海洋探測技術（1）眺望海洋的顏色——基于光學的探測

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。

2023年年底，具備世界先進技術水平的國產大洋鉆探船“夢想”號在廣東珠江口成功試航。這艘由中國自主研發設計、自主建造的大洋鉆探船將在2024年完全建成并投入應用。“夢想”號的成功，意味著中國在運用前沿科學技術探索海洋、了解海洋、開發海洋的進程中再次向前邁出了意義重大的一步。

海洋占據了地球約70%的表面積，不僅蘊含著無數的礦藏資源，而且為地球自然生態環境提供了至關重要的支持。充分探索和了解海洋，實現海洋資源可持續有效開發，在中華民族實現偉大復興、中國成為世界強國的進程中，有著重大的意義。那么，在探索和了解海洋的時候，科學家們會采用什么樣的技術方案和途徑實現海洋探測呢？本系列文章將會向讀者介紹當代海洋探測技術的概況。

很多人都有過到海邊旅游的經歷，并對蔚藍色的海洋留下了深刻印象。在科學上，對海面的顏色進行觀測分析，是進一步實現海洋環境監測與預報的重要基礎?？紤]到海洋面積的廣闊，這類觀測需要從很高的位置俯瞰，才能實現大范圍的全局性觀測，例如，從圍繞地球飛行的人造衛星上進行觀測。

中國的海洋一號系列衛星就是用于觀測海洋水體顏色的海洋水色衛星。目前正在運行中的海洋一號 C 星、海洋一號 D 星搭載的設備主要有海洋水色水溫掃描儀、海岸帶成像儀、紫外成像儀、定標光譜儀等。這兩枚衛星能夠在渤海、黃海、東海、南海和日本海等靠近中國的太平洋西北區域實現實時傳輸觀測數據，并將除此之外其他海域的觀測數據保存后延時傳輸。2023 年 11 月 16 日，中國的新一代海洋水色觀測衛星（見圖 1）在酒泉成功發射，這枚衛星在軌道上運行時，能夠和海洋一號 C 星、海洋一號 D 星組網運行，配置有性能更先進的海洋水色水溫掃描儀、中分辨率可編程成像光譜儀、海岸帶成像儀等設備，可以大幅提升我國對全球海洋水色等環境要素的觀測能力。綜合應用這些設備，海洋水色衛星能夠在可見光譜到紅外光譜的范圍內，對海水光學特性、葉綠素濃度、懸浮泥沙含量、溶解有機質、海表溫度等各種海洋要素進行觀測。接下來，就以海洋一號C 星、D 星搭載的觀測儀器為例，對海洋水色衛星的觀測設備功能和特性作簡單介紹。

圖 1 新一代海洋水色觀測衛星

海洋水色水溫掃描儀是海洋一號系列衛星搭載的主要儀器之一。這種掃描儀具有不小于 2900km 的觀測幅寬，搭載它的衛星在預定軌道上運行 1 天，就能得到覆蓋全球陸地和海洋的完整圖像。水色水溫掃描儀對海面的觀測分辨率最高可達到 1.1km。當衛星從被觀測海面上空飛過時，為了保證觀測效率，需要根據海洋水色的特征選擇特定的幾個較窄的光譜波段進行觀測。水色水溫掃描儀觀測光譜波段的大致范圍（見圖 2）既包括了我們熟悉的可見光譜，也包括了人眼不可見，但能有效反映海面溫度狀態的紅外線光譜。這兩枚衛星搭載的水色水溫掃描儀可以對表 1 中列出的10 個不同波段進行海洋水色要素（如葉綠素濃度、懸浮泥沙濃度和溶解有機質等）和海面溫度場觀測。長時間連續獲取的我國近海及全球水色水溫數據，能夠用于研究海洋環境初級生產力分布、海洋漁業和養殖業資源狀況和環境質量等，為海洋生物資源的合理開發與利用提供判斷依據，也能夠為全球氣候變化研究、海洋在全球CO2 循環中的作用等綜合性科研項目，提供反映各大洋水色水溫變化規律的寶貴資料。例如，由國家衛星海洋應用中心發布的海洋中葉綠素濃度全球分布就來自海洋一號 C 星探測到的海洋水色數據。根據海洋中葉綠素的分布情況，科研人員就能夠對海洋中 CO2 被光合作用轉化為O2的狀態作出預測。類似地，通過海洋一號 C星探測到的海洋表面溫度數據生成的全球海表溫度專題，科研人員可以對海流變化趨勢、全球氣候變化受到的相應影響等情況作出分析。

圖 2 水色水溫掃描儀觀測光譜波段的大致范圍

擁有如此強大功能的海洋水色水溫掃描儀，基本原理和我們日常所用的圖文掃描儀是相似的，但在具體技術方案上有著很大的差異。整體而言，海洋水色水溫掃描儀包括機電式掃描器（由掃描鏡及其伺服電機組成）、光學系統、制冷機、角動量補償飛輪等機電、光學部件，還有探測器、放大器、信息處理器及控制電路等電子部件（見圖 3）。

圖 3 海洋水色水溫掃描儀原理，為簡化表示，其中的主光學系統和后光學系統未繪出

海洋水色水溫掃描儀的掃描對象在地球上，其掃描工作則是在衛星圍繞地球飛行的軌道上進行。當海洋一號衛星按預定軌道和方位圍繞地球飛行時，海洋水色水溫掃描儀的掃描口對準衛星下方，也就是地球表面。以衛星飛行方向為縱向，水平垂直于衛星飛行方向為橫向，海洋水色水溫掃描儀中有一塊周期轉動、轉軸與鏡面成 45°角的掃描鏡，將下方的光線信息橫向掃描到掃描儀的光學系統中。當掃描鏡轉速與衛星的飛行速度匹配時，海洋水色水溫掃描儀每秒沿飛行方向掃描過的距離與衛星下方相對于地球表面飛過的距離正好一致，就實現了對地球表面的連續掃描。

上述過程和我們日常使用的文件掃描儀有些類似：將需要掃描的紙張放在掃描儀的玻璃板上，裝有掃描傳感器的掃描桿在玻璃板下方縱向運動時，再橫向獲取掃描數據，然后將數據依序排列形成掃描圖像。當然，考慮到海洋一號系列衛星是在距離地面數百千米的高空飛行，其掃描成像的光學系統遠比放置在辦公桌上的掃描儀要復雜。海洋水色水溫掃描儀的光學系統由主光學系統、像消旋系統和后光學系統組成。主光學系統由 2 塊反射鏡組成，用于匯聚 45°旋轉掃描鏡反射的光線。在主光學系統與后光學系統之間，是由 3 塊反射鏡排列成“K”字形的像消旋系統，用于消除 45°旋轉掃描鏡產生的圖像旋轉效應。后光學系統包括分色片、會聚透鏡和通道濾光片。經過像消旋系統處理后的光線被第 1 分色片分為兩部分：紅外線和可見光，紅外線被反射，可見光從第 1 分色片中透射。紅外光（2 個波段）由紅外透鏡系統將其聚焦至 9~10 波段探測器上。從第 1 分色片中透射出的可見光被第 2 分色片分成兩個部分，其中一部分（1~5 波段）被反射，另一部分（6~8 波段）透射。這兩部分可見光波段分別由各自的透鏡系統匯聚到各自波段的探測器上。探測光譜的細分波段由設置在各探測器前的通道濾光片實現。

各波段探測器接收到可見光或紅外線信號后，將其轉換為模擬信號，輸出到各波段的前置放大器實現放大。

然后，再經過 AD 轉換電路轉換為數字信號，存入掃描信息存儲器。在掃描鏡附近安裝有一個經過地面紅外輻射定標的參考黑體，其溫度由精密鉑電阻進行測量，測量所得的溫度數據和衛星上的黑體校正信號數據同時插入圖像信息數據中，供 2 個熱紅外通道實現飛行中輻射校正。在計算機的控制下，將參考黑體溫度、參考黑體校正信號、紅外探測器工作溫度等與圖像輻射校正有關的信息同步輸入狀態信息存儲器，再與掃描信息存儲器中的圖像信息結合后進行格式編排，得到符合要求的信息格式，最后傳送給海洋水色水溫掃描儀的數據輸出端口。在將這些信息發送給地面接收站之前，進行可見及紅外探測通道的輻射響應標定，附上定標系數。這樣，海洋水色水溫掃描儀不僅輸出了 10 個探測波段的地球掃描圖像，還能定量給出各探測波段的輻射強度。

除了以上介紹的海洋水色水溫掃描儀，海洋一號系列衛星還搭載有海岸帶成像儀、紫外成像儀、定標光譜儀等儀器。這些儀器的工作原理與掃描儀相似，只是因為觀測波段不同而采用了不同的具體技術方案，在此就只做簡要介紹。

海岸帶成像儀具有不小于 950km的觀測幅寬，對地球表面的觀測分辨率最高可達到 0.05km。這樣高的分辨率能夠將黃河、長江入海口這類海陸交互作用區域的細節展現出來，實現海岸帶監測。海岸帶成像儀的觀測波段范圍見表 2，結合前文介紹的可見光譜波段，可知海岸帶成像儀的觀測波段大部分都在可見光譜范圍內。根據海岸帶成像儀獲得的遙感數據，科研人員能夠分析掌握河口港灣的懸浮泥沙分布規律，對海冰、赤潮、綠潮、污染物（如海面漂浮油污）等海洋環境事件進行實時監測。

紫外成像儀具有不小于2900km 的 觀 測 幅 寬， 與 水 色 水溫掃描儀的觀測幅寬相同。其對地球表面的觀測分辨率最高可達到0.55km。紫外成像儀能夠探測 2 個紫外光譜波段（見表 3），其觀測數據主要用于對海洋水色水溫掃描儀、海岸帶成像儀的觀測數據進行輔助修正，幫助提高近岸區域高渾濁度水體的大氣校正精度。透過大氣層對海洋進行遙感探測時，海洋水色水溫掃描儀和海岸帶成像儀在可見光譜段探測所得的數值會受到大氣層中氣溶膠的影響，如果沒有排除氣溶膠的干擾數據，就會導致海洋光譜監測數值與實際狀態存在偏差。根據紫外成像儀獲得的數據進行參考，就能將氣溶膠帶來的干擾數據過濾掉，進而得到準確的海洋水色數據。

定標光譜儀則主要用于同步校準其他儀器探測到的海洋光譜數據，以判定海洋水色水溫掃描儀、海岸帶成像儀、紫外成像儀及探測到的數據信息是否準確。

綜上所述，采用海洋一號系列衛星搭載的眾多遙感儀器，我國能夠對全球的海洋光學特征實現全天時、全天候、大范圍、長時間觀測，在海洋生態與資源監測調查、海洋災害監測、海洋權益維護、海洋環境預報與安全保障等領域帶來了卓有成效的成果。未來，中國的科研工作者們還會繼續擴展具有自主知識產權的國產海洋衛星數據的技術性能和應用潛力，提升中國海洋衛星探測數據的應用廣度、深度，提高海洋環境與資源監測、海洋災害預警的準確性和時效性，為維護國家海洋權益、防災減災、發展國民經濟和加強國防建設作出更多貢獻。

需要指出的是，海洋探測衛星不僅包括基于光學特征探測的海洋一號系列衛星，也包括探測海洋動力環境特征的海洋二號系列衛星。海洋的動力環境特征包含了哪些內容，又有哪些技術方案可以對海洋的動力環境特征實現觀測呢？這些問題的答案將在本系列下一篇文章中揭曉。