海洋探测技术（2）眺望海洋的颜色——基于运动的探测
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。
无论是海面上起伏的波浪，还是每天循环涨落的潮汐，或是深海中长达数千千米的海流，都是在不同尺度空间范围内与海洋动力环境相关的特征，与人类的海洋运输、海洋工程、旅游业、渔业及水产养殖等活动，与地球生态系统、气候系统等方面都有着密切关系。因此，采用合适的技术方案获取海浪、潮汐、海流等海洋动力环境特征信息，根据海洋动力学相关知识对海浪、海流的变化作出分析和预测，对前述的海洋相关活动和长期气象预报、气候变化趋势研究都有重要意义。
海浪是我们能直接看到的海洋运动特征，要具体测量海浪的运动参数，需要专业化的设备，比如雷达，雷达的英文全称是 Radio Detection and Ranging， 即“ 无 线 电 探 测 和测距”，通过发射无线电信号并接收目标物体反射回的信号，与雷达匹配的计算机程序就能对反射信号进行分析，判断目标物体的状态。用雷达快速观测大面积范围内海洋动力环境特征的方法，就是将雷达安装在卫星上。这一类型的卫星被称为海洋动力环境卫星。目前，中国的海洋动力环境卫星主要包括海洋二号系列卫星和中法海洋卫星。
海洋二号系列卫星的主要功能是监测和调查海洋环境，探测包括海面风场、浪高、海面高度等多种海洋动力环境参数在内的数据，并及时发给地面站，为海洋防灾减灾、海洋权益维护、海洋资源开发、海洋环境保护、海洋科学研究等事业提供支持。海洋二号系列卫星搭载的设备主要包括雷达高度计、微波散射计、校正辐射计等。
雷达高度计对地球表面发射微波信号，根据反射信号的状态探测海面高度、有效波高和重力场参数。其 微 波 信 号 频 率 选 择 5.25GHz 和13.58GHz（见图 1）。微波信号发出后，以光速传播，在达到海面时被反射。雷达高度计接收到被反射的微波信号后，利用特定算法分析返回信号相对于发出信号的时间延迟、频率变化等参数状态，得以确认卫星与海面之间的距离。需要指出的是，雷达高度计在工作时并非单枪匹马孤军奋战，还需要依靠校正辐射计提供的大气湿对流层路径延迟校正数据作为参考。
图 1 海洋二号系列卫星搭载雷达高度计的工作频率范围
在雷达高度计中，之所以采用5.25GHz 和 13.58GHz 的 微 波 频 率进行高度测量，是因为这两个频率的微波在大气中的传播损耗较小，能够穿透云层，同时也具有较短的波长（1~10cm）。在不考虑大气散射、大气吸收等影响因素的情况下，雷达信号的波长越短，其探测的分辨率和精度就越高，能够更准确地识别和区分出被探测对象的细节。图 2 形象地展示出这种差异：信号频率较低的雷达（黄色）发出的信号在检测到相互靠近的几个目标物体时，因为分辨率较低而将多个目标物体识别为一个，但信号频率较高的雷达（蓝色）发出频率更高、波长更短的信号以后，就能具备更高的分辨率，将相距较近的几个目标物体分别辨识出来。
图 2 不同频率雷达信号的分辨率差异，黄色雷达发出的信号频率低而波长较长，蓝色雷达发出的信号频率高而波长较短
采用前述微波频率的情况下，对于星下点（地球中心与卫星的连线在地球表面上的交点，也就是卫星正下方的地点），海洋二号系列卫星搭载雷达高度计的测距精度可达到±2cm。也就是说，卫星探测区域海面相对于标准海平面的高度和海浪的高度，都可以采用雷达高度计精确地探测。采用海洋二号系列卫星搭载雷达高度计测量，可以得到海面高度和海浪高度，雷达高度计的扫描宽度较小，基本上是以卫星绕地飞行曲线为中心线的一条窄带。对于海面高度的探测而言，这样窄的观测宽度并没有太大影响，因为海水不会出现在未观测到的小范围内局部很高或很低的情况（不考虑波浪的波峰波谷）。但是，对于海面波浪高度来说，有较大面积空白区域的情况就可能导致局部区域的波浪具体特征没有得到关注。在这样的情况下，需要用地球上的波浪雷达进行局部海区波浪特征的补充探测。
海洋二号卫星还搭载有微波散射计。这种仪器的工作原理是：海风刮起波浪后，相对于无风时光滑如镜的状态，海面会变得更粗糙。强弱不同的风能够导致不同大小的海浪，也就会造成海面粗糙度的不同。通过前述的关联，微波散射计探测出不同粗糙度的海面对微波的后向散射状况，也就能测算出海面风场的特征。和雷达高度计类似，微波散射计也会向海面发射特定频率（13.256GHz）的微波信号。根据散射微波信号与风速、风向之间的关系，经过数据处理后，就能实现对海面风场状态的解析。微波散射计探测的扫描范围要宽一些，在卫星围绕地球飞行时间相同的状态下，微波散射计可以探测更大面积的海域。
除了上述直接从卫星上对海洋进行观测的仪器，在海洋二号系列卫星上，还搭载有海洋数据收集系统。当卫星从预先投放在待探测海域，安装有对空信号天线的海面浮标上空飞过时，就能通过 401.65MHz 频率的特高频波段通信接收到浮标采集的海洋探测数据，将接收到的数据暂时保存在卫星内置的存储器中。当卫星飞到地面站通信传输距离范围内时，再将保存的数据发送给地面站。在这个过程中，海洋二号卫星发挥了海洋探测数据中转站的作用。
中法海洋卫星是由中国和法国联合研制，在 2018 年 10 月下旬发射的海洋动力环境卫星。这颗卫星主要用于获取全球海面波浪谱、海面风场、南北极海冰信息，改善对飓风等海洋气象灾害预报的精度与时效；同时获取用于全球气候变化研究的极地冰盖数据，为确认第 21 届联合国全球气候变化大会上签订的《巴黎协定》的落实提供支持。
中法海洋卫星上搭载的旋转扫描扇形波束散射计由中国研制，海浪波谱仪、信息传输射频组件由法国提供。这颗卫星在国际上首次实现了海洋表面风浪的大面积、高精度同步联合观测。
旋转扫描扇形波束散射计是国际上首次采用扇形波束扫描方式测量海洋风场的微波散射计，其工作频率也是 13.256GHz。这种新型微波散射计综合了原有固定扇形波束散射计和笔形波束圆锥扫描散射计的特点，通过扇形波束圆锥扫描实现对地面目标的多入射角和多方位角观测。该设备投入使用时，实现了当时世界上最高分辨率的全球海面后向散射和海面风场测量，连续观测的原始分辨率可达10.5km。作为对比，此前其他海洋卫星搭载的微波散射计观测海面风场的典型分辨率是 25~50km。
海浪波谱仪则是在国际上首次以6 波束真实孔径雷达模式连续测量全球海面波浪谱。海浪波谱仪是一种新型的海浪信息探测雷达，以真实孔径雷达为基本模块，配置 6 套圆锥扫描波束。其星下点波束能够发挥相当于雷达高度计的工作机能，侧视旋转波束则与相应的工作模式和功能模块匹配，基于小入射角下准镜面散射机理，通过探测海面后向散射系数，测算海浪的波浪谱、波长、波向、有效波高等海浪参数。采用海浪波谱仪，可在全球范围内大面积、长时间序列探测海浪方向谱、风速和波高信息。
21 世纪 20 年代初，中国已经发射了多颗海洋一号系列卫星和海洋二号系列卫星，组成了有效的全球海洋卫星观测网络。接下来，中国还将继续研发新一代海洋水色卫星、新一代海洋动力环境卫星，构建更加完善、成熟的海洋卫星综合观测体系。
探测海洋动力环境特征的途径，除了能在短时间内纵览全球海洋概况的卫星，还有多种探测方案。
在前文提到的波浪雷达，就是一种用于探测海洋波浪和水位的雷达。波浪雷达通常安装在海岸附近，通过向海面发射信号并接收反射回来的信号，探测波浪的特征信息。在恶劣的环境下，无须用实体部件接触或浸
入海面，就能实现对波浪特征的高精度探测，是波浪雷达的主要优势。例如，型号为 WG5 的波浪和水位探测雷达采用频率 10GHz 的调频连续波形（FMCW）对海面进行探测，能够以 ±1cm 的精度探测水位高度，以±3cm 的精度探测 0~60m 的不同高度波浪，并且对 100s 内的波浪周期实现精度 ±50ms 的测量。
实用的波浪雷达通常由信号发生模块、功率放大模块、低噪声放大模块、混频及滤波模块、信号处理模块及发射天线、接收天线等部件组成，如图 3 所示。波浪雷达的基本工作原理如下：信号发生模块和功率放大模块组成的发射组件按雷达运行模式要求，产生指定频率和带宽的微波信号，通过发射天线发出。接收天线收到被海面反射回来的微波信号后，经过混频、滤波等一系列信号处理过程，从中提取出能够反映海面波浪特征的输出数据。
图 3 波浪雷达组成结构
根据雷达运行模式的不同，可以分为脉冲信号模式雷达和连续信号模式雷达。为了实现较高的探测精度和分辨率，波浪雷达通常采用连续信号模式雷达，典型方案如前文提到的 FMCW 模式。这种雷达发出的调频波形是频率随时间线性周期重复变化的信号，以 10GHz为中心频率的情况下，在前半个频率变化周期内从10GHz线性升高到（10-x）GHz，后半个频率变化周期内再线性降低到（10-x）GHz，如此重复。采用这种信号模式的微波雷达具备较好的波浪动力学特征测量性能，具有信号处理复杂度低、成本低廉、技术成熟的优点。
以探测波浪高度的应用场景为例，如图 4 所示，由 FMCW 模式波浪雷达的发射天线发射出频率周期性呈三角形重复变化的调频连续波信号。为简化分析，假设波浪雷达安装在海岸边上较高的地方，其发射天线和接收天线都朝向正下方。在这样的情况下，距离发射天线较近的目标物体（较高波浪的顶端）会在更短的时间内反射信号，较远的目标物体（较低波浪的顶端）会在更长的时间内反射信号，测量出调频波形中原始发射信号与反射信号在特定时刻频率点的差值，就能够算出不同波浪顶端与雷达之间的距离，也就能知道不同波浪的高度。实际应用中，由于发射信号的频率随时间变化的函数关系已知，也可以采用对比某一时刻原始信号与反射信号频率差值的方式来间接推算到被探测物体的距离。
图 4 FMCW 模式雷达探测不同高度波浪的原理
此外，将 FMCW 模式波浪雷达的发射天线、接收天线与海面保持一定倾斜角度安装时，也可以用于探测波浪运动的方向。这个探测过程需要用到多普勒原理：如果被测量物体（波浪）正在朝向雷达运动，反射信号频率将会高于发射信号频率；反之，如果被测量物体正在远离雷达运动，反射信号频率将会低于发射信号频率。无论反射信号相对于原始信号是增加频移，还是减少频移，都在图 5 中有所展示。为简化分析，图 5 中假设被探测到的 3 种不同运动方向的目标物体（波浪）与雷达之间的距离都相同，因此它们在同一时刻反射回信号。但是，正在靠近雷达的波浪因多普勒原理而反射回频率更高的信号，其反射信号的频率变化波形相对原始发射信号出现了整体向上抬高的状态；正在远离雷达的波浪因多普勒原理而反射回频率更低的信号，其反射信号的频率变化波形相对原始发射信号出现了整体向下降低的状态。测量出调频波形中原始发射信号与反射信号在特定时刻频率点的差值，就能够算出不同波浪与雷达之间的相对运动方向。实际应用中，通常将波浪雷达的发射天线、接收天线与海面呈一定倾斜角安装，以便兼顾海面高度、海浪高度、海浪方向等多种海洋动力学特征的探测。
图 5 FMCW 模式雷达探测不同运动方向波浪的原理
回顾以上介绍的海洋动力环境卫星和波浪雷达，采用当代无线电技术和信号处理技术对海浪、潮汐等海洋动力环境特征信息进行探测的精确性和适用性不言而喻。此外，还有哪些技术途径可以对海洋环境特征进行高效准确的探测呢？这个问题的答案将在本系列下一篇文章中揭晓。