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、空間科學載荷等，其中遙感載荷又分為光學遙感載荷與微波遙感載荷。微波遙感是20世紀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)是其中發(fā)展最早、最成熟的子領(lǐng)域，也是當前衛(wèi)星有效載荷的重要分支。微波輻射計的云雨穿透性、全天候探測能力和對海洋與地表內(nèi)部的探測能力，使其在氣象、海洋、陸地、大氣環(huán)境和深空探測等領(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。微波輻射計是測量物質(zhì)輻射功率的高靈敏接收系統(tǒng)，具有系統(tǒng)簡單，質(zhì)量輕和功耗小的特點。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應(yīng)用領(lǐng)域取得了令人矚目的成果。

2 國外發(fā)展歷程及技術(shù)特點分析

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

氧氣是大氣中唯一含量穩(wěn)定且有較強吸收譜線的成分，可用于測量大氣溫度。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頻段，通過氧氣吸收頻段的細化通道可探測大氣溫度廓線的三維立體分層。

美國A型先進微波探測器(AMSU-A)是對美國天氣預(yù)報貢獻最大的微波無源遙感有效載荷，于1998年5月隨NOAA-15進入軌道運行。AMSU-A代替了之前的MSU和SSU微波輻射計，用于測量距地表50 km高度內(nèi)的大氣溫度分布，溫度分辨率達0.25～1.2 K。AMSU-A是全功率毫米波微波輻射計，觀測在觀測頻帶內(nèi)從地球表面和大氣輻射的微波能量，通過交軌掃描15個頻率通道對場景的輻射能量進行測量[2]。

俄羅斯在空間站和對地觀測衛(wèi)星上也搭載了多個微波輻射計，最先進的是大氣溫度探測微波輻射計(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是一個多通道微波輻射計，與NASA的AMSU相似，用于探測陸地表面、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。它的觀測頻率為18.7～183 GHz，有26個探測通道[3]。

2.1.2 濕度探測

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

2011年，美國發(fā)射了“極軌氣象衛(wèi)星系統(tǒng)”(JPSS)首個運行的Suomi-NPP衛(wèi)星，上面搭載的先進技術(shù)微波探測儀(ATMS)是一個全功率式跨軌道微波探測儀，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23.8～183.3 GHz之間的22個頻率的地表和大氣微波輻射，其中通道1～15為低頻探測通道(23～57 GHz)，主要用于探測大氣溫度廓線，通道16～22為高頻探測通道(88～183 GHz)，主要用于探測大氣濕度廓線[5-6]。ATMS利用額外的探測通道和更寬的掃描范圍來更精確地測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量。當大氣中液態(tài)與固態(tài)水粒子尺度同探測頻段波長相當時，輻射測量的主要貢獻是米氏散射，由此導(dǎo)致的亮溫變化最大，因此對與探測頻段波長同等量級的冰水粒子最敏感。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，能探測下層大粒子，高頻對上層小粒子更敏感。因此，在完成溫度探測的同時，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的地面設(shè)備。微波濕度探測儀(MHS)是MetOp衛(wèi)星的主要有效載荷之一，由ESA獨立研制，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

美國設(shè)計研制的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，集測溫、測濕與成像功能于一體。微波成像探測儀CMIS在6～183 GHz之間分為9個頻段，共有77個主要通道和17個備份通道，配有16個饋源，其中12個饋源安裝在低頻段(6～89 GHz)反射面天線上，4個饋源安裝在高頻段(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，微波輻射計通過測量海洋表面的亮溫來獲取海面溫度、風場、海鹽、海冰等信息，為海洋科學研究提供寶貴的數(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、海面風場、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

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

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

2.2.3 海洋鹽度

在消除溫度與風場影響后，可由亮溫變化反演獲得鹽度信息。鹽度探測需要一定的探測深度，通常采用L頻段1.4 GHz的大氣窗口頻率，1.4 GHz的V極化對海洋鹽度的探測靈敏度為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衛(wèi)星(SMOS)，其上搭載了世界上首個極軌二維綜合孔徑干涉式輻射計(MIRAS)。MIRAS可觀測大范圍、多角度的極化亮溫。SMOS任務(wù)的主要目標之一是提供有一定精度、靈敏度、空間分辨率、空間范圍和時間覆蓋范圍的海洋鹽度分布圖。SMOS測量海洋鹽度精度有以下兩個目標：

1) 海洋鹽度精度為0.5～1.5 K/psu(單次測量)，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，目前測量模式為全極化測量[11-12]。

2011年，美國和阿根廷聯(lián)合發(fā)射了SAC-D衛(wèi)星，衛(wèi)星主載荷為Aquarius主被動聯(lián)合探測儀，包括一個1.41 GHz輻射計和一個1.26 GHz散射計，其主要科學目標是監(jiān)測公開海域海洋表面鹽度場的季節(jié)和年際的大尺度特征變化[13]。Aquarius包括一個2.5 m的反射面天線，3個饋源喇叭對應(yīng)3個獨立的波束，天線和饋源由輻射計和散射計共用。3個波束的對地入射角分別為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

微波輻射計利用海水與海冰亮溫的不同實現(xiàn)區(qū)分，通過反演表面溫度來監(jiān)測海冰的季節(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)的空間波長比電磁波波長小得多且介質(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

對土壤水分的觀測主要是利用微波遙感對水分(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頻段微波頻率對云雨、植被和土壤具有一定的穿透能力，且對土壤水分變化最為敏感，因此L頻段微波頻率是國際公認的最優(yōu)土壤水分探測頻率。

2015年發(fā)射的美國SMAP衛(wèi)星搭載了1.41 GHz微波輻射計和1.22～1.3 GHz雷達。其中，輻射計可探測全部4個斯托克斯參數(shù)，空間分辨率為40 km，雷達有兩種工作模式，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。兩者共用一個直徑為6 m的可展開網(wǎng)狀天線。SMAP衛(wèi)星將輻射計和雷達(散射計)數(shù)據(jù)結(jié)合，用于測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、雪水當量等積雪定量信息，主要是因為在積雪覆蓋地表，積雪層的冰粒子對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)乎人類生存和各國發(fā)展的重大全球性問題。根據(jù)觀測角度不同，微波輻射計觀測模式可分為天底觀測模式和臨邊觀測模式兩種。其中，臨邊觀測受地表輻射影響較小，積分時間較長，因此具有較高的探測精度與靈敏度。

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。在亞毫米波頻率，大氣中的許多分子有特征吸收譜線，同時，切高越高，大氣成分對探測濃度越敏感。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)星上搭載了一個四頻段亞毫米波微波輻射計(SMR)，用于天文與高層大氣學研究。這是首個實現(xiàn)亞毫米波(480～580 GHz)大氣探測的星載微波臨邊探測儀。在大氣探測方面，SMR的探測目標包括氣溫、O3、ClO、N2O、HNO3、H2O、CO、NO以及H2與O3的同位素。這些探測數(shù)據(jù)可用于研究平流層化學成分、平流層與對流層的交換過程以及中氣層化學成分[17]。

NASA在2004年發(fā)射的EOS對地觀測系列的Aura衛(wèi)星上再次搭載了微波臨邊探測儀(MLS)。MLS在UARS/MLS的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，探測頻率增加到118，190，240，640 GHz和2.5 THz，達到“太赫茲”頻段。EOS/MLS的主要科學任務(wù)是探測平流層的O3、對流層的O3與污染物、環(huán)境變化。它能探測的大氣成分包括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)機構(gòu)(JAXA)與日本國家信息與通信技術(shù)研究所(NICT)合作研發(fā)的亞毫米波臨邊探測儀，搭載在國際空間站(ISS)上的JEM模塊中，于2009年發(fā)射。在臨邊觀測模式下，SMILES通過在10～50 km切線高度范圍內(nèi)垂直掃描來觀測大氣痕量氣體。SMILES有3個探測頻段：624.32～625.52，625.12～626.32，649.12～650.32 GHz(分別對應(yīng)通帶-A，-B，-C)，用于探測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，美國在研的下一代掃描微波臨邊探測儀(SMLS)是在現(xiàn)有基礎(chǔ)上結(jié)合新型掃描天線和超高時間分辨率(ms級)的2個微波輻射計的組合。這2個微波輻射計將擁有超寬的頻譜段，180～280 GHz頻段主要針對對流層探測，580～680 GHz主要針對平流層探測[21]。

2.5 深空探測

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

3 國內(nèi)發(fā)展情況及技術(shù)特點

就我國而言，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。

3.1 氣象微波遙感

我國風云三號(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(MWTS)是一個多通道被動微波輻射掃描計，提供 13 個探測通道，比搭載在FY-3A/B 星上的 MWTS 的4個通道更多，各通道的中心頻率都位于 50～60 GHz之間，定標精度為1.5 K，可探測除強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)報和臺風暴雨強對流天氣系統(tǒng)預(yù)測分析提供重要保障[22-23]。

搭載在FY-3C星上的微波濕溫探測儀(MWHTS)具有對大氣溫度和濕度垂直分布進行同步探測的能力。作為MWHS的升級版，MWHTS在118.75 GHz氧氣吸收譜線附近新增了8個探測通道，用于大氣溫度的垂直探測；在183.31 GHz水汽吸收譜線附近新增了2個探測通道，用于獲得更精細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個可用于判識降水的探測通道。各通道定標精度均優(yōu)于2.0 K[24]。

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

我國是世界上唯一制定靜止軌道微波氣象衛(wèi)星研制計劃并開展載荷在軌試驗的國家。目前，我國已突破了靜止軌道波束掃描、毫米波亞毫米波準光學饋電網(wǎng)絡(luò)、接收、定標等關(guān)鍵技術(shù)；研制了微波輻射計原理樣機，通過實驗室和外場試驗驗證了系統(tǒng)設(shè)計；還研制了風云四號(FY-4)衛(wèi)星微波探測試驗載荷，完成了全球首次靜止軌道微波遙感技術(shù)驗證和首次425 GHz頻段探測，為靜止軌道微波探測衛(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、風場、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的圓錐掃描體制微波輻射計，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、臺風降水分布等。

我國正在進行集微波溫度計、濕度計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研制工作。該一體化微波成像探測儀將應(yīng)用于新一代FY-3衛(wèi)星。

海洋二號(HY-2)衛(wèi)星圓錐掃描體制微波輻射計采用饋源口面定標，工作頻段為6～37 GHz。該載荷海洋定標精度為2 K，陸地定標精度為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、干旱監(jiān)測與旱情預(yù)警、中長期水文氣象預(yù)報、地表水資源優(yōu)化和農(nóng)林監(jiān)測與防災(zāi)減災(zāi)等需求。微波載荷L波段土壤濕度微波探測儀采用大口徑可展開天線及一維綜合孔徑與一維實孔徑復(fù)合體制，當前正處于工程樣機研制階段。

2) 雪覆蓋

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

3.4 大氣環(huán)境遙感

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

3.5 技術(shù)創(chuàng)新

我國自20世紀90年代開展神舟四號(SZ-4)飛船多模態(tài)微波遙感探測試驗以來，已在氣象、海洋等衛(wèi)星上搭載了多臺無源微波遙感載荷，其靈敏度、探測精度指標已與國際先進水平相當。在技術(shù)發(fā)展方面，我國在參考國外相關(guān)儀器產(chǎn)品進行設(shè)計研制的同時，積極開拓創(chuàng)新，形成了一些獨特的技術(shù)亮點。

1) 118 GHz頻段星載探測技術(shù)

FY-3C星微波濕溫探測儀在118 GHz氧氣吸收譜線附近新增了8個大氣溫度廓線探測通道，全世界所有在軌微波輻射計此前均未使用過該探測頻段。在進行大氣溫度層結(jié)探測時，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個頻段結(jié)合更有利于大氣溫度層結(jié)探測。118 GHz新探測頻點的設(shè)計能改善對流層頂附近大氣溫度廓線反演精度，提升臺風熱力結(jié)構(gòu)的星載微波探測能力，同時提高微波濕溫探測儀對大氣濕度的探測精度[25]。

2) 圓錐掃描微波輻射計天線口面定標技術(shù)

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

3) 靜止軌道微波輻射計波束掃描定標技術(shù)

目前，世界上尚無靜止軌道微波遙感衛(wèi)星。與極軌輻射計不同，靜止軌道微波輻射計需進行二維波束掃描。由于星下圓盤內(nèi)指定區(qū)域需要高時間分辨率探測，傳統(tǒng)逐行機械掃描方式需要整個載荷實現(xiàn)極快的運動速度，因此這將給平臺帶來較大量級力矩干擾，使平臺無法補償。我國已在“十一五”至“十二五”期間開展的地球靜止軌道微波輻射計技術(shù)研究中，設(shè)計了載荷整體二維慢運動與天線部件一維快運動相結(jié)合的波束掃描方式，同時利用天線波束掃描部件的圓周運動，實現(xiàn)了在場景、冷、熱定標源之間的觀測切換與秒級周期定標；研制了微波輻射計樣機，并通過實驗室和外場試驗驗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

4.1 氣象微波遙感有效載荷發(fā)展趨勢

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)定標的質(zhì)量，要不遺余力地提高氣象衛(wèi)星空間段的觀測質(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！”

提高觀測數(shù)據(jù)和定量產(chǎn)品的質(zhì)量，是中國氣象微波遙感有效載荷的歷史機遇。歐洲中期天氣預(yù)報中心將AMSU-A進入其數(shù)值預(yù)報系統(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)量優(yōu)于這個門檻，否則無法進入其同化系統(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行溫度探測，3個探測頻段各有其優(yōu)缺點，進行組合探測能實現(xiàn)優(yōu)勢互補，提高探測性能：

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

(b) 對高于25 kPa(對應(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54，118，425 GHz這3個頻段組合探測時，在很寬的中高層范圍內(nèi)，大氣溫度探測精度優(yōu)于1.5 K。

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

(a) 在40 kPa(對應(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)合可在對流層達到5%的反演精度，且能實現(xiàn)優(yōu)勢互補，提高探測性能。

FY-3C星上搭載的MWHTS在89～191 GHz有15個探測通道，其中包括118.75 GHz氧氣吸收譜線附近的8個大氣溫度探測通道和183.31 GHz水汽吸收譜線附近的5個大氣濕度探測通道。這組通道與183.31 GHz通道對大氣進行聯(lián)合探測，獲得了更加精細的大氣溫濕度垂直分布數(shù)據(jù)，為數(shù)值預(yù)報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)報向災(zāi)害性天氣預(yù)報發(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)注臺風、暴雨、強對流等災(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)報相關(guān)的理想的初始場信息。

4.2 海洋與陸地微波遙感有效載荷發(fā)展趨勢

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，采用一維實孔徑和一維綜合孔徑的混合體制。一維實孔徑可提高空間分辨率；一維綜合孔徑可實現(xiàn)天線波束的電掃描，從而解決大口徑天線反射面機械掃描的撓性，定標難度和相關(guān)處理運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一體化方向發(fā)展

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

4.3 大氣環(huán)境與深空探測微波遙感有效載荷發(fā)展趨勢

大氣環(huán)境與深空探測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。

1) 大氣環(huán)境與深空探測微波遙感探測頻段從微波、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)境與深空探測微波遙感探測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)境與深空探測微波遙感探測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、信息處理等重要部分組成。為滿足不斷提高的時間分辨率、空間分辨率、靈敏度和定標精度要求，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頻段需達到10～15 μm(RMS)級精度，1 THz以上頻段需達到納米級精度。為達到要求，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，同時保證了各頻段空間分辨率、主波束效率、交叉極化、通道配準等技術(shù)指標的實現(xiàn)。圓錐掃描微波輻射計多采用此形式。隨著頻段的提升與復(fù)合數(shù)量的增加，準光學饋電網(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)等部件來進行頻段、極化分離，實現(xiàn)低損耗、低波束畸變傳輸。準光學饋電網(wǎng)絡(luò)已逐步應(yīng)用于毫米波及太赫茲微波輻射計。

在接收方面，傳統(tǒng)的接收系統(tǒng)采用肖特基二極管進行下變頻，采用耿式振蕩器產(chǎn)生本振信號并通過肖特基變?nèi)荻O管來進行倍頻。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)可實現(xiàn)與InP HEMT器件相同的性能，但仍需解決高標準、大批量生產(chǎn)問題。此外，通過低溫制冷可降低接收機噪聲溫度，超導(dǎo)HEB(hot electron bolometer)熱電子混頻技術(shù)是亞毫米波至遠紅外波段最為靈敏的微弱信號檢測技術(shù)，已應(yīng)用于ESA的赫歇爾望遠鏡；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。

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

5 國內(nèi)外發(fā)展情況對比

自20世紀60年代起，世界各國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)星在軌運行，最大口徑為1.8 m，單載荷頻段覆蓋范圍達6～183 GHz，可實現(xiàn)對大氣、海洋、陸地的綜合觀測。

我國已發(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、微波濕度計和微波成像儀，HY-2衛(wèi)星上的微波輻射計和校正輻射計，SZ-4飛船上的微波輻射計以及嫦娥一號(CE-1)衛(wèi)星上的微波輻射計，最高頻率達183 GHz。其中，F(xiàn)Y-3總通道數(shù)為38個。預(yù)研的微波輻射計包括靜止軌道毫米波亞毫米波探測儀、L波段綜合孔徑微波輻射計和多通道掃描微波成像探測儀，最高頻率達425 GHz，最大天線口徑達10 m。

從發(fā)展現(xiàn)狀來看，我國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有效載荷，在50～425 GHz頻段基礎(chǔ)上不斷擴展，應(yīng)用于新一代靜止軌道風云氣象衛(wèi)星，達到國際領(lǐng)先水平；二是在測溫、測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、一體化微波探測儀，達到世界先進水平，應(yīng)用于新一代低軌風云氣象衛(wèi)星系列；三是針對中高層冰云探測的空白，研制183～664 GHz太赫茲冰云探測儀，達到世界先進水平，應(yīng)用于新一代低軌風云氣象衛(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儀，實現(xiàn)定量化遙感，獲取全球高空間分辨率與高探測精度的土壤濕度、冰凍/解凍狀態(tài)以及水體的水質(zhì)與水量等信息，達到世界先進水平，應(yīng)用于陸地水資源探測衛(wèi)星。

3) 在大氣環(huán)境微波遙感方面，研制118～640 GHz亞毫米波臨邊探測儀，頻段向太赫茲擴展，達到世界先進水平，應(yīng)用于大氣成分探測衛(wèi)星。

6 結(jié)束語

綜上所述，我國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，在靜止軌道微波遙感方向已達到國際領(lǐng)先水平。但我國微波無源遙感載荷在深空探測等方面仍處于空白；靜止軌道毫米波亞毫米波探測儀、L波段土壤濕度微波探測儀、太赫茲冰云探測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、主被動一體化、深空探測、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、干涉式接收與定標等技術(shù)向指標更高、成熟度更高的方向發(fā)展，同時開展亞毫米波金星大氣探測儀、多頻段厘米波木星探測儀等載荷相關(guān)技術(shù)攻關(guān)，推動我國微波無源遙感有效載荷領(lǐng)域進一步發(fā)展，更好地滿足各領(lǐng)域的高指標應(yīng)用需求。

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