海洋探測技術(shù)（1）眺望海洋的顏色——基于光學(xué)的探測

60 多年過去了，盡管輝光管已經(jīng)停產(chǎn)，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(fù)古元素的美感，表達對過去經(jīng)典的敬意。

2023年年底，具備世界先進技術(shù)水平的國產(chǎn)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(fā)設(shè)計、自主建造的大洋鉆探船將在2024年完全建成并投入應(yīng)用?！皦粝搿碧柕某晒?，意味著中國在運用前沿科學(xué)技術(shù)探索海洋、了解海洋、開發(fā)海洋的進程中再次向前邁出了意義重大的一步。

海洋占據(jù)了地球約70%的表面積，不僅蘊含著無數(shù)的礦藏資源，而且為地球自然生態(tài)環(huán)境提供了至關(guān)重要的支持。充分探索和了解海洋，實現(xiàn)海洋資源可持續(xù)有效開發(fā)，在中華民族實現(xiàn)偉大復(fù)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(xué)家們會采用什么樣的技術(shù)方案和途徑實現(xiàn)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(shù)的概況。

很多人都有過到海邊旅游的經(jīng)歷，并對蔚藍色的海洋留下了深刻印象。在科學(xué)上，對海面的顏色進行觀測分析，是進一步實現(xiàn)海洋環(huán)境監(jiān)測與預(yù)報的重要基礎(chǔ)。考慮到海洋面積的廣闊，這類觀測需要從很高的位置俯瞰，才能實現(xiàn)大范圍的全局性觀測，例如，從圍繞地球飛行的人造衛(wèi)星上進行觀測。

中國的海洋一號系列衛(wèi)星就是用于觀測海洋水體顏色的海洋水色衛(wèi)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(shè)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(wèi)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(qū)域?qū)崿F(xiàn)實時傳輸觀測數(shù)據(jù)，并將除此之外其他海域的觀測數(shù)據(jù)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(wèi)星（見圖 1）在酒泉成功發(fā)射，這枚衛(wèi)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(wǎng)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(shè)備，可以大幅提升我國對全球海洋水色等環(huán)境要素的觀測能力。綜合應(yīng)用這些設(shè)備，海洋水色衛(wèi)星能夠在可見光譜到紅外光譜的范圍內(nèi)，對海水光學(xué)特性、葉綠素濃度、懸浮泥沙含量、溶解有機質(zhì)、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(wèi)星的觀測設(shè)備功能和特性作簡單介紹。

圖 1 新一代海洋水色觀測衛(wèi)星

海洋水色水溫掃描儀是海洋一號系列衛(wèi)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(wèi)星在預(yù)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(wèi)星從被觀測海面上空飛過時，為了保證觀測效率，需要根據(jù)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(tài)的紅外線光譜。這兩枚衛(wèi)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(zhì)等）和海面溫度場觀測。長時間連續(xù)獲取的我國近海及全球水色水溫數(shù)據(jù)，能夠用于研究海洋環(huán)境初級生產(chǎn)力分布、海洋漁業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)資源狀況和環(huán)境質(zhì)量等，為海洋生物資源的合理開發(fā)與利用提供判斷依據(jù)，也能夠為全球氣候變化研究、海洋在全球CO2 循環(huán)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(guī)律的寶貴資料。例如，由國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心發(fā)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(shù)據(jù)。根據(jù)海洋中葉綠素的分布情況，科研人員就能夠?qū)Ｑ笾?CO2 被光合作用轉(zhuǎn)化為O2的狀態(tài)作出預(yù)測。類似地，通過海洋一號 C星探測到的海洋表面溫度數(shù)據(jù)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(yīng)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?nèi)粘Ｋ玫膱D文掃描儀是相似的，但在具體技術(shù)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(xué)系統(tǒng)、制冷機、角動量補償飛輪等機電、光學(xué)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(xué)系統(tǒng)和后光學(xué)系統(tǒng)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(wèi)星圍繞地球飛行的軌道上進行。當海洋一號衛(wèi)星按預(yù)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(wèi)星下方，也就是地球表面。以衛(wèi)星飛行方向為縱向，水平垂直于衛(wèi)星飛行方向為橫向，海洋水色水溫掃描儀中有一塊周期轉(zhuǎn)動、轉(zhuǎn)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(xué)系統(tǒng)中。當掃描鏡轉(zhuǎn)速與衛(wèi)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(wèi)星下方相對于地球表面飛過的距離正好一致，就實現(xiàn)了對地球表面的連續(xù)掃描。

上述過程和我們?nèi)粘Ｊ褂玫奈募呙鑳x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(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)依序排列形成掃描圖像。當然，考慮到海洋一號系列衛(wèi)星是在距離地面數(shù)百千米的高空飛行，其掃描成像的光學(xué)系統(tǒng)遠比放置在辦公桌上的掃描儀要復(fù)雜。海洋水色水溫掃描儀的光學(xué)系統(tǒng)由主光學(xué)系統(tǒng)、像消旋系統(tǒng)和后光學(xué)系統(tǒng)組成。主光學(xué)系統(tǒng)由 2 塊反射鏡組成，用于匯聚 45°旋轉(zhuǎn)掃描鏡反射的光線。在主光學(xué)系統(tǒng)與后光學(xué)系統(tǒng)之間，是由 3 塊反射鏡排列成“K”字形的像消旋系統(tǒng)，用于消除 45°旋轉(zhuǎn)掃描鏡產(chǎn)生的圖像旋轉(zhuǎn)效應(yīng)。后光學(xué)系統(tǒng)包括分色片、會聚透鏡和通道濾光片。經(jīng)過像消旋系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)匯聚到各自波段的探測器上。探測光譜的細分波段由設(shè)置在各探測器前的通道濾光片實現(xiàn)。

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

然后，再經(jīng)過 AD 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，存入掃描信息存儲器。在掃描鏡附近安裝有一個經(jīng)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(shù)據(jù)和衛(wèi)星上的黑體校正信號數(shù)據(jù)同時插入圖像信息數(shù)據(jù)中，供 2 個熱紅外通道實現(xiàn)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(guān)的信息同步輸入狀態(tài)信息存儲器，再與掃描信息存儲器中的圖像信息結(jié)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(shù)據(jù)輸出端口。在將這些信息發(fā)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(yīng)標定，附上定標系數(shù)。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(wèi)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(shù)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?qū)ⅫS河、長江入?？谶@類海陸交互作用區(qū)域的細節(jié)展現(xiàn)出來，實現(xiàn)海岸帶監(jiān)測。海岸帶成像儀的觀測波段范圍見表 2，結(jié)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(nèi)。根據(jù)海岸帶成像儀獲得的遙感數(shù)據(jù)，科研人員能夠分析掌握河口港灣的懸浮泥沙分布規(guī)律，對海冰、赤潮、綠潮、污染物（如海面漂浮油污）等海洋環(huán)境事件進行實時監(jiān)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(shù)據(jù)主要用于對海洋水色水溫掃描儀、海岸帶成像儀的觀測數(shù)據(jù)進行輔助修正，幫助提高近岸區(qū)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(shù)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(shù)據(jù)，就會導(dǎo)致海洋光譜監(jiān)測數(shù)值與實際狀態(tài)存在偏差。根據(jù)紫外成像儀獲得的數(shù)據(jù)進行參考，就能將氣溶膠帶來的干擾數(shù)據(jù)過濾掉，進而得到準確的海洋水色數(shù)據(jù)。

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(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)信息是否準確。

綜上所述，采用海洋一號系列衛(wèi)星搭載的眾多遙感儀器，我國能夠?qū)θ虻暮Ｑ蠊鈱W(xué)特征實現(xiàn)全天時、全天候、大范圍、長時間觀測，在海洋生態(tài)與資源監(jiān)測調(diào)查、海洋災(zāi)害監(jiān)測、海洋權(quán)益維護、海洋環(huán)境預(yù)報與安全保障等領(lǐng)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(xù)擴展具有自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)的技術(shù)性能和應(yīng)用潛力，提升中國海洋衛(wèi)星探測數(shù)據(jù)的應(yīng)用廣度、深度，提高海洋環(huán)境與資源監(jiān)測、海洋災(zāi)害預(yù)警的準確性和時效性，為維護國家海洋權(quán)益、防災(zāi)減災(zāi)、發(fā)展國民經(jīng)濟和加強國防建設(shè)作出更多貢獻。

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