的測距精度可達(dá)到±2cm。也就是說，衛(wèi)星探測區(qū)域海面相對于標(biāo)準(zhǔn)海平面的高度和海浪的高度，都可以采用雷達(dá)高度計精確地探測。采用海洋二號系列衛(wèi)星搭載雷達(dá)高度計測量，可以得到海面高度和海浪高度，雷達(dá)高度計的掃描寬度較小，基本上是以衛(wèi)星繞地飛行曲線為中心線的一條窄帶。對于海面高度的探測而言，這樣窄的觀測寬度并沒有太大影響，因為海水不會出現(xiàn)在未觀測到的小范圍內(nèi)局部很高或很低的情況（不考慮波浪的波峰波谷）。但是，對于海面波浪高度來說，有較大面積空白區(qū)域的情況就可能導(dǎo)致局部區(qū)域的波浪具體特征沒有得到關(guān)注。在這樣的情況下，需要用地球上的波浪雷達(dá)進(jìn)行局部海區(qū)波浪特征的補(bǔ)充探測。

海洋二號衛(wèi)星還搭載有微波散射計。這種儀器的工作原理是：海風(fēng)刮起波浪后，相對于無風(fēng)時光滑如鏡的狀態(tài)，海面會變得更粗糙。強(qiáng)弱不同的風(fēng)能夠?qū)е虏煌笮〉暮＠?，也就會造成海面粗糙度的不同。通過前述的關(guān)聯(lián)，微波散射計探測出不同粗糙度的海面對微波的后向散射狀況，也就能測算出海面風(fēng)場的特征。和雷達(dá)高度計類似，微波散射計也會向海面發(fā)射特定頻率（13.256GHz）的微波信號。根據(jù)散射微波信號與風(fēng)速、風(fēng)向之間的關(guān)系，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，就能實現(xiàn)對海面風(fēng)場狀態(tài)的解析。微波散射計探測的掃描范圍要寬一些，在衛(wèi)星圍繞地球飛行時間相同的狀態(tài)下，微波散射計可以探測更大面積的海域。

除了上述直接從衛(wèi)星上對海洋進(jìn)行觀測的儀器，在海洋二號系列衛(wèi)星上，還搭載有海洋數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)。當(dāng)衛(wèi)星從預(yù)先投放在待探測海域，安裝有對空信號天線的海面浮標(biāo)上空飛過時，就能通過 401.65MHz 頻率的特高頻波段通信接收到浮標(biāo)采集的海洋探測數(shù)據(jù)，將接收到的數(shù)據(jù)暫時保存在衛(wèi)星內(nèi)置的存儲器中。當(dāng)衛(wèi)星飛到地面站通信傳輸距離范圍內(nèi)時，再將保存的數(shù)據(jù)發(fā)送給地面站。在這個過程中，海洋二號衛(wèi)星發(fā)揮了海洋探測數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站的作用。

中法海洋衛(wèi)星是由中國和法國聯(lián)合研制，在 2018 年 10 月下旬發(fā)射的海洋動力環(huán)境衛(wèi)星。這顆衛(wèi)星主要用于獲取全球海面波浪譜、海面風(fēng)場、南北極海冰信息，改善對颶風(fēng)等海洋氣象災(zāi)害預(yù)報的精度與時效；同時獲取用于全球氣候變化研究的極地冰蓋數(shù)據(jù)，為確認(rèn)第 21 屆聯(lián)合國全球氣候變化大會上簽訂的《巴黎協(xié)定》的落實提供支持。

中法海洋衛(wèi)星上搭載的旋轉(zhuǎn)掃描扇形波束散射計由中國研制，海浪波譜儀、信息傳輸射頻組件由法國提供。這顆衛(wèi)星在國際上首次實現(xiàn)了海洋表面風(fēng)浪的大面積、高精度同步聯(lián)合觀測。

旋轉(zhuǎn)掃描扇形波束散射計是國際上首次采用扇形波束掃描方式測量海洋風(fēng)場的微波散射計，其工作頻率也是 13.256GHz。這種新型微波散射計綜合了原有固定扇形波束散射計和筆形波束圓錐掃描散射計的特點(diǎn)，通過扇形波束圓錐掃描實現(xiàn)對地面目標(biāo)的多入射角和多方位角觀測。該設(shè)備投入使用時，實現(xiàn)了當(dāng)時世界上最高分辨率的全球海面后向散射和海面風(fēng)場測量，連續(xù)觀測的原始分辨率可達(dá)10.5km。作為對比，此前其他海洋衛(wèi)星搭載的微波散射計觀測海面風(fēng)場的典型分辨率是 25~50km。

海浪波譜儀則是在國際上首次以6 波束真實孔徑雷達(dá)模式連續(xù)測量全球海面波浪譜。海浪波譜儀是一種新型的海浪信息探測雷達(dá)，以真實孔徑雷達(dá)為基本模塊，配置 6 套圓錐掃描波束。其星下點(diǎn)波束能夠發(fā)揮相當(dāng)于雷達(dá)高度計的工作機(jī)能，側(cè)視旋轉(zhuǎn)波束則與相應(yīng)的工作模式和功能模塊匹配，基于小入射角下準(zhǔn)鏡面散射機(jī)理，通過探測海面后向散射系數(shù)，測算海浪的波浪譜、波長、波向、有效波高等海浪參數(shù)。采用海浪波譜儀，可在全球范圍內(nèi)大面積、長時間序列探測海浪方向譜、風(fēng)速和波高信息。

21 世紀(jì) 20 年代初，中國已經(jīng)發(fā)射了多顆海洋一號系列衛(wèi)星和海洋二號系列衛(wèi)星，組成了有效的全球海洋衛(wèi)星觀測網(wǎng)絡(luò)。接下來，中國還將繼續(xù)研發(fā)新一代海洋水色衛(wèi)星、新一代海洋動力環(huán)境衛(wèi)星，構(gòu)建更加完善、成熟的海洋衛(wèi)星綜合觀測體系。

探測海洋動力環(huán)境特征的途徑，除了能在短時間內(nèi)縱覽全球海洋概況的衛(wèi)星，還有多種探測方案。

在前文提到的波浪雷達(dá)，就是一種用于探測海洋波浪和水位的雷達(dá)。波浪雷達(dá)通常安裝在海岸附近，通過向海面發(fā)射信號并接收反射回來的信號，探測波浪的特征信息。在惡劣的環(huán)境下，無須用實體部件接觸或浸

入海面，就能實現(xiàn)對波浪特征的高精度探測，是波浪雷達(dá)的主要優(yōu)勢。例如，型號為 WG5 的波浪和水位探測雷達(dá)采用頻率 10GHz 的調(diào)頻連續(xù)波形（FMCW）對海面進(jìn)行探測，能夠以 ±1cm 的精度探測水位高度，以±3cm 的精度探測 0~60m 的不同高度波浪，并且對 100s 內(nèi)的波浪周期實現(xiàn)精度 ±50ms 的測量。

實用的波浪雷達(dá)通常由信號發(fā)生模塊、功率放大模塊、低噪聲放大模塊、混頻及濾波模塊、信號處理模塊及發(fā)射天線、接收天線等部件組成，如圖 3 所示。波浪雷達(dá)的基本工作原理如下：信號發(fā)生模塊和功率放大模塊組成的發(fā)射組件按雷達(dá)運(yùn)行模式要求，產(chǎn)生指定頻率和帶寬的微波信號，通過發(fā)射天線發(fā)出。接收天線收到被海面反射回來的微波信號后，經(jīng)過混頻、濾波等一系列信號處理過程，從中提取出能夠反映海面波浪特征的輸出數(shù)據(jù)。

圖 3 波浪雷達(dá)組成結(jié)構(gòu)

根據(jù)雷達(dá)運(yùn)行模式的不同，可以分為脈沖信號模式雷達(dá)和連續(xù)信號模式雷達(dá)。為了實現(xiàn)較高的探測精度和分辨率，波浪雷達(dá)通常采用連續(xù)信號模式雷達(dá)，典型方案如前文提到的 FMCW 模式。這種雷達(dá)發(fā)出的調(diào)頻波形是頻率隨時間線性周期重復(fù)變化的信號，以 10GHz為中心頻率的情況下，在前半個頻率變化周期內(nèi)從10GHz線性升高到（10-x）GHz，后半個頻率變化周期內(nèi)再線性降低到（10-x）GHz，如此重復(fù)。采用這種信號模式的微波雷達(dá)具備較好的波浪動力學(xué)特征測量性能，具有信號處理復(fù)雜度低、成本低廉、技術(shù)成熟的優(yōu)點(diǎn)。

以探測波浪高度的應(yīng)用場景為例，如圖 4 所示，由 FMCW 模式波浪雷達(dá)的發(fā)射天線發(fā)射出頻率周期性呈三角形重復(fù)變化的調(diào)頻連續(xù)波信號。為簡化分析，假設(shè)波浪雷達(dá)安裝在海岸邊上較高的地方，其發(fā)射天線和接收天線都朝向正下方。在這樣的情況下，距離發(fā)射天線較近的目標(biāo)物體（較高波浪的頂端）會在更短的時間內(nèi)反射信號，較遠(yuǎn)的目標(biāo)物體（較低波浪的頂端）會在更長的時間內(nèi)反射信號，測量出調(diào)頻波形中原始發(fā)射信號與反射信號在特定時刻頻率點(diǎn)的差值，就能夠算出不同波浪頂端與雷達(dá)之間的距離，也就能知道不同波浪的高度。實際應(yīng)用中，由于發(fā)射信號的頻率隨時間變化的函數(shù)關(guān)系已知，也可以采用對比某一時刻原始信號與反射信號頻率差值的方式來間接推算到被探測物體的距離。

圖 4 FMCW 模式雷達(dá)探測不同高度波浪的原理

此外，將 FMCW 模式波浪雷達(dá)的發(fā)射天線、接收天線與海面保持一定傾斜角度安裝時，也可以用于探測波浪運(yùn)動的方向。這個探測過程需要用到多普勒原理：如果被測量物體（波浪）正在朝向雷達(dá)運(yùn)動，反射信號頻率將會高于發(fā)射信號頻率；反之，如果被測量物體正在遠(yuǎn)離雷達(dá)運(yùn)動，反射信號頻率將會低于發(fā)射信號頻率。無論反射信號相對于原始信號是增加頻移，還是減少頻移，都在圖 5 中有所展示。為簡化分析，圖 5 中假設(shè)被探測到的 3 種不同運(yùn)動方向的目標(biāo)物體（波浪）與雷達(dá)之間的距離都相同，因此它們在同一時刻反射回信號。但是，正在靠近雷達(dá)的波浪因多普勒原理而反射回頻率更高的信號，其反射信號的頻率變化波形相對原始發(fā)射信號出現(xiàn)了整體向上抬高的狀態(tài)；正在遠(yuǎn)離雷達(dá)的波浪因多普勒原理而反射回頻率更低的信號，其反射信號的頻率變化波形相對原始發(fā)射信號出現(xiàn)了整體向下降低的狀態(tài)。測量出調(diào)頻波形中原始發(fā)射信號與反射信號在特定時刻頻率點(diǎn)的差值，就能夠算出不同波浪與雷達(dá)之間的相對運(yùn)動方向。實際應(yīng)用中，通常將波浪雷達(dá)的發(fā)射天線、接收天線與海面呈一定傾斜角安裝，以便兼顧海面高度、海浪高度、海浪方向等多種海洋動力學(xué)特征的探測。

圖 5 FMCW 模式雷達(dá)探測不同運(yùn)動方向波浪的原理

回顧以上介紹的海洋動力環(huán)境衛(wèi)星和波浪雷達(dá)，采用當(dāng)代無線電技術(shù)和信號處理技術(shù)對海浪、潮汐等海洋動力環(huán)境特征信息進(jìn)行探測的精確性和適用性不言而喻。此外，還有哪些技術(shù)途徑可以對海洋環(huán)境特征進(jìn)行高效準(zhǔn)確的探測呢？這個問題的答案將在本系列下一篇文章中揭曉。