海洋探測(cè)技術(shù)（2）眺望海洋的顏色——基于運(yùn)動(dòng)的探測(cè)

60 多年過(guò)去了，盡管輝光管已經(jīng)停產(chǎn)，有很多工程師仍然對(duì)它情有獨(dú)鐘。我用 8 塊液晶顯示屏制作了一個(gè)擬輝光管時(shí)鐘，感受復(fù)古元素的美感，表達(dá)對(duì)過(guò)去經(jīng)典的敬意。

無(wú)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(zhǎng)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(dòng)力環(huán)境相關(guān)的特征，與人類(lèi)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(dòng)，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(dòng)力環(huán)境特征信息，根據(jù)海洋動(dòng)力學(xué)相關(guān)知識(shí)對(duì)海浪、海流的變化作出分析和預(yù)測(cè)，對(duì)前述的海洋相關(guān)活動(dòng)和長(zhǎng)期氣象預(yù)報(bào)、氣候變化趨勢(shì)研究都有重要意義。

海浪是我們能直接看到的海洋運(yùn)動(dòng)特征，要具體測(cè)量海浪的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，需要專(zhuān)業(yè)化的設(shè)備，比如雷達(dá)，雷達(dá)的英文全稱(chēng)是 Radio Detection and Ranging， 即“ 無(wú) 線(xiàn) 電 探 測(cè) 和測(cè)距”，通過(guò)發(fā)射無(wú)線(xiàn)電信號(hào)并接收目標(biāo)物體反射回的信號(hào)，與雷達(dá)匹配的計(jì)算機(jī)程序就能對(duì)反射信號(hào)進(jìn)行分析，判斷目標(biāo)物體的狀態(tài)。用雷達(dá)快速觀測(cè)大面積范圍內(nèi)海洋動(dòng)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(lèi)型的衛(wèi)星被稱(chēng)為海洋動(dòng)力環(huán)境衛(wèi)星。目前，中國(guó)的海洋動(dòng)力環(huán)境衛(wèi)星主要包括海洋二號(hào)系列衛(wèi)星和中法海洋衛(wèi)星。

海洋二號(hào)系列衛(wèi)星的主要功能是監(jiān)測(cè)和調(diào)查海洋環(huán)境，探測(cè)包括海面風(fēng)場(chǎng)、浪高、海面高度等多種海洋動(dòng)力環(huán)境參數(shù)在內(nèi)的數(shù)據(jù)，并及時(shí)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(kāi)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(hào)系列衛(wèi)星搭載的設(shè)備主要包括雷達(dá)高度計(jì)、微波散射計(jì)、校正輻射計(jì)等。

雷達(dá)高度計(jì)對(duì)地球表面發(fā)射微波信號(hào)，根據(jù)反射信號(hào)的狀態(tài)探測(cè)海面高度、有效波高和重力場(chǎng)參數(shù)。其 微 波 信 號(hào) 頻 率 選 擇 5.25GHz 和13.58GHz（見(jiàn)圖 1）。微波信號(hào)發(fā)出后，以光速傳播，在達(dá)到海面時(shí)被反射。雷達(dá)高度計(jì)接收到被反射的微波信號(hào)后，利用特定算法分析返回信號(hào)相對(duì)于發(fā)出信號(hào)的時(shí)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(jì)在工作時(shí)并非單槍匹馬孤軍奮戰(zhàn)，還需要依靠校正輻射計(jì)提供的大氣濕對(duì)流層路徑延遲校正數(shù)據(jù)作為參考。

圖 1 海洋二號(hào)系列衛(wèi)星搭載雷達(dá)高度計(jì)的工作頻率范圍

在雷達(dá)高度計(jì)中，之所以采用5.25GHz 和 13.58GHz 的 微 波 頻 率進(jìn)行高度測(cè)量，是因?yàn)檫@兩個(gè)頻率的微波在大氣中的傳播損耗較小，能夠穿透云層，同時(shí)也具有較短的波長(zhǎng)（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(hào)的波長(zhǎng)越短，其探測(cè)的分辨率和精度就越高，能夠更準(zhǔn)確地識(shí)別和區(qū)分出被探測(cè)對(duì)象的細(xì)節(jié)。圖 2 形象地展示出這種差異：信號(hào)頻率較低的雷達(dá)（黃色）發(fā)出的信號(hào)在檢測(cè)到相互靠近的幾個(gè)目標(biāo)物體時(shí)，因?yàn)榉直媛瘦^低而將多個(gè)目標(biāo)物體識(shí)別為一個(gè)，但信號(hào)頻率較高的雷達(dá)（藍(lán)色）發(fā)出頻率更高、波長(zhǎng)更短的信號(hào)以后，就能具備更高的分辨率，將相距較近的幾個(gè)目標(biāo)物體分別辨識(shí)出來(lái)。

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

采用前述微波頻率的情況下，對(duì)于星下點(diǎn)（地球中心與衛(wèi)星的連線(xiàn)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(hào)系列衛(wèi)星搭載雷達(dá)高度計(jì)的測(cè)距精度可達(dá)到±2cm。也就是說(shuō)，衛(wèi)星探測(cè)區(qū)域海面相對(duì)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(jì)精確地探測(cè)。采用海洋二號(hào)系列衛(wèi)星搭載雷達(dá)高度計(jì)測(cè)量，可以得到海面高度和海浪高度，雷達(dá)高度計(jì)的掃描寬度較小，基本上是以衛(wèi)星繞地飛行曲線(xiàn)為中心線(xiàn)的一條窄帶。對(duì)于海面高度的探測(cè)而言，這樣窄的觀測(cè)寬度并沒(méi)有太大影響，因?yàn)楹Ｋ粫?huì)出現(xiàn)在未觀測(cè)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(duì)于海面波浪高度來(lái)說(shuō)，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(méi)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(cè)。

海洋二號(hào)衛(wèi)星還搭載有微波散射計(jì)。這種儀器的工作原理是：海風(fēng)刮起波浪后，相對(duì)于無(wú)風(fēng)時(shí)光滑如鏡的狀態(tài)，海面會(huì)變得更粗糙。強(qiáng)弱不同的風(fēng)能夠?qū)е虏煌笮〉暮＠耍簿蜁?huì)造成海面粗糙度的不同。通過(guò)前述的關(guān)聯(lián)，微波散射計(jì)探測(cè)出不同粗糙度的海面對(duì)微波的后向散射狀況，也就能測(cè)算出海面風(fēng)場(chǎng)的特征。和雷達(dá)高度計(jì)類(lèi)似，微波散射計(jì)也會(huì)向海面發(fā)射特定頻率（13.256GHz）的微波信號(hào)。根據(jù)散射微波信號(hào)與風(fēng)速、風(fēng)向之間的關(guān)系，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)海面風(fēng)場(chǎng)狀態(tài)的解析。微波散射計(jì)探測(cè)的掃描范圍要寬一些，在衛(wèi)星圍繞地球飛行時(shí)間相同的狀態(tài)下，微波散射計(jì)可以探測(cè)更大面積的海域。

除了上述直接從衛(wèi)星上對(duì)海洋進(jìn)行觀測(cè)的儀器，在海洋二號(hào)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(cè)海域，安裝有對(duì)空信號(hào)天線(xiàn)的海面浮標(biāo)上空飛過(guò)時(shí)，就能通過(guò) 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(cè)數(shù)據(jù)，將接收到的數(shù)據(jù)暫時(shí)保存在衛(wèi)星內(nèi)置的存儲(chǔ)器中。當(dāng)衛(wèi)星飛到地面站通信傳輸距離范圍內(nèi)時(shí)，再將保存的數(shù)據(jù)發(fā)送給地面站。在這個(gè)過(guò)程中，海洋二號(hào)衛(wèi)星發(fā)揮了海洋探測(cè)數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站的作用。

中法海洋衛(wèi)星是由中國(guó)和法國(guó)聯(lián)合研制，在 2018 年 10 月下旬發(fā)射的海洋動(dòng)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(chǎng)、南北極海冰信息，改善對(duì)颶風(fēng)等海洋氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)的精度與時(shí)效；同時(shí)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(guó)全球氣候變化大會(huì)上簽訂的《巴黎協(xié)定》的落實(shí)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(jì)由中國(guó)研制，海浪波譜儀、信息傳輸射頻組件由法國(guó)提供。這顆衛(wèi)星在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了海洋表面風(fēng)浪的大面積、高精度同步聯(lián)合觀測(cè)。

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

海浪波譜儀則是在國(guó)際上首次以6 波束真實(shí)孔徑雷達(dá)模式連續(xù)測(cè)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(cè)雷達(dá)，以真實(shí)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(jì)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(guò)探測(cè)海面后向散射系數(shù)，測(cè)算海浪的波浪譜、波長(zhǎng)、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(zhǎng)時(shí)間序列探測(cè)海浪方向譜、風(fēng)速和波高信息。

21 世紀(jì) 20 年代初，中國(guó)已經(jīng)發(fā)射了多顆海洋一號(hào)系列衛(wèi)星和海洋二號(hào)系列衛(wèi)星，組成了有效的全球海洋衛(wèi)星觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)。接下來(lái)，中國(guó)還將繼續(xù)研發(fā)新一代海洋水色衛(wèi)星、新一代海洋動(dòng)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(cè)體系。

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

在前文提到的波浪雷達(dá)，就是一種用于探測(cè)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(guò)向海面發(fā)射信號(hào)并接收反射回來(lái)的信號(hào)，探測(cè)波浪的特征信息。在惡劣的環(huán)境下，無(wú)須用實(shí)體部件接觸或浸

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

實(shí)用的波浪雷達(dá)通常由信號(hào)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(hào)處理模塊及發(fā)射天線(xiàn)、接收天線(xiàn)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(hào)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(hào)，通過(guò)發(fā)射天線(xiàn)發(fā)出。接收天線(xiàn)收到被海面反射回來(lái)的微波信號(hào)后，經(jīng)過(guò)混頻、濾波等一系列信號(hào)處理過(guò)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(hào)模式雷達(dá)和連續(xù)信號(hào)模式雷達(dá)。為了實(shí)現(xiàn)較高的探測(cè)精度和分辨率，波浪雷達(dá)通常采用連續(xù)信號(hào)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(shí)間線(xiàn)性周期重復(fù)變化的信號(hào)，以 10GHz為中心頻率的情況下，在前半個(gè)頻率變化周期內(nèi)從10GHz線(xiàn)性升高到（10-x）GHz，后半個(gè)頻率變化周期內(nèi)再線(xiàn)性降低到（10-x）GHz，如此重復(fù)。采用這種信號(hào)模式的微波雷達(dá)具備較好的波浪動(dòng)力學(xué)特征測(cè)量性能，具有信號(hào)處理復(fù)雜度低、成本低廉、技術(shù)成熟的優(yōu)點(diǎn)。

以探測(cè)波浪高度的應(yīng)用場(chǎng)景為例，如圖 4 所示，由 FMCW 模式波浪雷達(dá)的發(fā)射天線(xiàn)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(hào)。為簡(jiǎn)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(xiàn)和接收天線(xiàn)都朝向正下方。在這樣的情況下，距離發(fā)射天線(xiàn)較近的目標(biāo)物體（較高波浪的頂端）會(huì)在更短的時(shí)間內(nèi)反射信號(hào)，較遠(yuǎn)的目標(biāo)物體（較低波浪的頂端）會(huì)在更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)反射信號(hào)，測(cè)量出調(diào)頻波形中原始發(fā)射信號(hào)與反射信號(hào)在特定時(shí)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(shí)際應(yīng)用中，由于發(fā)射信號(hào)的頻率隨時(shí)間變化的函數(shù)關(guān)系已知，也可以采用對(duì)比某一時(shí)刻原始信號(hào)與反射信號(hào)頻率差值的方式來(lái)間接推算到被探測(cè)物體的距離。

圖 4 FMCW 模式雷達(dá)探測(cè)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(xiàn)、接收天線(xiàn)與海面保持一定傾斜角度安裝時(shí)，也可以用于探測(cè)波浪運(yùn)動(dòng)的方向。這個(gè)探測(cè)過(guò)程需要用到多普勒原理：如果被測(cè)量物體（波浪）正在朝向雷達(dá)運(yùn)動(dòng)，反射信號(hào)頻率將會(huì)高于發(fā)射信號(hào)頻率；反之，如果被測(cè)量物體正在遠(yuǎn)離雷達(dá)運(yùn)動(dòng)，反射信號(hào)頻率將會(huì)低于發(fā)射信號(hào)頻率。無(wú)論反射信號(hào)相對(duì)于原始信號(hào)是增加頻移，還是減少頻移，都在圖 5 中有所展示。為簡(jiǎn)化分析，圖 5 中假設(shè)被探測(cè)到的 3 種不同運(yùn)動(dòng)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?cè)谕粫r(shí)刻反射回信號(hào)。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(hào)，其反射信號(hào)的頻率變化波形相對(duì)原始發(fā)射信號(hào)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(hào)，其反射信號(hào)的頻率變化波形相對(duì)原始發(fā)射信號(hào)出現(xiàn)了整體向下降低的狀態(tài)。測(cè)量出調(diào)頻波形中原始發(fā)射信號(hào)與反射信號(hào)在特定時(shí)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(duì)運(yùn)動(dòng)方向。實(shí)際應(yīng)用中，通常將波浪雷達(dá)的發(fā)射天線(xiàn)、接收天線(xiàn)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(dòng)力學(xué)特征的探測(cè)。

圖 5 FMCW 模式雷達(dá)探測(cè)不同運(yùn)動(dòng)方向波浪的原理

回顧以上介紹的海洋動(dòng)力環(huán)境衛(wèi)星和波浪雷達(dá)，采用當(dāng)代無(wú)線(xiàn)電技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)對(duì)海浪、潮汐等海洋動(dòng)力環(huán)境特征信息進(jìn)行探測(cè)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(duì)海洋環(huán)境特征進(jìn)行高效準(zhǔn)確的探測(cè)呢？這個(gè)問(wèn)題的答案將在本系列下一篇文章中揭曉。