海洋探測技術（2）眺望海洋的顏色——基于運動的探測

60 多年過去了，盡管輝光管已經停產，有很多工程師仍然對它情有獨鐘。我用 8 塊液晶顯示屏制作了一個擬輝光管時鐘，感受復古元素的美感，表達對過去經典的敬意。

無論是海面上起伏的波浪，還是每天循環(huán)漲落的潮汐，或是深海中長達數(shù)千千米的海流，都是在不同尺度空間范圍內與海洋動力環(huán)境相關的特征，與人類的海洋運輸、海洋工程、旅游業(yè)、漁業(yè)及水產養(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系。因此，采用合適的技術方案獲取海浪、潮汐、海流等海洋動力環(huán)境特征信息，根據(jù)海洋動力學相關知識對海浪、海流的變化作出分析和預測，對前述的海洋相關活動和長期氣象預報、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動特征，要具體測量海浪的運動參數(shù)，需要專業(yè)化的設備，比如雷達，雷達的英文全稱是 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物體反射回的信號，與雷達匹配的計算機程序就能對反射信號進行分析，判斷目標物體的狀態(tài)。用雷達快速觀測大面積范圍內海洋動力環(huán)境特征的方法，就是將雷達安裝在衛(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)測和調查海洋環(huán)境，探測包括海面風場、浪高、海面高度等多種海洋動力環(huán)境參數(shù)在內的數(shù)據(jù)，并及時發(fā)給地面站，為海洋防災減災、海洋權益維護、海洋資源開發(fā)、海洋環(huán)境保護、海洋科學研究等事業(yè)提供支持。海洋二號系列衛(wèi)星搭載的設備主要包括雷達高度計、微波散射計、校正輻射計等。

雷達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，在達到海面時被反射。雷達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)，得以確認衛(wèi)星與海面之間的距離。需要指出的是，雷達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)星搭載雷達高度計的工作頻率范圍

在雷達高度計中，之所以采用5.25GHz 和 13.58GHz 的 微 波 頻 率進行高度測量，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，雷達信號的波長越短，其探測的分辨率和精度就越高，能夠更準確地識別和區(qū)分出被探測對象的細節(jié)。圖 2 形象地展示出這種差異：信號頻率較低的雷達（黃色）發(fā)出的信號在檢測到相互靠近的幾個目標物體時，因為分辨率較低而將多個目標物體識別為一個，但信號頻率較高的雷達（藍色）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物體分別辨識出來。

圖 2 不同頻率雷達信號的分辨率差異，黃色雷達發(fā)出的信號頻率低而波長較長，藍色雷達發(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（地球中心與衛(wèi)星的連線在地球表面上的交點，也就是衛(wèi)星正下方的地點），海洋二號系列衛(wèi)星搭載雷達高度計的測距精度可達到±2cm。也就是說，衛(wèi)星探測區(qū)域海面相對于標準海平面的高度和海浪的高度，都可以采用雷達高度計精確地探測。采用海洋二號系列衛(wèi)星搭載雷達高度計測量，可以得到海面高度和海浪高度，雷達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)域的情況就可能導致局部區(qū)域的波浪具體特征沒有得到關注。在這樣的情況下，需要用地球上的波浪雷達進行局部海區(qū)波浪特征的補充探測。

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：海風刮起波浪后，相對于無風時光滑如鏡的狀態(tài)，海面會變得更粗糙。強弱不同的風能夠導致不同大小的海浪，也就會造成海面粗糙度的不同。通過前述的關聯(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場的特征。和雷達高度計類似，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)散射微波信號與風速、風向之間的關系，經過數(shù)據(jù)處理后，就能實現(xiàn)對海面風場狀態(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)。當衛(wèi)星從預先投放在待探測海域，安裝有對空信號天線的海面浮標上空飛過時，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)星內置的存儲器中。當衛(wèi)星飛到地面站通信傳輸距離范圍內時，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、海面風場、南北極海冰信息，改善對颶風等海洋氣象災害預報的精度與時效；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)了海洋表面風浪的大面積、高精度同步聯(lián)合觀測。

旋轉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，通過扇形波束圓錐掃描實現(xiàn)對地面目標的多入射角和多方位角觀測。該設備投入使用時，實現(xiàn)了當時世界上最高分辨率的全球海面后向散射和海面風場測量，連續(xù)觀測的原始分辨率可達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，以真實孔徑雷達為基本模塊，配置 6 套圓錐掃描波束。其星下點波束能夠發(fā)揮相當于雷達高度計的工作機能，側視旋轉波束則與相應的工作模式和功能模塊匹配，基于小入射角下準鏡面散射機理，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，可在全球范圍內大面積、長時間序列探測海浪方向譜、風速和波高信息。

21 世紀 20 年代初，中國已經發(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)星觀測網絡。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，就是一種用于探測海洋波浪和水位的雷達。波浪雷達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，是波浪雷達的主要優(yōu)勢。例如，型號為 WG5 的波浪和水位探測雷達采用頻率 10GHz 的調頻連續(xù)波形（FMCW）對海面進行探測，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 內的波浪周期實現(xiàn)精度 ±50ms 的測量。

實用的波浪雷達通常由信號發(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)射組件按雷達運行模式要求，產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 波浪雷達組成結構

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

以探測波浪高度的應用場景為例，如圖 4 所示，由 FMCW 模式波浪雷達的發(fā)射天線發(fā)射出頻率周期性呈三角形重復變化的調頻連續(xù)波信號。為簡化分析，假設波浪雷達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)射天線較近的目標物體（較高波浪的頂端）會在更短的時間內反射信號，較遠的目標物體（較低波浪的頂端）會在更長的時間內反射信號，測量出調頻波形中原始發(fā)射信號與反射信號在特定時刻頻率點的差值，就能夠算出不同波浪頂端與雷達之間的距離，也就能知道不同波浪的高度。實際應用中，由于發(fā)射信號的頻率隨時間變化的函數(shù)關系已知，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 模式雷達探測不同高度波浪的原理

此外，將 FMCW 模式波浪雷達的發(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）正在朝向雷達運動，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離雷達運動，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 中假設被探測到的 3 種不同運動方向的目標物體（波浪）與雷達之間的距離都相同，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)；正在遠離雷達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)。測量出調頻波形中原始發(fā)射信號與反射信號在特定時刻頻率點的差值，就能夠算出不同波浪與雷達之間的相對運動方向。實際應用中，通常將波浪雷達的發(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特征的探測。

圖 5 FMCW 模式雷達探測不同運動方向波浪的原理

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