海洋卫星,严格来说也是一种对地观测卫星。但是海洋和陆地有着不同的形态,在卫星遥感上也需要采用不同的敏感器。
海洋一号水色卫星
观察卫星拍摄的海洋图像就会发现,在绝大多数时候,大海都是挺单调的,是一片又一片的蔚蓝色。但是详细分析就会发现,不同的海区蓝色是不一样的,而且不同的蓝色背后隐藏着不同类型的信息。一般来说,大海的颜色由三个要素决定:浮游生物中的叶绿素,无机悬浮物和有机黄色物质。这三个要素,决定了海水的光学性质,包括吸收和散射特性。海水会反射阳光,这对度假的人们来说是绮丽的景色,却会让海洋研究人员非常头疼。为了最大限度地减少反射光的影响,对水色的观测,要从海面正上方进行。
传统上,海洋研究人员会将一个圆盘扔进海水,上面分划了24种颜色,哪种颜色与当地海水相同,就记录在案。这方法听起来不错,但要想测量全球海洋水色,就是不可能完成的任务了。用卫星来测量水色,是目前效率最高的办法。
中国发射的第一种海洋卫星——海洋一号,便是水色卫星。其中包括先后上天接力工作的A、B、C、D四颗卫星。它们的主要载荷是水色遥感器,它的工作频段很窄,主要集中在可见光到近红外波段;空间分辨率很低,在数百米的量级。海洋一号卫星和一般的遥感卫星一样,运行在太阳同步轨道上。不过它选择时间点有所不同,在中午12点前后,这样才能保证从正上方观察海洋。海洋水色的探测,可以让人们了解到海洋的生产力,简单说就是一片海洋能孕育多少鱼虾和海菜,人类可以捕捞多少或者养殖多少,而不会破坏生态平衡。这对于舌尖上的我们来说,是至关重要的。
海洋一号卫星三维模拟图
海洋二号动力环境卫星
大海有万顷碧波,在没有风浪的时候看起来是一片平坦。然而这并不是真相。因为风、温度、水下地形等因素的作用,海面其实一直在起伏不定。海水在不停地运动之中,有千千米尺度的大洋环流,有百千米尺度的涡旋,还有几十千米、几千米里甚至更小尺度的海风、海浪和海流现象,这些都归类为海洋动力现象。系统掌握这些海洋动力过程规律,可以服务于海洋防灾减灾、海洋资源开发、海洋科学研究以及国防建设等领域。探测海洋动力环境现象,需要观测海风、海浪、海面高度、海面温度,这是有效认知海洋的前提条件。所以,人们就需要开发另一种类型的海洋卫星——海洋动力环境卫星。
海洋动力环境卫星一般会配备雷达高度计、微波散射计、微波辐射计,起到测高、看浪、听风、测温的功能。中国不但研制了自己的海洋动力环境卫星,还与法国合作研制了中法海洋卫星。
中国的海洋动力环境卫星是海洋二号系列,至今发射了四颗。其中第一颗卫星已经退役,目前海洋二号B、C、D三颗卫星在轨组网运行。海洋二号主要用于探测海面风场、温度场、海面高度、浪场、流场等,获取全球海洋风矢量场和表面风应力数据,及全球大洋环流、海洋大地水准面、重力场和极地冰盖数据。其中海洋重力场的测定,对海底地形探测有重要的作用,也是当前国家自然基金重大项目之一。在大海下面,也有着复杂的地形,有高山、平原和谷地。对水下地形的探测,不但有重要的军事价值,也对未来海洋资源开发有着重要的参考价值。
中法海洋卫星(CFOSAT)2018年发射升空,采用了中方研制的微波散射计和法方研制的海洋波谱仪,首次实现了全球范围内对海洋表面风浪的大面积、高精度同步观测。特别需要强调,这颗卫星上的微波辐射计,是目前空间分辨率最高、观测角度覆盖最多和风场测量精度最高的星载微波散射计,有关数据进入法国气象局业务预报系统,这是中国海洋载荷数据第一次进入国际业务化应用。
中法海洋卫星在轨演示图(图片来源:法国国家空间研究中心)
海洋三号监视监测卫星
当然在海洋研究当中也需要高分辨率的图像。这种时候,我们所需要的并不一定是高分辨率的相机,而是雷达。海面上有一个好处,每一个海区整片海水的信号反射特征是相同的,如果其中有一个什么异物,比如说船只、垃圾堆甚至成群的海洋生物,就会在雷达回波当中非常明显地描绘出来。另外航船的尾流,在雷达图像上也会非常明显。这对于追踪船只行动有很大的好处,甚至水下潜艇的行迹也会在海面上留下一串波纹。
因此,人们研制了第三类海洋卫星,那就是海洋监视监测卫星。它们的主要载荷,就是分辨率可调的合成孔径雷达。
中国的海洋监视监测系列卫星分成两个发展阶段。
第一个阶段,是通过高分三号(GF-3)卫星突破技术基础,掌握了多极化、多模式合成孔径雷达(SAR)技术,卫星的最高分辨率达到1米,这时候的观测幅宽只有10千米;最低分辨率可以达到500米,这时候的观测幅宽达到650千米。这样的特点,非常适合于海洋观测,平时粗略监视大范围海区;特殊情况下,集中雷达发射功率观测小范围区域。
第二个阶段,是发射两颗C频段合成孔径雷达卫星,形成三星组网运行。发射于2022年4月的第三颗卫星,最高分辨率可以达到1米。“海洋三号”系列卫星,继承了高分三号的技术,并且通过多颗卫星同轨分布运行,可全天时、全天候监视海岛、海岸带、海上目标,并获取海洋波浪场、风场、风暴潮漫滩、内波、海冰、溢油等信息,满足海洋目标监测、陆地资源监测等多种需求。
其实,其他类型的遥感卫星也能发挥一定的海洋遥感作用,包括可见光成像卫星和雷达成像卫星,但是只能起到辅助性作用。(作者:迟惑)