原创 极地环境探测关键技术

原标题：极地环境探测关键技术

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原文刊载于《中国科学院院刊》2022年第7期“专题:海洋观测探测与安全保障技术”，本文为精简改编版本

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程 晓1* 范双双2 郑 雷1 周娟伶1

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1 中山大学 测绘科学与技术学院 南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海）

2 中山大学 海洋科学学院

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背景

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地球南北两极是复杂的耦合系统，其变化机理涉及冰盖/冰架、海冰、海洋、大气等相互作用。全球变暖引发了极地环境快速变化，而当前科学界对于很多极地快速变化过程及其机理的理解尚不清晰，主要原因是缺乏针对极地环境的立体观测，尤其是缺乏重要的中小尺度物理过程观测，限制了我们对极地环境变化机理这一科学问题的认识。

此外，全球气候持续变暖导致的北极海冰面积和厚度快速减小，致使普通商船在北冰洋的通航窗口期大幅延长，北极航道已逐步成为连接东亚、欧洲和北美的“黄金水道”，然而当前北极冰-海-气环境信息获取还存在着时间不连续、空间不完整等问题，这直接制约着北极航道的安全开发和高效利用。

因此，加快发展极地环境探测技术，深入开展极地环境科学研究，对于我国参与极地国际治理和为全球气候变化贡献中国智慧具有重要意义。本文将系统介绍极地环境探测技术现状，并对未来发展趋势进行展望。

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极地环境探测技术现状

现场观测和遥感探测是获得极地环境信息最有效的 2 种手段。

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国际极地环境探测技术进展

现场观测又分为表面（地表、海表或冰表）观测技术和水下观测技术。目前，表面观测技术主要采用自动气象观测站、冰站、冰基浮标等技术，经过多年的发展，国际上该类技术已相对比较成熟，多平台组网观测是表面观测技术发展的趋势。例如，北极理事会协调建设了“北极可持续观测网”（SAON），开展了北极陆地气象观测。世界气候研究计划资助了“国际北极浮标计划”（IABP），开展了北冰洋气象观测。

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水下观测技术主要采用调查船走航、固定或剖面浮标、无人潜水器、载人潜水器等技术，发展多平台组网观测技术也是当前水下观测研究的热点。例如，美国海军研究署于 2020 年开始研发“北极移动观测系统”（AMOS），该系统由浮标基站、多种无人潜水器及其组网设施构成，预计于2022年完成系统的技术体系，该系统建成后，可以实现冰下定位与导航、水下声通信、声-无线电中继通信、实时观测和目标探测，使北冰洋成为“透明海洋”。欧洲各国发起了“北极联合观测系统”（INTAROS）项目：通过扩展、改进、整合欧洲现有分布于北极不同区域的观测系统，从而构建一套集成的观测系统，该观测系统以锚链阵列和固定声学结点为主，并使用少量水下移动式观测平台，以获得空间稀疏位置的连续观测数据。

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无人潜水器技术是水下组网观测技术的重要组成部分。1972 年，美国国防高级研究计划局资助华盛顿大学研制无人无缆冰下无人潜水器（UARS），以利用窄波束成像声呐进行北极冰底形态观测，由此，拉开了应用 AUV 进行极地调查的序幕。2001 年，美国蒙特利湾海洋研究所（MBARI）联合麻省理工学院（MIT）等研究机构，开发了具有长续航能力的无人潜水器 ALTEX AUV；美国伍兹霍尔海洋学研究所（WHOI）研制了具有双体结构的 SeaBED 系列 AUV，并于 2007 年夏季利用该系列的 PUMA AUV 和 JAGUAR AUV 协同完成了冰下深海热液羽状流探测及海底测绘任务；英国南安普顿国家海洋中心开发了 Autosub 系列 AUV，主要用于极地海洋科学研究；加拿大国际潜水器工程（ISE）公司于 1996 年利用 Theseus AUV 在北极冰锋水域成功铺设了长达 200 km 的光缆，用于实时获取布放于北冰洋的水下声学阵列数据。

受限于极地极端环境条件，目前的极地现场观测技术只能实现区域性、间断性及小尺度的观测，遥感探测才是实现极地宏观连续观测的主要手段。1960 年 TIROS-1 卫星首次在加拿大东南部圣劳伦斯海湾拍摄到海冰解冻的遥感影像，由此揭开了极地遥感观测的序幕。20 世纪 90 年代以来，西方国家陆续发起了多个针对极地环境的卫星计划（如欧洲航天局发起的 CryoSat2）或观测计划（如美国国家航空航天局与加拿大航天局联合发起的 RADARSAT 南极测图计划），已经初步建成极地天基遥感观测体系。卫星遥感技术主要分为光学传感器、微波辐射计、雷达散射计、合成孔径雷达（SAR）和高度计 5 种类型。20 世纪 70 年代以来，以美国国家航空航天局和美国地质调查局联合研制的“陆地卫星”（Landsat）系列为代表的光学遥感卫星率先被应用于极地海洋与冰雪环境研究，搭载在 Landsat 系列卫星上的多光谱扫描仪（MSS）、专题制图仪（TM）和陆地成像仪（OLI）等光学传感器被广泛应用于海冰与冰盖变化监测。迄今，已积累近 50 年连续观测数据。较有代表性的还有美国国防部于 20 世纪 60 年代启动的国防气象卫星（DMSP）系列搭载的 SSM/I 辐射计与欧洲航天局搭载于 Metop-1 卫星的 ASCAT 散射计。目前，已实现基于上述卫星遥感数据的逐日海冰密集度、类型和运动等产品业务化生产。此外，加拿大 RADARSAT 系列 SAR 卫星和 ESA 的 Sentinel-1 系列 SAR 卫星也被广泛应用于高分辨率海冰分类、漂移、冰架崩解、融化和高程监测。美国国家航空航天局 2018 年发射升空的 ICESat-2 先进地形激光测高系统（ATLAS）首次将单光子探测技术引入地球高程探测，为精确测定极地冰盖高程和海冰厚度提供了新的监测手段。

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综上，国际上在极地环境探测领域的主流发展趋势是基于固定或移动平台的组网观测技术，利用组网观测平台的种类和数量优势，实现对极地多环境要素的长期、大范围、同步观测，为极地科学研究或人为活动提供实时、持久、有效的数据支撑。

我国极地环境探测技术进展

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我国极地现场观测主要通过自动气象站、浮标和无人潜水器采集极地气象要素以及海冰要素等。中国气象科学研究院自 2010 年起开始研发超低温电池、风速仪、能源控制系统等多种设备和系统，并最终实现自动观测系统集成，用于极地超低温观测，研发的极地低温（−60℃）和超低温（−100℃）自动气象站现已安装在南极的泰山站、罗斯海新站、格罗夫山、昆仑站和北极的漂移站等地。此外，南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海）于 2019 年在格陵兰冰盖上架设了野外自动气象站（图 1），用于记录每小时风速、风向、气压、温度、湿度、雪厚、冰温等变量，并通过铱星实时将数据传输至国内。上述气象站已在南、北极获得了大量的连续观测资料。

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图1 格陵兰野外自动气象站

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在浮标观测方面，太原理工大学研制了声学探测浮标、海冰多参数浮标（IMB）、海冰融池观测浮标、海冰无人冰站（图2）及海冰温度链浮标等自动观测装置，并在北冰洋多点成功布放。中国科学院沈阳自动化研究所先后有 4 种类型 6 台/套无人潜水器参加了 8 次极地科考。例如，其研制的冰下自主/遥控海洋环境监测系统（ARV）分别于 2008 年、2010 年、2014 年参加了北极科学考察，通过搭载温盐深仪、光通量测量仪和水下摄像机等多种测量设备，该 ARV 可获得冰下水体温度、盐度、深度、冰下光透射辐照度、冰底形态、海冰厚度等多种科学观测数据；其研制的“探索1000”AUV 于 2020 年在南极进行了海洋多要素走航观测，实现了南大洋海洋环境的自主调查。哈尔滨工程大学在水下通信和组网技术等方面取得重要进展，同时攻克了极地 AUV 总体设计关键技术，研制出了工作潜深 1000 m、续航能力 200 km、具有海底地形地貌/海冰冰貌及水文数据采集等功能的极地 AUV 样机。

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图2 海冰无人冰站

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总而言之，国内相关研究机构相继在极地开展冰海基观测系统布放应用研究，在自动气象站、冰基浮标、无人冰站、无人潜水器研制与应用领域取得了一定进展。然而，受技术水平和地域可到达性等因素限制，我国在极地布放应用的冰海基观测系统种类和数量有限，尚未能实现组网观测作业；而且观测系统长期原位工作能力不足，获取的观测数据时间和空间分辨率较低，难以满足实际的应用需要。

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我国极地遥感观测主要有卫星遥感和航空遥感。在小尺度上，国产“高分”和“资源”系列卫星提供了极地高空间分辨率遥感数据。“高分三号”（GF-3）卫星搭载的 SAR 传感器具备 12 种成像模式，是世界上成像模式最多的 SAR 卫星。基于 GF-3 SAR 影像的强度、入射角和极化信息，能够准确地实现夏季融冰季节的浮冰、碎冰与开放水域分类制图，获取海冰动态变化遥感监测专题产品。“高分”卫星已多次为我国商船和破冰船在极区航行期间安全、迅速地在浮冰区穿行和险情化解提供了关键保障。“资源三号”（ZY-3）卫星是中国首颗自主研制的民用高分辨率立体测绘遥感卫星。ZY-3 首星配置 4 台相机，能够获取多光谱影像和三线阵立体影像，填补了中国立体测图这一领域的空白。随着 ZY-3 第三颗卫星在 2020 年的发射升空，ZY-3 形成了业务观测星座。ZY-3 同轨三视立体观测能够提供非常丰富的三维几何信息，在冰盖表面高程、形态和运动监测方面有很好的应用前景。ZY-3 的高分辨率影像已被成功用于南极冰盖表面流速监测。ZY-3 卫星立体像对也被应用于南极龙尼-菲尔希纳冰架高分辨率三维建模，能够很好地获取冰架表面形态及裂隙发育特征。

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在大尺度上，国产“风云”和“海洋”系列卫星提供了极地高时间分辨率遥感数据。“风云三号”（FY-3）卫星搭载的微波辐射成像仪（MWRI）开启了国产微波传感器在极地冰雪环境监测领域的新纪元。目前，国际上微波辐射计大多已经或即将超期服役。随着 2021 年“风云三号”E 星（FY-3E）的发射升空，FY-3 已连续提供超过 10 年的极地观测资料，MWRI 有可能成为未来唯一一个在轨运行的星载微波辐射计。目前，FY-3 卫星已被应用于业务化海冰密集度产品生产，以及两极冰盖融化监测。“海洋二号”（HY-2）是海洋动力环境卫星，主要用于全天时、全天候、高精度地获取海面风场、温度场、海面高度、浪场、流场等参数，也可应用于大尺度极地冰雪环境监测。2019 年 9 月12日，我国首颗专门面向极地遥感观测的小卫星“冰路”（Ice Pathfinder）卫星在中国太原卫星发射中心搭载长征四号乙火箭成功发射。该卫星由北京师范大学科学设计，深圳东方红海特卫星有限公司研制，中山大学负责运行、维护并构建卫星地面应用系统。“冰路”卫星具有大幅宽、高纬度覆盖等特点，空间分辨率优于 80 m，能够 5 天内完成对两极的覆盖观测。独特的在轨变曝光技术保证了其获取影像的质量。截至目前，“冰路”卫星已圆满完成了 3 次南极和 2 次北极观测任务，已累计获得影像 1 万余幅，其中南极冰盖影像 4300 余幅，北极影像 3500 余幅（图 6），弥补了我国长期自主极地观测数据的短缺，对于促进我国极地与全球变化研究具有重要意义。

图6 冰路卫星影像南极（a）和北极（b）覆盖情况

随着航空遥感技术的蓬勃发展，作为一种空间尺度介于遥感卫星与实地测量之间的航空平台，无人机能在一定程度上弥补遥感观测空间分辨率不足、现场观测效率低下和花费昂贵等缺陷。自中国第 24 次南极科学考察（2007—2008 年）以来，多种形式和载荷的国产无人机先后在北极和南极试飞成功并投入业务化运行。这其中最有代表性的是由北京师范大学和中山大学打造的“极鹰”（Polar Hawk）系列遥感无人机平台。“极鹰”系列无人机能够在多种时空尺度上对南北极冰盖、海洋、大气、地貌、生态等进行灵活监测，对深入理解极地“冰-海-气-生”变化机制发挥独特优势（图 7）。自 2014 年以来，“极鹰”系列无人机连续攻克极地低温、大风、光照不均等恶劣环境带来的技术难题，在南、北极地区累积成功飞行超过 180 架次，在典型海冰区、冰架、冰川和企鹅栖息地获取航片 5 万余张，从而极大地提高了我国极地现场数据获取效率。

图7 “极鹰”系列无人机发展历程

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目前，我国极地观测和探测技术发展已取得一定成果，但仍不具备系统化、立体化的组网观测能力，难以实现对极地环境的大范围、持续探测。在观测平台研制与应用方面，尚无法改变高度依赖国外技术和设备进行极地环境观测的现实，我国极地现场观测技术的自主研发投入和实力还有待提升。

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展 望

极地极端环境观测的困难体现在极低温、大范围冰体覆盖、高纬度磁场异常、水下声场环境复杂等方面。现场观测关键技术未来突破重点主要包括：极低温环境电池高效充放电技术、冰下复杂环境水声通信定位技术、跨介质组网通信技术、高纬度高精度导航定位技术、高环境适应性平台总体优化设计技术、安全可靠的冰下布放回收技术、面向任务的智能观测技术及异构无人平台组网观测技术等。极地遥感观测关键技术的未来突破重点主要包括：无人机平台软硬件稳定性优化技术、观测任务智能规划技术、卫星遥感大范围连续观测技术、天基观测轨道与星座组网技术等。

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面向新时期，为解决上述极地环境探测困难，在现场观测关键技术与极地遥感观测关键技取得突破，亟待加快极地观测关键技术国产化、重要装备产业化，重点发展极地冰海基智能观测平台技术、极地冰海基组网通信与组网观测技术，打造极地长航时、多载荷无人机系统，发展极地卫星遥感-通信-导航一体化技术，建设形成极地环境立体探测体系，为极地信息获取、资源开发和安全保障提供支撑。

图8 极地环境立体探测体系示意图

程 晓 中山大学科学研究院院长、测绘科学与技术学院院长，中山大学极地研究中心主任，教授。中国高校极地联合研究中心秘书长，科学技术部国家极地专家委员会委员兼秘书长，第八届教育部科学技术委员会地学部委员。长期从事极地与海洋遥感研究，取得了系统性的创新研究成果。牵头推动我国“极鹰”系列极地遥感无人机快速发展和体系构建、推动我国首颗极地遥感小卫星“冰路”卫星发射入轨、地面处理系统建设和应用。国家杰出青年科学基金获得者，曾获“北京青年五四奖章”“中国极地考察先进个人”称号。

文章源自：

程晓, 范双双, 郑雷, 等. 极地环境探测关键技术. 中国科学院院刊, 2022, 37(7): 921-931.

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DOI:10.16418/j.issn.1000-3045.20220626001返回搜狐，查看更多

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