微波無源遙感有效載荷現(xiàn)狀與發(fā)展

姚崇斌，徐紅新，趙 鋒，謝振超，趙永濤

(上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109)

0 引言

衛(wèi)星有效載荷按應(yīng)用方向可分為通信載荷、導(dǎo)航載荷、遙感載荷、空間科學(xué)載荷等，其中遙感載荷又分為光學(xué)遙感載荷與微波遙感載荷。微波遙感是20世紀(jì)60年代才付諸應(yīng)用的新領(lǐng)域。微波無源遙感有效載荷(主要為微波輻射計(jì))是其中發(fā)展最早、最成熟的子領(lǐng)域，也是當(dāng)前衛(wèi)星有效載荷的重要分支。微波輻射計(jì)的云雨穿透性、全天候探測(cè)能力和對(duì)海洋與地表內(nèi)部的探測(cè)能力，使其在氣象、海洋、陸地、大氣環(huán)境和深空探測(cè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

1 概念原理

任何溫度大于0 K的物體均向外輻射能量，這是由量子理論確定的。微波輻射計(jì)是測(cè)量物質(zhì)輻射功率的高靈敏接收系統(tǒng)，具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單，質(zhì)量輕和功耗小的特點(diǎn)。不同的物質(zhì)具有不同的分子結(jié)構(gòu)，因此具有不同的輻射頻率特性，即不同的譜特性。微波無源遙感有效載荷通過測(cè)量物體不同頻率輻射亮溫值的組合來反演得到溫度、濕度、風(fēng)速、鹽度等遙感參數(shù)[1]。目前，微波無源遙感有效載荷已在多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域取得了令人矚目的成果。

2 國(guó)外發(fā)展歷程及技術(shù)特點(diǎn)分析

微波無源遙感載荷主要應(yīng)用于氣象微波遙感、海洋微波遙感、陸地微波遙感、大氣環(huán)境遙感和深空探測(cè)等領(lǐng)域。

2.1 氣象微波遙感

在氣象應(yīng)用領(lǐng)域，微波無源遙感有效載荷不僅可獲取高精度的大氣參數(shù)(如大氣溫度、水汽分布、液態(tài)與固態(tài)水分布)，還能獲取溫度、濕度等的垂直廓線分布。

2.1.1 溫度探測(cè)

氧氣是大氣中唯一含量穩(wěn)定且有較強(qiáng)吸收譜線的成分，可用于測(cè)量大氣溫度。氧氣吸收譜線包括54，118，425 GHz等，其中54 GHz譜線最寬、吸收率最高，是天然最好的大氣溫度探測(cè)頻段，通過氧氣吸收頻段的細(xì)化通道可探測(cè)大氣溫度廓線的三維立體分層。

美國(guó)A型先進(jìn)微波探測(cè)器(AMSU-A)是對(duì)美國(guó)天氣預(yù)報(bào)貢獻(xiàn)最大的微波無源遙感有效載荷，于1998年5月隨NOAA-15進(jìn)入軌道運(yùn)行。AMSU-A代替了之前的MSU和SSU微波輻射計(jì)，用于測(cè)量距地表50 km高度內(nèi)的大氣溫度分布，溫度分辨率達(dá)0.25～1.2 K。AMSU-A是全功率毫米波微波輻射計(jì)，觀測(cè)在觀測(cè)頻帶內(nèi)從地球表面和大氣輻射的微波能量，通過交軌掃描15個(gè)頻率通道對(duì)場(chǎng)景的輻射能量進(jìn)行測(cè)量[2]。

俄羅斯在空間站和對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星上也搭載了多個(gè)微波輻射計(jì)，最先進(jìn)的是大氣溫度探測(cè)微波輻射計(jì)(MTVZA)系列，搭載在氣象衛(wèi)星系列METEOR-3M及其后續(xù)星SICH-1M上。MTVZA是一個(gè)多通道微波輻射計(jì)，與NASA的AMSU相似，用于探測(cè)陸地表面、海洋表面和大氣的含水量，以及全球大氣溫度和濕度的垂直分布。它的觀測(cè)頻率為18.7～183 GHz，有26個(gè)探測(cè)通道[3]。

2.1.2 濕度探測(cè)

利用水汽譜線可測(cè)量大氣中的水蒸氣。水汽吸收譜線包括23，183，380 GHz等，需在大氣溫度參數(shù)已測(cè)量的條件下反演水汽含量。同樣，通過水汽吸收頻段的細(xì)化通道可探測(cè)大氣濕度廓線的三維立體分層。

2011年，美國(guó)發(fā)射了“極軌氣象衛(wèi)星系統(tǒng)”(JPSS)首個(gè)運(yùn)行的Suomi-NPP衛(wèi)星，上面搭載的先進(jìn)技術(shù)微波探測(cè)儀(ATMS)是一個(gè)全功率式跨軌道微波探測(cè)儀，其一體化集成了AMSU-A1、AMSU-A2和AMSU-B載荷的全部功能[4]。ATMS探測(cè)23.8～183.3 GHz之間的22個(gè)頻率的地表和大氣微波輻射，其中通道1～15為低頻探測(cè)通道(23～57 GHz)，主要用于探測(cè)大氣溫度廓線，通道16～22為高頻探測(cè)通道(88～183 GHz)，主要用于探測(cè)大氣濕度廓線[5-6]。ATMS利用額外的探測(cè)通道和更寬的掃描范圍來更精確地測(cè)量大氣溫度和濕度廓線[7]。

降水(液態(tài)與固態(tài)水)特性采用液態(tài)與固態(tài)水粒子前向散射導(dǎo)致亮溫大幅下降的特征來測(cè)量。當(dāng)大氣中液態(tài)與固態(tài)水粒子尺度同探測(cè)頻段波長(zhǎng)相當(dāng)時(shí)，輻射測(cè)量的主要貢獻(xiàn)是米氏散射，由此導(dǎo)致的亮溫變化最大，因此對(duì)與探測(cè)頻段波長(zhǎng)同等量級(jí)的冰水粒子最敏感。一般來說，高度越低，粒子半徑越大，數(shù)目越少。低頻通常具有較好的穿透性，能探測(cè)下層大粒子，高頻對(duì)上層小粒子更敏感。因此，在完成溫度探測(cè)的同時(shí)，可完成降水三維結(jié)構(gòu)的反演。

歐洲EUMETSAT極地系統(tǒng)包括歐洲空間局(ESA)研發(fā)的氣象衛(wèi)星系列MetOp和一系列與之相關(guān)的用于氣象氣候檢測(cè)的地面設(shè)備。微波濕度探測(cè)儀(MHS)是MetOp衛(wèi)星的主要有效載荷之一，由ESA獨(dú)立研制，其功能與AMSU-B類似，并在2003年左右代替了AMSU-B。

2.1.3 低軌衛(wèi)星溫度濕度復(fù)合微波探測(cè)

美國(guó)設(shè)計(jì)研制的CMIS(conically scanned microwave imager sounder)是繼SSM/I和SSMIS后新研的圓錐式掃描一體化微波輻射計(jì)，集測(cè)溫、測(cè)濕與成像功能于一體。微波成像探測(cè)儀CMIS在6～183 GHz之間分為9個(gè)頻段，共有77個(gè)主要通道和17個(gè)備份通道，配有16個(gè)饋源，其中12個(gè)饋源安裝在低頻段(6～89 GHz)反射面天線上，4個(gè)饋源安裝在高頻段(166～183 GHz)反射面天線上[8]。

2.2 海洋微波遙感

利用低頻微波的穿透性，微波輻射計(jì)通過測(cè)量海洋表面的亮溫來獲取海面溫度、風(fēng)場(chǎng)、海鹽、海冰等信息，為海洋科學(xué)研究提供寶貴的數(shù)據(jù)支持。在剔除大氣、天體等影響因素后，亮溫同海洋表面溫度及發(fā)射率有關(guān)。其中，發(fā)射率是海面溫度、海面風(fēng)場(chǎng)、海洋鹽度等的函數(shù)，不同微波頻段具有不同的輻射特性。

2.2.1 海面溫度

紅外與微波均可測(cè)量海面溫度，但紅外只能探測(cè)海洋表層溫度，而微波能實(shí)現(xiàn)較深層探測(cè)，兩者聯(lián)合能更全面探測(cè)海洋溫度。海面溫度最優(yōu)探測(cè)頻段為6.9 GHz，該頻段入射角為(53±1.5)°時(shí)，輻射亮溫受風(fēng)場(chǎng)影響最小。海面溫度次優(yōu)探測(cè)頻段為10.65 GHz。不同極化對(duì)海面溫度的敏感性也不同，6.9 GHz的垂直極化對(duì)海洋表面溫度最敏感，其次為10.65，18.6 GHz的垂直極化。

2.2.2 海面風(fēng)場(chǎng)

當(dāng)海面溫度已知時(shí)，由H極化與V極化的差異可得海面風(fēng)速信息。多頻段組合可提高風(fēng)速與風(fēng)向的反演精度，一般采用10.65，18.7，36.5 GHz進(jìn)行全極化組合測(cè)量。美國(guó)Windsat載荷是2003年搭載于Coriolis衛(wèi)星上的全球首個(gè)全極化微波輻射計(jì)，用于海面風(fēng)速和風(fēng)向測(cè)量。Windsat載荷有22個(gè)6.8～37 GHz的探測(cè)通道，其中10.7，18.7，37.0 GHz是全極化通道[9]。

2.2.3 海洋鹽度

在消除溫度與風(fēng)場(chǎng)影響后，可由亮溫變化反演獲得鹽度信息。鹽度探測(cè)需要一定的探測(cè)深度，通常采用L頻段1.4 GHz的大氣窗口頻率，1.4 GHz的V極化對(duì)海洋鹽度的探測(cè)靈敏度為0.2～0.8 K/psu。

ESA于2009年發(fā)射了土壤濕度和海洋鹽度探測(cè)衛(wèi)星(SMOS)，其上搭載了世界上首個(gè)極軌二維綜合孔徑干涉式輻射計(jì)(MIRAS)。MIRAS可觀測(cè)大范圍、多角度的極化亮溫。SMOS任務(wù)的主要目標(biāo)之一是提供有一定精度、靈敏度、空間分辨率、空間范圍和時(shí)間覆蓋范圍的海洋鹽度分布圖。SMOS測(cè)量海洋鹽度精度有以下兩個(gè)目標(biāo)：

1) 海洋鹽度精度為0.5～1.5 K/psu(單次測(cè)量)，0.1 K/psu(10～30天內(nèi)平均)；

2) 空間尺度為100 km×100 km或200 km×200 km[10]。

SMOS在L頻段測(cè)量由地球輻射的亮溫，其入射角為0°～55°，刈幅寬度約為1 000 km，空間分辨率為35～50 km，目前測(cè)量模式為全極化測(cè)量[11-12]。

2011年，美國(guó)和阿根廷聯(lián)合發(fā)射了SAC-D衛(wèi)星，衛(wèi)星主載荷為Aquarius主被動(dòng)聯(lián)合探測(cè)儀，包括一個(gè)1.41 GHz輻射計(jì)和一個(gè)1.26 GHz散射計(jì)，其主要科學(xué)目標(biāo)是監(jiān)測(cè)公開海域海洋表面鹽度場(chǎng)的季節(jié)和年際的大尺度特征變化[13]。Aquarius包括一個(gè)2.5 m的反射面天線，3個(gè)饋源喇叭對(duì)應(yīng)3個(gè)獨(dú)立的波束，天線和饋源由輻射計(jì)和散射計(jì)共用。3個(gè)波束的對(duì)地入射角分別為29.36°，38.49°和46.29°，空間分辨率分別為76 km×94 km，84 km×120 km和96 km×156 km[14]。

2.2.4 海冰覆蓋

微波輻射計(jì)利用海水與海冰亮溫的不同實(shí)現(xiàn)區(qū)分，通過反演表面溫度來監(jiān)測(cè)海冰的季節(jié)和年際變化等，并得到海冰的邊緣線信息和密集度數(shù)據(jù)。受空間分辨率影響，微波輻射計(jì)只能提供較粗分辨率的海冰產(chǎn)品(如SSM/I的分辨率為12.5～25 km，AMSR-E為5.4～25 km)，適合觀測(cè)大面積海冰(如極地海冰)，區(qū)分一年冰和多年冰[15]。

在空氣、海冰和海水三層介質(zhì)系統(tǒng)中，海冰厚度反演分為相干和非相干模式。相干模式適用于介質(zhì)內(nèi)電磁參數(shù)的空間波長(zhǎng)比電磁波波長(zhǎng)小得多且介質(zhì)均勻的情況，通過反射系數(shù)、介質(zhì)的等效阻抗及各層相對(duì)復(fù)介電常數(shù)來得到海冰厚度與輻射亮溫之間的關(guān)系；非相干模式只需考慮電磁波的功率密度疊加，無需考慮電磁波的相位關(guān)系。

2.3 陸地微波遙感

微波輻射計(jì)能獲取的陸地環(huán)境參數(shù)主要是土壤濕度和雪覆蓋。

2.3.1 土壤濕度

對(duì)土壤水分的觀測(cè)主要是利用微波遙感對(duì)水分(土壤介電常數(shù))變化有較高的敏感性，根據(jù)介電常數(shù)隨土壤中液態(tài)水含量的變化形成微波輻射亮溫的變化來反演濕度信息。由于L頻段微波頻率對(duì)云雨、植被和土壤具有一定的穿透能力，且對(duì)土壤水分變化最為敏感，因此L頻段微波頻率是國(guó)際公認(rèn)的最優(yōu)土壤水分探測(cè)頻率。

2015年發(fā)射的美國(guó)SMAP衛(wèi)星搭載了1.41 GHz微波輻射計(jì)和1.22～1.3 GHz雷達(dá)。其中，輻射計(jì)可探測(cè)全部4個(gè)斯托克斯參數(shù)，空間分辨率為40 km，雷達(dá)有兩種工作模式，低分辨率成像模式的空間分辨率為10 km，高分辨率成像模式的空間分辨率為3 km。兩者共用一個(gè)直徑為6 m的可展開網(wǎng)狀天線。SMAP衛(wèi)星將輻射計(jì)和雷達(dá)(散射計(jì))數(shù)據(jù)結(jié)合，用于測(cè)量地表土壤濕度與冰凍/解凍狀態(tài)，得到全球10 km分辨率的土壤濕度產(chǎn)品，精度為±0.04 cm3/cm3[16]。

2.3.2 雪覆蓋

之所以能利用微波遙感數(shù)據(jù)獲取積雪深度、雪水當(dāng)量等積雪定量信息，主要是因?yàn)樵诜e雪覆蓋地表，積雪層的冰粒子對(duì)不同頻率的微波輻射具有不同的輻射和散射作用。

2.4 大氣環(huán)境遙感

大氣污染已成為關(guān)乎人類生存和各國(guó)發(fā)展的重大全球性問題。根據(jù)觀測(cè)角度不同，微波輻射計(jì)觀測(cè)模式可分為天底觀測(cè)模式和臨邊觀測(cè)模式兩種。其中，臨邊觀測(cè)受地表輻射影響較小，積分時(shí)間較長(zhǎng)，因此具有較高的探測(cè)精度與靈敏度。

通過分析大氣中不同成分的吸收譜線的分布可以發(fā)現(xiàn)，亞毫米波對(duì)氯化物、氮化物、氫氧根等有特殊的敏感性，而這些元素在其它頻段很難探測(cè)。在亞毫米波頻率，大氣中的許多分子有特征吸收譜線，同時(shí)，切高越高，大氣成分對(duì)探測(cè)濃度越敏感。在30～50 km切高處，濃度增加5%后，HCl、ClO和HNO3的亮溫變化分別為0.7，0.12，0.07 K。

歐洲在2001年發(fā)射的Odin衛(wèi)星上搭載了一個(gè)四頻段亞毫米波微波輻射計(jì)(SMR)，用于天文與高層大氣學(xué)研究。這是首個(gè)實(shí)現(xiàn)亞毫米波(480～580 GHz)大氣探測(cè)的星載微波臨邊探測(cè)儀。在大氣探測(cè)方面，SMR的探測(cè)目標(biāo)包括氣溫、O3、ClO、N2O、HNO3、H2O、CO、NO以及H2與O3的同位素。這些探測(cè)數(shù)據(jù)可用于研究平流層化學(xué)成分、平流層與對(duì)流層的交換過程以及中氣層化學(xué)成分[17]。

NASA在2004年發(fā)射的EOS對(duì)地觀測(cè)系列的Aura衛(wèi)星上再次搭載了微波臨邊探測(cè)儀(MLS)。MLS在UARS/MLS的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，探測(cè)頻率增加到118，190，240，640 GHz和2.5 THz，達(dá)到“太赫茲”頻段。EOS/MLS的主要科學(xué)任務(wù)是探測(cè)平流層的O3、對(duì)流層的O3與污染物、環(huán)境變化。它能探測(cè)的大氣成分包括OH、HO2、H2O、O3、HCL、ClO、HOCl、BrO、HNO3、N2O、CO、HCN、CH3CN、火山噴發(fā)的SO2以及冰云[18]。

JEM/SMILES是由日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)(JAXA)與日本國(guó)家信息與通信技術(shù)研究所(NICT)合作研發(fā)的亞毫米波臨邊探測(cè)儀，搭載在國(guó)際空間站(ISS)上的JEM模塊中，于2009年發(fā)射。在臨邊觀測(cè)模式下，SMILES通過在10～50 km切線高度范圍內(nèi)垂直掃描來觀測(cè)大氣痕量氣體。SMILES有3個(gè)探測(cè)頻段：624.32～625.52，625.12～626.32，649.12～650.32 GHz(分別對(duì)應(yīng)通帶-A，-B，-C)，用于探測(cè)O3及其兩種同位素18OOO、17OOO濃度，與臭氧層損耗相關(guān)的活性物質(zhì)HCl、ClO，以及CH3CN、HOCl、HO2、HNO、BrO等痕量氣體[19-20]。

目前，美國(guó)在研的下一代掃描微波臨邊探測(cè)儀(SMLS)是在現(xiàn)有基礎(chǔ)上結(jié)合新型掃描天線和超高時(shí)間分辨率(ms級(jí))的2個(gè)微波輻射計(jì)的組合。這2個(gè)微波輻射計(jì)將擁有超寬的頻譜段，180～280 GHz頻段主要針對(duì)對(duì)流層探測(cè)，580～680 GHz主要針對(duì)平流層探測(cè)[21]。

2.5 深空探測(cè)

在深空探測(cè)中，微波無源遙感探測(cè)同樣扮演著相當(dāng)重要的角色。1962年，美國(guó)水手2號(hào)飛船搭載雙通道微波輻射計(jì)，首次成功探測(cè)金星大氣溫度。1987年，美國(guó)再次發(fā)射先驅(qū)者1號(hào)探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)金星高層大氣觀測(cè)。ESA于2004年發(fā)射的羅塞塔彗星探測(cè)器攜帶的微波探測(cè)儀(MIRO)，不僅用于測(cè)量彗星主要?dú)怏w成分、表面放氣率和慧核物質(zhì)溫度，也用于測(cè)量小行星亞表面溫度及其周圍可能存在的氣體。正在設(shè)計(jì)和研制中的美國(guó)木星冰月探測(cè)器將搭載亞毫米波探測(cè)儀，用于探測(cè)土星和土衛(wèi)六的上層大氣和水，其工作頻段為600 GHz和1.2 THz，計(jì)劃于2022年發(fā)射。美國(guó)火星探測(cè)任務(wù)也將搭載用于探測(cè)火星大氣及火星南極冰凍水的微波輻射計(jì)。

3 國(guó)內(nèi)發(fā)展情況及技術(shù)特點(diǎn)

就我國(guó)而言，氣象微波遙感是微波無源遙感載荷發(fā)展最早、應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域。近年來，海洋微波遙感、陸地微波遙感等領(lǐng)域也呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的態(tài)勢(shì)。

3.1 氣象微波遙感

我國(guó)風(fēng)云三號(hào)(FY-3)衛(wèi)星C星是第二代極軌氣象衛(wèi)星的首發(fā)業(yè)務(wù)星，其上搭載的微波溫度計(jì)(MWTS)是一個(gè)多通道被動(dòng)微波輻射掃描計(jì)，提供 13 個(gè)探測(cè)通道，比搭載在FY-3A/B 星上的 MWTS 的4個(gè)通道更多，各通道的中心頻率都位于 50～60 GHz之間，定標(biāo)精度為1.5 K，可探測(cè)除強(qiáng)降水云外地面到大氣頂 0.2 kPa 處的大氣垂直溫度，其獲取的全球三維大氣溫度廓線數(shù)據(jù)為數(shù)值天氣預(yù)報(bào)和臺(tái)風(fēng)暴雨強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)預(yù)測(cè)分析提供重要保障[22-23]。

搭載在FY-3C星上的微波濕溫探測(cè)儀(MWHTS)具有對(duì)大氣溫度和濕度垂直分布進(jìn)行同步探測(cè)的能力。作為MWHS的升級(jí)版，MWHTS在118.75 GHz氧氣吸收譜線附近新增了8個(gè)探測(cè)通道，用于大氣溫度的垂直探測(cè)；在183.31 GHz水汽吸收譜線附近新增了2個(gè)探測(cè)通道，用于獲得更精細(xì)的大氣水汽垂直分布信息；還在89，150 GHz的大氣窗區(qū)設(shè)置了2個(gè)可用于判識(shí)降水的探測(cè)通道。各通道定標(biāo)精度均優(yōu)于2.0 K[24]。

靜止軌道氣象微波遙感能實(shí)現(xiàn)氣象參數(shù)的高頻次探測(cè)，在災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)和短臨天氣預(yù)報(bào)中起到關(guān)鍵作用。對(duì)微波無源遙感載荷而言，主要難點(diǎn)在于，其在靜止軌道上的觀測(cè)距離約為極軌的40倍，相同空間分辨率指標(biāo)要求的天線口徑高達(dá)5 m，關(guān)鍵技術(shù)涉及大口徑天線的加工、掃描以及準(zhǔn)光學(xué)饋電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

我國(guó)是世界上唯一制定靜止軌道微波氣象衛(wèi)星研制計(jì)劃并開展載荷在軌試驗(yàn)的國(guó)家。目前，我國(guó)已突破了靜止軌道波束掃描、毫米波亞毫米波準(zhǔn)光學(xué)饋電網(wǎng)絡(luò)、接收、定標(biāo)等關(guān)鍵技術(shù)；研制了微波輻射計(jì)原理樣機(jī)，通過實(shí)驗(yàn)室和外場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)；還研制了風(fēng)云四號(hào)(FY-4)衛(wèi)星微波探測(cè)試驗(yàn)載荷，完成了全球首次靜止軌道微波遙感技術(shù)驗(yàn)證和首次425 GHz頻段探測(cè)，為靜止軌道微波探測(cè)衛(wèi)星研制奠定了基礎(chǔ)。

3.2 海洋微波遙感

海洋微波遙感的主要參數(shù)包括海面溫度、海上降水、風(fēng)場(chǎng)、海水鹽度等。

FY-3衛(wèi)星搭載的微波成像儀是目前世界上唯一采用天線口面定標(biāo)的圓錐掃描體制微波輻射計(jì)，工作頻率為10.65，18.7，23.8，36.5，89.0 GHz，各頻段均為雙極化，靈敏度為0.3～0.7 K，定標(biāo)精度優(yōu)于1.2 K，已獲得的應(yīng)用產(chǎn)品包括海上大氣可降水、臺(tái)風(fēng)降水分布等。

我國(guó)正在進(jìn)行集微波溫度計(jì)、濕度計(jì)與微波成像儀功能于一體的微波無源遙感有效載荷的型號(hào)研制工作。該一體化微波成像探測(cè)儀將應(yīng)用于新一代FY-3衛(wèi)星。

海洋二號(hào)(HY-2)衛(wèi)星圓錐掃描體制微波輻射計(jì)采用饋源口面定標(biāo)，工作頻段為6～37 GHz。該載荷海洋定標(biāo)精度為2 K，陸地定標(biāo)精度為3 K。

3.3 陸地微波遙感

1) 土壤濕度

陸地微波遙感的主要參數(shù)包括土壤水分、凍融態(tài)等。國(guó)家空間基礎(chǔ)設(shè)施中已規(guī)劃了陸地水資源衛(wèi)星，它與FY-3氣象衛(wèi)星聯(lián)合應(yīng)用能滿足全球水循環(huán)變化監(jiān)測(cè)、干旱監(jiān)測(cè)與旱情預(yù)警、中長(zhǎng)期水文氣象預(yù)報(bào)、地表水資源優(yōu)化和農(nóng)林監(jiān)測(cè)與防災(zāi)減災(zāi)等需求。微波載荷L波段土壤濕度微波探測(cè)儀采用大口徑可展開天線及一維綜合孔徑與一維實(shí)孔徑復(fù)合體制，當(dāng)前正處于工程樣機(jī)研制階段。

2) 雪覆蓋

FY-3氣象衛(wèi)星具有監(jiān)測(cè)全球積雪的能力，利用其1級(jí)數(shù)據(jù)能反演積雪覆蓋、積雪深度、雪水當(dāng)量等多種積雪監(jiān)測(cè)參數(shù)和產(chǎn)品。其中，微波成像儀可提供積雪深度、雪水當(dāng)量監(jiān)測(cè)產(chǎn)品。

3.4 大氣環(huán)境遙感

我國(guó)開展了亞毫米波臨邊探測(cè)儀技術(shù)研究。該載荷探測(cè)頻段為118～640 GHz，通過模擬/數(shù)字復(fù)合細(xì)化通道方式來實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣痕量氣體的探測(cè)，是未來大氣環(huán)境遙感的方向之一。目前，我國(guó)已完成太赫茲反射面天線、準(zhǔn)光學(xué)饋電網(wǎng)絡(luò)、640 GHz接收機(jī)等關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，正開展太赫茲探測(cè)系統(tǒng)技術(shù)預(yù)先研究。

3.5 技術(shù)創(chuàng)新

我國(guó)自20世紀(jì)90年代開展神舟四號(hào)(SZ-4)飛船多模態(tài)微波遙感探測(cè)試驗(yàn)以來，已在氣象、海洋等衛(wèi)星上搭載了多臺(tái)無源微波遙感載荷，其靈敏度、探測(cè)精度指標(biāo)已與國(guó)際先進(jìn)水平相當(dāng)。在技術(shù)發(fā)展方面，我國(guó)在參考國(guó)外相關(guān)儀器產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)研制的同時(shí)，積極開拓創(chuàng)新，形成了一些獨(dú)特的技術(shù)亮點(diǎn)。

1) 118 GHz頻段星載探測(cè)技術(shù)

FY-3C星微波濕溫探測(cè)儀在118 GHz氧氣吸收譜線附近新增了8個(gè)大氣溫度廓線探測(cè)通道，全世界所有在軌微波輻射計(jì)此前均未使用過該探測(cè)頻段。在進(jìn)行大氣溫度層結(jié)探測(cè)時(shí)，118 GHz高頻微波可提供比50～60 GHz更高的空間分辨率。因此將2個(gè)頻段結(jié)合更有利于大氣溫度層結(jié)探測(cè)。118 GHz新探測(cè)頻點(diǎn)的設(shè)計(jì)能改善對(duì)流層頂附近大氣溫度廓線反演精度，提升臺(tái)風(fēng)熱力結(jié)構(gòu)的星載微波探測(cè)能力，同時(shí)提高微波濕溫探測(cè)儀對(duì)大氣濕度的探測(cè)精度[25]。

2) 圓錐掃描微波輻射計(jì)天線口面定標(biāo)技術(shù)

FY-3衛(wèi)星微波成像儀是一種固定視角、機(jī)械圓錐掃描微波輻射計(jì)，天線口徑為1 m。該儀器是世界上唯一采用天線口面定標(biāo)的圓錐掃描微波輻射計(jì)，天線反射器在每個(gè)掃描周期中會(huì)先后對(duì)準(zhǔn)熱反射鏡和冷空反射鏡。對(duì)準(zhǔn)熱反射鏡時(shí)，熱定標(biāo)輻射源的輻射通過熱反射鏡照射到天線上，對(duì)準(zhǔn)冷空反射鏡時(shí)，宇宙背景輻射通過冷空反射鏡照射到天線上，從而形成熱、冷兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)輻射溫度。在這種定標(biāo)方式下，場(chǎng)景輻射與冷熱標(biāo)準(zhǔn)輻射均經(jīng)過載荷接收全路徑，微波成像儀在軌實(shí)現(xiàn)了優(yōu)于1.2 K的定標(biāo)精度。

3) 靜止軌道微波輻射計(jì)波束掃描定標(biāo)技術(shù)

目前，世界上尚無靜止軌道微波遙感衛(wèi)星。與極軌輻射計(jì)不同，靜止軌道微波輻射計(jì)需進(jìn)行二維波束掃描。由于星下圓盤內(nèi)指定區(qū)域需要高時(shí)間分辨率探測(cè)，傳統(tǒng)逐行機(jī)械掃描方式需要整個(gè)載荷實(shí)現(xiàn)極快的運(yùn)動(dòng)速度，因此這將給平臺(tái)帶來較大量級(jí)力矩干擾，使平臺(tái)無法補(bǔ)償。我國(guó)已在“十一五”至“十二五”期間開展的地球靜止軌道微波輻射計(jì)技術(shù)研究中，設(shè)計(jì)了載荷整體二維慢運(yùn)動(dòng)與天線部件一維快運(yùn)動(dòng)相結(jié)合的波束掃描方式，同時(shí)利用天線波束掃描部件的圓周運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了在場(chǎng)景、冷、熱定標(biāo)源之間的觀測(cè)切換與秒級(jí)周期定標(biāo)；研制了微波輻射計(jì)樣機(jī)，并通過實(shí)驗(yàn)室和外場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證了這種波束掃描技術(shù)，該技術(shù)未來將應(yīng)用于靜止軌道微波氣象衛(wèi)星。

4 無源微波有效載荷發(fā)展趨勢(shì)

4.1 氣象微波遙感有效載荷發(fā)展趨勢(shì)

氣象微波遙感有效載荷發(fā)展如圖5所示。

1) 氣象微波遙感從定性應(yīng)用向定量應(yīng)用發(fā)展

國(guó)家衛(wèi)星氣象中心許健民院士指出：“要不遺余力地提高氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)定標(biāo)的質(zhì)量，要不遺余力地提高氣象衛(wèi)星空間段的觀測(cè)質(zhì)量，要不遺余力地提高氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)定位的質(zhì)量！”

提高觀測(cè)數(shù)據(jù)和定量產(chǎn)品的質(zhì)量，是中國(guó)氣象微波遙感有效載荷的歷史機(jī)遇。歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心將AMSU-A進(jìn)入其數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)的門檻誤差設(shè)為0.2 K，除非衛(wèi)星載荷數(shù)據(jù)質(zhì)量?jī)?yōu)于這個(gè)門檻，否則無法進(jìn)入其同化系統(tǒng)。

2) 氣象微波遙感從單一功能產(chǎn)品向多功能一體化產(chǎn)品發(fā)展

利用不同氧氣吸收譜線的通道進(jìn)行溫度探測(cè)，3個(gè)探測(cè)頻段各有其優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)行組合探測(cè)能實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提高探測(cè)性能：

(a) 就探測(cè)大氣溫度廓線而言，54 GHz頻段最優(yōu)，在30 kPa(對(duì)應(yīng)高度約為9 km)附近精度最高，其次是118 GHz，425 GHz頻段對(duì)低層大氣的探測(cè)性能明顯變差。

(b) 對(duì)高于25 kPa(對(duì)應(yīng)高度約為10 km)的上層大氣反演精度需求較高，通過多頻段組合能提高大氣溫度探測(cè)精度。在35 kPa以下高度，54，118 GHz頻率組合的性能要優(yōu)于118，425 GHz頻率組合。

(c) 當(dāng)54，118，425 GHz這3個(gè)頻段組合探測(cè)時(shí)，在很寬的中高層范圍內(nèi)，大氣溫度探測(cè)精度優(yōu)于1.5 K。

大氣濕度探測(cè)通道有118 GHz+183 GHz和380 GHz+425 GHz兩種：

(a) 在40 kPa(對(duì)應(yīng)高度約為8 km)以下，183，118 GHz頻段組合的反演精度較好；

(b) 在40 kPa以上，340/380，425 GHz頻段組合的反演精度較好；

兩者結(jié)合可在對(duì)流層達(dá)到5%的反演精度，且能實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提高探測(cè)性能。

FY-3C星上搭載的MWHTS在89～191 GHz有15個(gè)探測(cè)通道，其中包括118.75 GHz氧氣吸收譜線附近的8個(gè)大氣溫度探測(cè)通道和183.31 GHz水汽吸收譜線附近的5個(gè)大氣濕度探測(cè)通道。這組通道與183.31 GHz通道對(duì)大氣進(jìn)行聯(lián)合探測(cè)，獲得了更加精細(xì)的大氣溫濕度垂直分布數(shù)據(jù)，為數(shù)值預(yù)報(bào)和氣候研究提供了豐富信息。

3) 氣象微波遙感應(yīng)用從日常天氣預(yù)報(bào)向?yàn)?zāi)害性天氣預(yù)報(bào)發(fā)展

氣象微波遙感將更關(guān)注云雨大氣溫濕度廓線和云內(nèi)部三維溫濕度結(jié)構(gòu)信息，更關(guān)注臺(tái)風(fēng)、暴雨、強(qiáng)對(duì)流等災(zāi)害性天氣系統(tǒng)的降水結(jié)構(gòu)及其變化，更關(guān)注與有限區(qū)域數(shù)值天氣預(yù)報(bào)相關(guān)的理想的初始場(chǎng)信息。

4.2 海洋與陸地微波遙感有效載荷發(fā)展趨勢(shì)

海洋與陸地微波遙感有效載荷發(fā)展如圖6所示。

1) 海洋與陸地微波遙感從傳統(tǒng)的實(shí)孔徑體制和經(jīng)典的二維綜合孔徑體制向混合體制發(fā)展

為提高無源微波遙感的空間分辨率，采用一維實(shí)孔徑和一維綜合孔徑的混合體制。一維實(shí)孔徑可提高空間分辨率；一維綜合孔徑可實(shí)現(xiàn)天線波束的電掃描，從而解決大口徑天線反射面機(jī)械掃描的撓性，定標(biāo)難度和相關(guān)處理運(yùn)算量較二維綜合孔徑大幅降低。

2) 海洋與陸地微波遙感向主被動(dòng)一體化方向發(fā)展

微波遙感載荷將集無源探測(cè)和有源探測(cè)為一體，通過同時(shí)同源數(shù)據(jù)融合來滿足全球高分辨率土壤濕度探測(cè)、全球土壤凍融態(tài)探測(cè)和全球植被覆蓋探測(cè)的需求。

4.3 大氣環(huán)境與深空探測(cè)微波遙感有效載荷發(fā)展趨勢(shì)

大氣環(huán)境與深空探測(cè)微波遙感有效載荷發(fā)展如圖7和圖8所示,呈現(xiàn)出以下發(fā)展趨勢(shì)。

1) 大氣環(huán)境與深空探測(cè)微波遙感探測(cè)頻段從微波、毫米波向亞毫米波、太赫茲方向發(fā)展，最高頻段為2 500 GHz；

2) 大氣環(huán)境與深空探測(cè)微波遙感探測(cè)通道向高光譜方向發(fā)展，通道數(shù)從幾十向幾百甚至幾千發(fā)展；

3) 大氣環(huán)境與深空探測(cè)微波遙感探測(cè)從常溫接收向低溫超導(dǎo)接收方向發(fā)展。

4.4 無源微波遙感儀器技術(shù)發(fā)展

無源微波遙感儀器一般由天線、饋電網(wǎng)絡(luò)、接收、定標(biāo)、信息處理等重要部分組成。為滿足不斷提高的時(shí)間分辨率、空間分辨率、靈敏度和定標(biāo)精度要求，載荷儀器各組成部分的相關(guān)技術(shù)也在不斷發(fā)展。

在天線技術(shù)方面，載荷頻段的提升對(duì)天線反射面型面精度提出了越來越高的要求，400～600 GHz頻段需達(dá)到10～15 μm(RMS)級(jí)精度，1 THz以上頻段需達(dá)到納米級(jí)精度。為達(dá)到要求，一方面不斷提升天線反射面模具制造精度和碳纖維復(fù)合材料成型精度，并探索了碳纖維表面二次加工等技術(shù)；另一方面采用了可加工性更好的碳化硅材料來進(jìn)一步提升型面制造精度。隨著天線口徑的增加，部分載荷天線尺寸超出整流罩尺寸。為解決這一問題，發(fā)展了高精度可展開天線技術(shù)。天線在發(fā)射階段折疊，入軌后再展開到位，滿足了精度要求，保證了在軌高分辨率的實(shí)現(xiàn)。

在饋電網(wǎng)絡(luò)方面，由于載荷集多種功能于一體，因此饋電網(wǎng)絡(luò)需實(shí)現(xiàn)多頻段復(fù)合。饋電網(wǎng)絡(luò)從原先的單饋源形式發(fā)展為多頻段饋源陣列形式，同時(shí)保證了各頻段空間分辨率、主波束效率、交叉極化、通道配準(zhǔn)等技術(shù)指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。圓錐掃描微波輻射計(jì)多采用此形式。隨著頻段的提升與復(fù)合數(shù)量的增加，準(zhǔn)光學(xué)饋電網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也得到發(fā)展，通過頻率選擇表面、極化柵網(wǎng)等部件來進(jìn)行頻段、極化分離，實(shí)現(xiàn)低損耗、低波束畸變傳輸。準(zhǔn)光學(xué)饋電網(wǎng)絡(luò)已逐步應(yīng)用于毫米波及太赫茲微波輻射計(jì)。

在接收方面，傳統(tǒng)的接收系統(tǒng)采用肖特基二極管進(jìn)行下變頻，采用耿式振蕩器產(chǎn)生本振信號(hào)并通過肖特基變?nèi)荻O管來進(jìn)行倍頻。由于高靈敏度帶來了低噪聲要求，加之頻段不斷提升，因此一些新型技術(shù)在近年來得到發(fā)展。InP HEMT器件可在高頻段提供理想的噪聲性能，美國(guó)研制的相關(guān)接收系統(tǒng)已在軌應(yīng)用。歐洲發(fā)展的MHEMT MMIC技術(shù)可實(shí)現(xiàn)與InP HEMT器件相同的性能，但仍需解決高標(biāo)準(zhǔn)、大批量生產(chǎn)問題。此外，通過低溫制冷可降低接收機(jī)噪聲溫度，超導(dǎo)HEB(hot electron bolometer)熱電子混頻技術(shù)是亞毫米波至遠(yuǎn)紅外波段最為靈敏的微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)，已應(yīng)用于ESA的赫歇爾望遠(yuǎn)鏡；采用高質(zhì)量Nb超導(dǎo)SIS(superconductor-insulator-superconductor)雙子結(jié)也可大幅提高靈敏度，500 GHz混頻器帶寬100 GHz，噪聲溫度優(yōu)于130 K，860 GHz混頻器帶寬160 GHz，噪聲溫度優(yōu)于210 K。

在定標(biāo)方面，微波輻射計(jì)在發(fā)展初期多采用內(nèi)定標(biāo)方式，隨著頻段和定標(biāo)精度要求的提高，星載儀器多采用外定標(biāo)方式進(jìn)行定標(biāo)，研制高發(fā)射率材料錐型陣列形式的熱定標(biāo)輻射源，并通過反射宇宙冷空背景輻射形成冷定標(biāo)輻射源，共同實(shí)現(xiàn)兩點(diǎn)定標(biāo)。隨著21世紀(jì)綜合孔徑輻射計(jì)、微小型輻射計(jì)的出現(xiàn)和微電子技術(shù)的發(fā)展，各類微波輻射計(jì)根據(jù)自身特點(diǎn)選擇形式各異的定標(biāo)方式。內(nèi)定標(biāo)、外定標(biāo)、內(nèi)外結(jié)合定標(biāo)等形式在不同類型的遙感儀器中得到應(yīng)用。隨著定標(biāo)源發(fā)射率等要求的不斷提升，圓錐腔體等形式的定標(biāo)源也逐步得到發(fā)展。國(guó)際空間站上搭載的SMILES臨邊探測(cè)儀采用圓錐腔體的高精度定標(biāo)源，其后項(xiàng)散射小于-60 dB。

5 國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況對(duì)比

自20世紀(jì)60年代起，世界各國(guó)開始了星載微波無源遙感載荷的研制工作。目前，已有數(shù)十顆微波無源遙感載荷衛(wèi)星在軌運(yùn)行，最大口徑為1.8 m，單載荷頻段覆蓋范圍達(dá)6～183 GHz，可實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣、海洋、陸地的綜合觀測(cè)。

我國(guó)已發(fā)射的微波無源遙感載荷包括FY-3衛(wèi)星上的微波溫度計(jì)、微波濕度計(jì)和微波成像儀，HY-2衛(wèi)星上的微波輻射計(jì)和校正輻射計(jì)，SZ-4飛船上的微波輻射計(jì)以及嫦娥一號(hào)(CE-1)衛(wèi)星上的微波輻射計(jì)，最高頻率達(dá)183 GHz。其中，F(xiàn)Y-3總通道數(shù)為38個(gè)。預(yù)研的微波輻射計(jì)包括靜止軌道毫米波亞毫米波探測(cè)儀、L波段綜合孔徑微波輻射計(jì)和多通道掃描微波成像探測(cè)儀，最高頻率達(dá)425 GHz，最大天線口徑達(dá)10 m。

從發(fā)展現(xiàn)狀來看，我國(guó)在微波無源遙感載荷領(lǐng)域已從跟跑狀態(tài)到并跑狀態(tài)，在靜止軌道微波無源遙感等個(gè)別方向已處于領(lǐng)跑狀態(tài)。具體如下：

1) 在氣象微波遙感方面，一是研制毫米波亞毫米波探測(cè)有效載荷，在50～425 GHz頻段基礎(chǔ)上不斷擴(kuò)展，應(yīng)用于新一代靜止軌道風(fēng)云氣象衛(wèi)星，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平；二是在測(cè)溫、測(cè)濕和成像一體化的技術(shù)上，增加全極化功能，研制6.9～183 GHz全頻段、全極化、一體化微波探測(cè)儀，達(dá)到世界先進(jìn)水平，應(yīng)用于新一代低軌風(fēng)云氣象衛(wèi)星系列；三是針對(duì)中高層冰云探測(cè)的空白，研制183～664 GHz太赫茲冰云探測(cè)儀，達(dá)到世界先進(jìn)水平，應(yīng)用于新一代低軌風(fēng)云氣象衛(wèi)星系列。

2) 在海洋與陸地微波遙感方面，研制L波段土壤濕度微波探測(cè)儀，實(shí)現(xiàn)定量化遙感，獲取全球高空間分辨率與高探測(cè)精度的土壤濕度、冰凍/解凍狀態(tài)以及水體的水質(zhì)與水量等信息，達(dá)到世界先進(jìn)水平，應(yīng)用于陸地水資源探測(cè)衛(wèi)星。

3) 在大氣環(huán)境微波遙感方面，研制118～640 GHz亞毫米波臨邊探測(cè)儀，頻段向太赫茲擴(kuò)展，達(dá)到世界先進(jìn)水平，應(yīng)用于大氣成分探測(cè)衛(wèi)星。

6 結(jié)束語

綜上所述，我國(guó)微波無源遙感載荷在氣象、海洋、陸地、大氣環(huán)境等領(lǐng)域均呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展的趨勢(shì)，在靜止軌道微波遙感方向已達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。但我國(guó)微波無源遙感載荷在深空探測(cè)等方面仍處于空白；靜止軌道毫米波亞毫米波探測(cè)儀、L波段土壤濕度微波探測(cè)儀、太赫茲冰云探測(cè)儀等載荷仍處于研制攻關(guān)階段，尚待星載應(yīng)用；大口徑、高頻、主被動(dòng)一體化、深空探測(cè)、多星組網(wǎng)等是微波無源遙感的后續(xù)發(fā)展方向。這就要求大口徑可展開天線反射面、太赫茲接收機(jī)、干涉式接收與定標(biāo)等技術(shù)向指標(biāo)更高、成熟度更高的方向發(fā)展，同時(shí)開展亞毫米波金星大氣探測(cè)儀、多頻段厘米波木星探測(cè)儀等載荷相關(guān)技術(shù)攻關(guān)，推動(dòng)我國(guó)微波無源遙感有效載荷領(lǐng)域進(jìn)一步發(fā)展，更好地滿足各領(lǐng)域的高指標(biāo)應(yīng)用需求。

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