微波成像儀研究綜述

周鑫 劉健文 黃江平

摘 要：微波資料對(duì)數(shù)值預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率的提升具有關(guān)鍵作用，本文主要介紹了微波成像儀的優(yōu)點(diǎn)和發(fā)展歷程，發(fā)現(xiàn)美國(guó)在微波成像儀研究方面時(shí)間最長(zhǎng)，數(shù)量最多，俄羅斯、日本和我國(guó)雖然起步較晚，但近些年也逐步發(fā)展起來(lái)，并計(jì)劃在未來(lái)發(fā)射更多的微波成像儀升空。

關(guān)鍵詞：微波成像儀；發(fā)展歷程；綜述

20世紀(jì)60年代以來(lái)，隨著航天技術(shù)、計(jì)算機(jī)信息技術(shù)飛速發(fā)展，以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生的對(duì)空間對(duì)地遙感技術(shù)的強(qiáng)烈需求，衛(wèi)星遙感被廣泛應(yīng)用到大氣環(huán)境探測(cè)中。由于衛(wèi)星觀測(cè)覆蓋面廣，能夠提供全球范圍的資料，彌補(bǔ)了海洋、沙漠、極地和高原等地區(qū)因氣象站稀少而資料不足的缺陷。其中，被動(dòng)微波輻射計(jì)通過(guò)接收地表和大氣輻射的波長(zhǎng)范圍為1毫米到2米的微波能量，可以用來(lái)測(cè)算水汽、溫度、風(fēng)速、冰型、土壤濕度和降水等大氣、海洋、陸地參數(shù)，在近幾十年以其特殊的優(yōu)勢(shì)得到了飛速的發(fā)展。

與紅外遙感相比，微波遙感具有明顯的優(yōu)勢(shì)[ 1 ]。首先，微波遙感能夠?qū)崿F(xiàn)全天時(shí)、全天候的對(duì)地觀測(cè)[ 2 ]?？梢?jiàn)光以太陽(yáng)作為光源，在黑夜里無(wú)法正常工作；紅外探測(cè)雖然也可以全天候工作，但它會(huì)受到云水、氣溶膠散射和水汽吸收的影響，在云雨天氣條件下無(wú)法保證數(shù)據(jù)的質(zhì)量。然而微波的波長(zhǎng)比紅外要長(zhǎng)得多，因此在大氣中衰減較小，能夠穿透云層和雨區(qū)，從而對(duì)大氣和地表的觀測(cè)影響不大。這一特點(diǎn)也使得微波遙感對(duì)于地球表面尤其是海洋上空經(jīng)常被云層覆蓋的情況起到了很好的改善作用。其次，微波遙感能夠根據(jù)比輻射率的差異鑒別不同的地物目標(biāo)，而紅外探測(cè)很難做到[ 3 ]。

微波成像儀是最早在軌應(yīng)用的星載被動(dòng)微波遙感儀器，探測(cè)頻點(diǎn)大多設(shè)置在大氣窗區(qū)，進(jìn)行地球物理參數(shù)的成像遙感[ 4 ]。微波成像儀主要探測(cè)地表向上的熱輻射，可以對(duì)地表參數(shù)進(jìn)行遙感反演，例如：土壤濕度、地表溫度和雪深等。微波成像儀的頻點(diǎn)設(shè)計(jì)從1GHz左右到200GHz左右，涵蓋了從L波段到W波段的所有微波頻段。在每個(gè)頻點(diǎn)上有可以分別接收目標(biāo)的垂直極化和水平極化輻射信息，以及全極化輻射信息。

微波成像儀的發(fā)展：

微波成像儀的發(fā)展要追溯到上世紀(jì)七十年代，由美國(guó)最先開(kāi)始進(jìn)行研究和發(fā)射。1972年12月，人類歷史上第一個(gè)微波成像儀電子掃描微波輻射器（ESMR）由NASA的Nimbus-5衛(wèi)星搭載發(fā)射升空，1978年10月，Nimbus-7衛(wèi)星搭載多通道掃描微波輻射器（SMMR）順利升空，在此期間研究人員對(duì)SMMR進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究。

隨后20多年，美國(guó)陸續(xù)研制并發(fā)射了多個(gè)系列的微波成像儀。在美國(guó)國(guó)防部的國(guó)防氣象衛(wèi)星計(jì)劃中，已有十幾顆衛(wèi)星搭載了微波成像儀發(fā)射升空，其中DMSP/F8、DMSP/F10、DMSP/F11、DMSP/F12、DMSP/F13、DMSP/F14和DMSP/F15搭載了專用微波成像儀SSM/I，DMSP/F16、DMSP/F17、DMSP/F18和DMSP/F19搭載了專用傳感器微波成像儀/探測(cè)儀SSMIS。而TRMM、Aqua、Coriolis其他類型的衛(wèi)星分別將TMI、AMSR-E和Windsat微波成像儀送上太空。

俄羅斯對(duì)微波成像儀的研發(fā)也取得了一定成果。2001年12月，Meteor-3M衛(wèi)星攜帶MTVZA發(fā)射升空，與SSMIS一樣，MTVZA也是集成了成像和探測(cè)的微波輻射計(jì)，主要任務(wù)是對(duì)大氣溫度和濕度進(jìn)行全天候探測(cè)，生產(chǎn)了可降水總量、云液體水、近表面風(fēng)速、瞬時(shí)雨量、地面溫度、海水濃度以及積雪度等數(shù)據(jù)。2009年9月，在MTVZA基礎(chǔ)上改進(jìn)的MTVZA-GY搭載在Meteor-M N1 衛(wèi)星上發(fā)射成功，隨后該系列的第三顆衛(wèi)星Meteor-M N2 于2014年7月再次將MTVZA-GY送上太空。

在亞洲，日本在微波成像儀方面的研究處于領(lǐng)先水平，TMI便是日本和美國(guó)合作完成的。日本“第一輪衛(wèi)星計(jì)劃之全球水圈變化觀測(cè)衛(wèi)星”（GCOM-W1）于2012年7月搭載了第二代先進(jìn)微波輻射成像儀AMSR-2 發(fā)射升空，AMSR-2通道設(shè)置與AMSR-E類似，但增加了一個(gè)新的頻率7.3GHz，并且改進(jìn)了熱定標(biāo)源部分。預(yù)計(jì)2016年日本的GCOM-W2衛(wèi)星將攜帶微波成像儀發(fā)射升空。

我國(guó)近些年在微波成像儀領(lǐng)域也取得了一定的成果。新一代氣象極軌衛(wèi)星風(fēng)云三號(hào)裝載微波成像儀FY-3/MWRI（Micro-Wave RadioMeter Imager）于2008年5月27日搭載在FY3-A上順利升空，MWRI采用機(jī)械掃描和大孔徑偏置拋物面天線，能夠滿足多頻率、雙極化、窄波束和低損耗等要求。2011年10月和2013年9月FY-3B與FY-3C再次分別攜帶MWRI發(fā)射成功，F(xiàn)Y-3B與FY-3A組成了上下午雙星同時(shí)在軌運(yùn)行的格局，大幅改進(jìn)了觀測(cè)的時(shí)間和空間覆蓋全面性。

總體來(lái)說(shuō)，美國(guó)在微波成像儀研究方面時(shí)間最長(zhǎng)，數(shù)量最多；俄羅斯、日本和我國(guó)雖然起步較晚，但近些年也逐步發(fā)展起來(lái)，并計(jì)劃在未來(lái)發(fā)射更多的微波成像儀升空。

參考文獻(xiàn)：

[1] 周秀驥，陶善昌，姚克亞.高等大氣物理學(xué)[M].北京：氣象出版社，1991.

[2] 王曉海，李浩.國(guó)外星載微波輻射計(jì)應(yīng)用現(xiàn)狀及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)[J].中國(guó)航天，2005（4）：16-20.

[4] 陶瑋.微波成像儀探測(cè)結(jié)果及其應(yīng)用[D].中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2012.DOI：10.

[5] 楊軍，許建民，董超華，盧乃錳.氣象衛(wèi)星及其應(yīng)用[M].氣象出版社，2012.

作者簡(jiǎn)介：周鑫（1991-），男，陜西人，研究生，漢族，研究方向：數(shù)值預(yù)報(bào)。