海洋探测技术（1）眺望海洋的颜色——基于光学的探测
60 多年过去了，尽管辉光管已经停产，有很多工程师仍然对它情有独钟。我用 8 块液晶显示屏制作了一个拟辉光管时钟，感受复古元素的美感，表达对过去经典的敬意。
2023年年底，具备世界先进技术水平的国产大洋钻探船“梦想”号在广东珠江口成功试航。这艘由中国自主研发设计、自主建造的大洋钻探船将在2024年完全建成并投入应用。“梦想”号的成功，意味着中国在运用前沿科学技术探索海洋、了解海洋、开发海洋的进程中再次向前迈出了意义重大的一步。
海洋占据了地球约70%的表面积，不仅蕴含着无数的矿藏资源，而且为地球自然生态环境提供了至关重要的支持。充分探索和了解海洋，实现海洋资源可持续有效开发，在中华民族实现伟大复兴、中国成为世界强国的进程中，有着重大的意义。那么，在探索和了解海洋的时候，科学家们会采用什么样的技术方案和途径实现海洋探测呢？本系列文章将会向读者介绍当代海洋探测技术的概况。
很多人都有过到海边旅游的经历，并对蔚蓝色的海洋留下了深刻印象。在科学上，对海面的颜色进行观测分析，是进一步实现海洋环境监测与预报的重要基础。考虑到海洋面积的广阔，这类观测需要从很高的位置俯瞰，才能实现大范围的全局性观测，例如，从围绕地球飞行的人造卫星上进行观测。
中国的海洋一号系列卫星就是用于观测海洋水体颜色的海洋水色卫星。目前正在运行中的海洋一号 C 星、海洋一号 D 星搭载的设备主要有海洋水色水温扫描仪、海岸带成像仪、紫外成像仪、定标光谱仪等。这两枚卫星能够在渤海、黄海、东海、南海和日本海等靠近中国的太平洋西北区域实现实时传输观测数据，并将除此之外其他海域的观测数据保存后延时传输。2023 年 11 月 16 日，中国的新一代海洋水色观测卫星（见图 1）在酒泉成功发射，这枚卫星在轨道上运行时，能够和海洋一号 C 星、海洋一号 D 星组网运行，配置有性能更先进的海洋水色水温扫描仪、中分辨率可编程成像光谱仪、海岸带成像仪等设备，可以大幅提升我国对全球海洋水色等环境要素的观测能力。综合应用这些设备，海洋水色卫星能够在可见光谱到红外光谱的范围内，对海水光学特性、叶绿素浓度、悬浮泥沙含量、溶解有机质、海表温度等各种海洋要素进行观测。接下来，就以海洋一号C 星、D 星搭载的观测仪器为例，对海洋水色卫星的观测设备功能和特性作简单介绍。
图 1 新一代海洋水色观测卫星
海洋水色水温扫描仪是海洋一号系列卫星搭载的主要仪器之一。这种扫描仪具有不小于 2900km 的观测幅宽，搭载它的卫星在预定轨道上运行 1 天，就能得到覆盖全球陆地和海洋的完整图像。水色水温扫描仪对海面的观测分辨率最高可达到 1.1km。当卫星从被观测海面上空飞过时，为了保证观测效率，需要根据海洋水色的特征选择特定的几个较窄的光谱波段进行观测。水色水温扫描仪观测光谱波段的大致范围（见图 2）既包括了我们熟悉的可见光谱，也包括了人眼不可见，但能有效反映海面温度状态的红外线光谱。这两枚卫星搭载的水色水温扫描仪可以对表 1 中列出的10 个不同波段进行海洋水色要素（如叶绿素浓度、悬浮泥沙浓度和溶解有机质等）和海面温度场观测。长时间连续获取的我国近海及全球水色水温数据，能够用于研究海洋环境初级生产力分布、海洋渔业和养殖业资源状况和环境质量等，为海洋生物资源的合理开发与利用提供判断依据，也能够为全球气候变化研究、海洋在全球CO2 循环中的作用等综合性科研项目，提供反映各大洋水色水温变化规律的宝贵资料。例如，由国家卫星海洋应用中心发布的海洋中叶绿素浓度全球分布就来自海洋一号 C 星探测到的海洋水色数据。根据海洋中叶绿素的分布情况，科研人员就能够对海洋中 CO2 被光合作用转化为O2的状态作出预测。类似地，通过海洋一号 C星探测到的海洋表面温度数据生成的全球海表温度专题，科研人员可以对海流变化趋势、全球气候变化受到的相应影响等情况作出分析。
图 2 水色水温扫描仪观测光谱波段的大致范围
拥有如此强大功能的海洋水色水温扫描仪，基本原理和我们日常所用的图文扫描仪是相似的，但在具体技术方案上有着很大的差异。整体而言，海洋水色水温扫描仪包括机电式扫描器（由扫描镜及其伺服电机组成）、光学系统、制冷机、角动量补偿飞轮等机电、光学部件，还有探测器、放大器、信息处理器及控制电路等电子部件（见图 3）。
图 3 海洋水色水温扫描仪原理，为简化表示，其中的主光学系统和后光学系统未绘出
海洋水色水温扫描仪的扫描对象在地球上，其扫描工作则是在卫星围绕地球飞行的轨道上进行。当海洋一号卫星按预定轨道和方位围绕地球飞行时，海洋水色水温扫描仪的扫描口对准卫星下方，也就是地球表面。以卫星飞行方向为纵向，水平垂直于卫星飞行方向为横向，海洋水色水温扫描仪中有一块周期转动、转轴与镜面成 45°角的扫描镜，将下方的光线信息横向扫描到扫描仪的光学系统中。当扫描镜转速与卫星的飞行速度匹配时，海洋水色水温扫描仪每秒沿飞行方向扫描过的距离与卫星下方相对于地球表面飞过的距离正好一致，就实现了对地球表面的连续扫描。
上述过程和我们日常使用的文件扫描仪有些类似：将需要扫描的纸张放在扫描仪的玻璃板上，装有扫描传感器的扫描杆在玻璃板下方纵向运动时，再横向获取扫描数据，然后将数据依序排列形成扫描图像。当然，考虑到海洋一号系列卫星是在距离地面数百千米的高空飞行，其扫描成像的光学系统远比放置在办公桌上的扫描仪要复杂。海洋水色水温扫描仪的光学系统由主光学系统、像消旋系统和后光学系统组成。主光学系统由 2 块反射镜组成，用于汇聚 45°旋转扫描镜反射的光线。在主光学系统与后光学系统之间，是由 3 块反射镜排列成“K”字形的像消旋系统，用于消除 45°旋转扫描镜产生的图像旋转效应。后光学系统包括分色片、会聚透镜和通道滤光片。经过像消旋系统处理后的光线被第 1 分色片分为两部分：红外线和可见光，红外线被反射，可见光从第 1 分色片中透射。红外光（2 个波段）由红外透镜系统将其聚焦至 9~10 波段探测器上。从第 1 分色片中透射出的可见光被第 2 分色片分成两个部分，其中一部分（1~5 波段）被反射，另一部分（6~8 波段）透射。这两部分可见光波段分别由各自的透镜系统汇聚到各自波段的探测器上。探测光谱的细分波段由设置在各探测器前的通道滤光片实现。
各波段探测器接收到可见光或红外线信号后，将其转换为模拟信号，输出到各波段的前置放大器实现放大。
然后，再经过 AD 转换电路转换为数字信号，存入扫描信息存储器。在扫描镜附近安装有一个经过地面红外辐射定标的参考黑体，其温度由精密铂电阻进行测量，测量所得的温度数据和卫星上的黑体校正信号数据同时插入图像信息数据中，供 2 个热红外通道实现飞行中辐射校正。在计算机的控制下，将参考黑体温度、参考黑体校正信号、红外探测器工作温度等与图像辐射校正有关的信息同步输入状态信息存储器，再与扫描信息存储器中的图像信息结合后进行格式编排，得到符合要求的信息格式，最后传送给海洋水色水温扫描仪的数据输出端口。在将这些信息发送给地面接收站之前，进行可见及红外探测通道的辐射响应标定，附上定标系数。这样，海洋水色水温扫描仪不仅输出了 10 个探测波段的地球扫描图像，还能定量给出各探测波段的辐射强度。
除了以上介绍的海洋水色水温扫描仪，海洋一号系列卫星还搭载有海岸带成像仪、紫外成像仪、定标光谱仪等仪器。这些仪器的工作原理与扫描仪相似，只是因为观测波段不同而采用了不同的具体技术方案，在此就只做简要介绍。
海岸带成像仪具有不小于 950km的观测幅宽，对地球表面的观测分辨率最高可达到 0.05km。这样高的分辨率能够将黄河、长江入海口这类海陆交互作用区域的细节展现出来，实现海岸带监测。海岸带成像仪的观测波段范围见表 2，结合前文介绍的可见光谱波段，可知海岸带成像仪的观测波段大部分都在可见光谱范围内。根据海岸带成像仪获得的遥感数据，科研人员能够分析掌握河口港湾的悬浮泥沙分布规律，对海冰、赤潮、绿潮、污染物（如海面漂浮油污）等海洋环境事件进行实时监测。
紫外成像仪具有不小于2900km 的 观 测 幅 宽， 与 水 色 水温扫描仪的观测幅宽相同。其对地球表面的观测分辨率最高可达到0.55km。紫外成像仪能够探测 2 个紫外光谱波段（见表 3），其观测数据主要用于对海洋水色水温扫描仪、海岸带成像仪的观测数据进行辅助修正，帮助提高近岸区域高浑浊度水体的大气校正精度。透过大气层对海洋进行遥感探测时，海洋水色水温扫描仪和海岸带成像仪在可见光谱段探测所得的数值会受到大气层中气溶胶的影响，如果没有排除气溶胶的干扰数据，就会导致海洋光谱监测数值与实际状态存在偏差。根据紫外成像仪获得的数据进行参考，就能将气溶胶带来的干扰数据过滤掉，进而得到准确的海洋水色数据。
定标光谱仪则主要用于同步校准其他仪器探测到的海洋光谱数据，以判定海洋水色水温扫描仪、海岸带成像仪、紫外成像仪及探测到的数据信息是否准确。
综上所述，采用海洋一号系列卫星搭载的众多遥感仪器，我国能够对全球的海洋光学特征实现全天时、全天候、大范围、长时间观测，在海洋生态与资源监测调查、海洋灾害监测、海洋权益维护、海洋环境预报与安全保障等领域带来了卓有成效的成果。未来，中国的科研工作者们还会继续扩展具有自主知识产权的国产海洋卫星数据的技术性能和应用潜力，提升中国海洋卫星探测数据的应用广度、深度，提高海洋环境与资源监测、海洋灾害预警的准确性和时效性，为维护国家海洋权益、防灾减灾、发展国民经济和加强国防建设作出更多贡献。
需要指出的是，海洋探测卫星不仅包括基于光学特征探测的海洋一号系列卫星，也包括探测海洋动力环境特征的海洋二号系列卫星。海洋的动力环境特征包含了哪些内容，又有哪些技术方案可以对海洋的动力环境特征实现观测呢？这些问题的答案将在本系列下一篇文章中揭晓。