呂利清，徐紅新，欒英宏

（1.上海衛(wèi)星工程研究所，上海201109；2.上海航天電子技術(shù)研究所，上海201109）

一體化微波成像探測(cè)技術(shù)發(fā)展和展望

呂利清1，徐紅新2，欒英宏2

（1.上海衛(wèi)星工程研究所，上海201109；2.上海航天電子技術(shù)研究所，上海201109）

介紹了微波成像探測(cè)技術(shù)的發(fā)展歷程及趨勢(shì)。闡述了將多種遙感目的和功能集于一體微波成像探測(cè)的優(yōu)勢(shì)和必要性。通過多頻點(diǎn)大口徑天饋、高靈敏度多通道接收及高穩(wěn)定度長(zhǎng)壽命轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)的突破，研制了一體化微波成像探測(cè)樣機(jī)。與目前在軌的風(fēng)云三號(hào)（FY－3）衛(wèi)星微波成像儀相比，最高測(cè)量頻段提高、細(xì)分通道數(shù)目增多、探測(cè)靈敏度及輻射測(cè)量精度提升，實(shí)現(xiàn)了大氣溫度廓線、大氣濕度廓線和地表成像的一體化同源觀測(cè)，在增強(qiáng)數(shù)據(jù)同化能力的同時(shí)提高了衛(wèi)星的載荷效率，可同時(shí)獲得全天時(shí)、全天候的海面風(fēng)場(chǎng)，海面溫度，海冰分布和雪覆蓋，大氣溫濕度廓線，大氣水汽和液態(tài)水分布等全球性氣象資料。對(duì)一體化微波成像探測(cè)技術(shù)的高分辨率、高頻率接收和全極化探測(cè)等發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

氣象衛(wèi)星；無源遙感；微波成像探測(cè)儀；大氣溫度廓線；大氣濕度廓線；地面成像；一體化；微波輻射計(jì)；圓錐掃描

0 引言

衛(wèi)星可從空間利用遙感技術(shù)對(duì)地球進(jìn)行觀測(cè)，能獲取非常豐富的信息，是地面及其它常規(guī)觀測(cè)手段無法比擬的。隨著氣象遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，衛(wèi)星遙感器覆蓋了從可見光、紅外到微波的較寬波段范圍?？梢姽馀c紅外波段探測(cè)用于氣象監(jiān)測(cè)，因其范圍大、分辨率高的優(yōu)點(diǎn)，成為獲取氣象遙感數(shù)據(jù)的重要信息源之一。但由于其對(duì)云和降雨的穿透性較差，所獲取的信息主要來自云層頂部，降低了獲取地表數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。與可見光和紅外探測(cè)相比，利用微波探測(cè)獲取氣象信息，具有較強(qiáng)的穿透力，能提供全天時(shí)、全天候的氣象資料［1］。微波遙感包括有源和無源兩種方式。其中無源微波遙感根據(jù)大氣輻射傳輸吸收特性基本原理，無需發(fā)射信號(hào)，通過接收目標(biāo)自身輻射的微波信號(hào)獲取目標(biāo)物理信息，是最先發(fā)展的微波遙感方式，已成為微波遙感的重要手段之一，可用于大氣微波遙感（大氣溫度、大氣濕度、降水）、海洋微波遙感（海面溫度、海面風(fēng)場(chǎng)、海水鹽度、海冰覆蓋）、陸地微波遙感（土壤濕度、雪覆蓋）、氣候與環(huán)境遙感（大氣成分、環(huán)境污染）及深空探測(cè)科學(xué)研究等多個(gè)領(lǐng)域。無源微波遙感器，也稱微波輻射計(jì)，按功能可分為探測(cè)儀（Sounder）和成像儀（Imager）兩類。探測(cè)儀通常指空間范圍的觀測(cè)，如大氣垂直廓線探測(cè)、云的分層探測(cè)、大氣成分探測(cè)等；成像儀一般是平面尺度的觀測(cè)，如海表、陸表要素成像等。隨著科技水平的提高，無源微波遙感器更新?lián)Q代的發(fā)展，一臺(tái)遙感器可實(shí)現(xiàn)集合兩種功能的能力，即一體化的微波成像探測(cè)。本文敘述了國(guó)際上微波成像探測(cè)技術(shù)的發(fā)展歷程及發(fā)展趨勢(shì)，介紹了我國(guó)該技術(shù)的現(xiàn)狀，以及自主研發(fā)微波成像探測(cè)儀的關(guān)鍵技術(shù)突破，分析了其技術(shù)先進(jìn)性及應(yīng)用實(shí)踐，并提出了未來微波成像探測(cè)技術(shù)的可能發(fā)展方向，為我國(guó)該領(lǐng)域的快速發(fā)展提供支撐。

1 微波成像探測(cè)技術(shù)發(fā)展歷程

早在20世紀(jì)40年代中期，在DICKE等利用地面微波輻射計(jì)對(duì)大氣層進(jìn)行觀測(cè)后，人們認(rèn)識(shí)到利用星載微波輻射計(jì)對(duì)地球的輻射進(jìn)行觀測(cè)是研究地球大氣層及其表面特征的有效方法。1962年，由美國(guó)發(fā)射的水手2號(hào)飛船裝載一個(gè)兩通道的微波輻射計(jì)對(duì)金星進(jìn)行了第一次成功的測(cè)量，開創(chuàng)了航天微波輻射計(jì)對(duì)星球遙感的歷史。真正利用星載微波輻射計(jì)對(duì)地球進(jìn)行觀測(cè)始于1968年，由前蘇聯(lián)發(fā)射的宇宙243衛(wèi)星搭載一個(gè)4通道微波輻射計(jì)對(duì)大氣、云層中的含水量及海面溫度，冰川覆蓋進(jìn)行了探測(cè)，取得第一手衛(wèi)星遙感資料。此后，美國(guó)、前蘇聯(lián)／俄羅斯、日本和歐洲發(fā)射了一系列裝載有微波輻射計(jì)的衛(wèi)星對(duì)地球進(jìn)行遙感。20世紀(jì)70年代美國(guó)雨云氣象試驗(yàn)衛(wèi)星上搭載的一系列微波輻射計(jì)為后期的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。這一時(shí)期的微波輻射計(jì)性能達(dá)到當(dāng)時(shí)的頂峰，多通道、雙極化機(jī)制擴(kuò)大了其應(yīng)用范圍，并在此基礎(chǔ)上針對(duì)不同的應(yīng)用需求，提出了后期發(fā)展的星載微波輻射計(jì)的各項(xiàng)具體性能指標(biāo)。近30年來，國(guó)際上最具代表性的微波輻射計(jì)包括美國(guó)海洋與大氣總署（NOAA）系列、國(guó)防氣象衛(wèi)星項(xiàng)目（DMSP）系列等。

1.1 NOAA系列衛(wèi)星微波輻射計(jì)

20世紀(jì)70年代，美國(guó)開始部署NOAA系列衛(wèi)星，其中高級(jí)微波探測(cè)單元（AMSU）是其主要有效載荷［2］。AMSU的觀測(cè)頻率23.8～183GHz，包含A1，A2，B三個(gè)獨(dú)立模塊，具有大氣垂直廓線探測(cè)和地表成像功能。

先進(jìn)技術(shù)微波探測(cè)儀（ATMS）是其后續(xù)的新一代微波輻射計(jì)，如圖1所示［3－4］。其觀測(cè)頻率23.8～183GHz，探測(cè)通道22個(gè)。AMSU的A1，A2，B模塊采用了一體化集成設(shè)計(jì)，具有可同時(shí)探測(cè)全球大氣溫、濕度廓線及地面成像功能［5］。2011年首次發(fā)射升空。

1.2 DMSP系列衛(wèi)星微波輻射計(jì)

DMSP是建立于20世紀(jì)60年代中期的美國(guó)國(guó)防部長(zhǎng)期氣象項(xiàng)目［6］。其主要遙感儀器包括：特種微波成像儀（SSM／I），頻率19～89GHz，實(shí)現(xiàn)對(duì)地表的成像觀測(cè)；特種微波溫度探測(cè)儀（SSM／T－1），頻率50～60GHz，實(shí)現(xiàn)大氣垂直溫度廓線探測(cè)；特種微波濕度探測(cè)儀（SSM／T－2），工作頻率91～183GHz，實(shí)現(xiàn)大氣垂直濕度廓線探測(cè)。

2003年10月，DMSP的F－16衛(wèi)星發(fā)射升空，攜帶了新一代的微波輻射計(jì)——特種微波成像探測(cè)儀（SSMIS）［78］。它綜合了SSM／T－1，SSM／T－2，SSM／I的功能，采用了探測(cè)成像的一體化設(shè)計(jì)，觀測(cè)頻率覆蓋19.3～183GHz，如圖2所示。

從國(guó)外發(fā)展歷程來看，為提高衛(wèi)星資源的利用率，提升氣象衛(wèi)星的性能，一體化集成設(shè)計(jì)是微波探測(cè)成像技術(shù)的發(fā)展方向。作為美國(guó)重組NOAA與DMSP系列的新項(xiàng)目，國(guó)家極地軌道任務(wù)環(huán)境衛(wèi)星系統(tǒng)（NPOESS）計(jì)劃裝載預(yù)研中的下一代微波輻射計(jì)——圓錐掃描微波成像探測(cè)器（CMIS），后因財(cái)政原因計(jì)劃重組，載荷更改為微波成像探測(cè)器（MIS），其測(cè)量頻段6.6～183GHz，通道77個(gè)，如圖3所示，可對(duì)大氣、陸表和海表進(jìn)行全天候觀測(cè)，兼有微波成像和探測(cè)功能，是目前研究的集成度最高、功能最全的氣象衛(wèi)星先進(jìn)微波輻射計(jì)［9－10］。

2 采用一體化微波成像探測(cè)的必要性

2.1 應(yīng)用需求

隨著社會(huì)的發(fā)展，對(duì)氣象觀測(cè)技術(shù)的要求也越來越高。為提高氣象業(yè)務(wù)的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率和精細(xì)化水平，需要均一性更好、時(shí)間序列更長(zhǎng)的觀測(cè)資料，這就提出了高精度、高準(zhǔn)確度的觀測(cè)要求［11］。集多種探測(cè)目的和功能于一身的一體化微波成像探測(cè)技術(shù)，可獲取目標(biāo)的綜合信息，滿足多方面的應(yīng)用需求，并且提高同源探測(cè)獲取的目標(biāo)信息精度，是開展精細(xì)化天氣預(yù)警預(yù)報(bào)、氣候預(yù)測(cè)預(yù)估及各類氣象服務(wù)的前提。

2.2 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

一體化微波成像探測(cè)技術(shù)作為先進(jìn)的氣象衛(wèi)星微波無源遙感技術(shù)，其主要優(yōu)點(diǎn)如下。

a）發(fā)展一體化微波輻射技術(shù)可避免通道重復(fù)設(shè)計(jì)，節(jié)約開支。通過集成化一體化設(shè)計(jì)，使載荷具有體積小、重量輕和功耗低的優(yōu)勢(shì)，與獨(dú)立實(shí)現(xiàn)各種功能的載荷相比顯著降低了對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)的資源需求，能提高衛(wèi)星的載荷效率。

b）通過一體化微波輻射技術(shù)獲取的數(shù)據(jù)一致性好，數(shù)據(jù)同化能力增強(qiáng)，便于數(shù)據(jù)的反演和分析使用，可獲得更多的應(yīng)用產(chǎn)品。

因此，從應(yīng)用需求和載荷技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)來說，發(fā)展一體化微波輻射技術(shù)的先進(jìn)微波無源遙感探測(cè)有其必要性。

3 我國(guó)微波成像探測(cè)技術(shù)研究與發(fā)展

3.1 風(fēng)云系列微波輻射計(jì)現(xiàn)狀

我國(guó)于20世紀(jì)90年代開始微波輻射計(jì)的研究，搭載于神舟飛船的多模態(tài)微波遙感器是我國(guó)首個(gè)微波輻射計(jì)遙感試驗(yàn)儀器。首次成功實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)化應(yīng)用目標(biāo)的是搭載于我國(guó)自行研發(fā)的FY－3第二代極軌氣象衛(wèi)星的三臺(tái)微波輻射計(jì)：微波溫度探測(cè)儀（MWTS）、微波濕度探測(cè)儀（MWHS）和微波成像儀（MWRI），為天氣預(yù)報(bào)、氣候預(yù)測(cè)及環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域提供了豐富的數(shù)據(jù)。目前已發(fā)射了FY－3A，B，C三顆衛(wèi)星，2017年計(jì)劃發(fā)射FY－3 04星。除FY－3衛(wèi)星外，嫦娥一號(hào)探測(cè)器和海洋二號(hào)衛(wèi)星上也配置了微波輻射計(jì)。微波溫度探測(cè)儀工作頻率50～60GHz，探測(cè)通道13個(gè)，其功能與DMSP的SSM／T－1相當(dāng)。微波濕度探測(cè)儀工作頻率為118，150，183.31GHz，探測(cè)通道15個(gè)，其功能與DMSP的SSM／T－2相當(dāng)。微波成像儀探測(cè)頻點(diǎn)為10.65，18.7，23.8，36.5，89GHz，通道10個(gè)，用于對(duì)地表的成像觀測(cè)，其功能與DMSP的SSM／I相當(dāng)，見表1［12－13］。

目前，我國(guó)實(shí)現(xiàn)星載應(yīng)用的被動(dòng)微波遙感儀器仍是由獨(dú)立的模塊實(shí)現(xiàn)不同的遙感功能。隨著綜合氣象觀測(cè)需求的提升，我國(guó)的集成化綜合觀測(cè)技術(shù)也在快速發(fā)展。在FY－3衛(wèi)星微波成像儀的基礎(chǔ)上，研制了一體化微波成像探測(cè)儀（EMWIS）。

3.2 一體化微波成像探測(cè)技術(shù)研究

一體化微波成像探測(cè)儀集大氣溫度探測(cè)、大氣濕度探測(cè)和地表海表成像功能合一，提升了整體觀測(cè)能力，其組成如圖4所示。其輻射測(cè)量精度、觀測(cè)靈敏度、地面分辨率和定位精度等都有改進(jìn)和提高，通過對(duì)地球表面10.65～183GHz單極化或雙極化被動(dòng)微波輻射能量的觀測(cè)，獲取海面風(fēng)場(chǎng)、陸表和海表降水、大氣可降水、云水、大氣路徑液水厚度、路徑冰水厚度、融化層高度和厚度、土壤水分、海冰、海表溫度、積雪、溫度廓線、濕度廓線等相關(guān)信息。

一體化微波成像探測(cè)儀主要技術(shù)指標(biāo)見表2、3。表3中：f0＝57.290 344GHz。

表1 SSM／I與FY－3衛(wèi)星微波成像儀參數(shù)Tab.1 Performances of SSM／I and FY－3MWRI

表2 一體化微波成像探測(cè)儀指標(biāo)1Tab.2 Major performance 1of EMWIS

考慮遙感信息應(yīng)用，為保證設(shè)計(jì)中36.5GHz通道在飛行方向的掃描連續(xù)覆蓋，150，183GHz通道在飛行方向的掃描覆蓋率大于50%，并保證成像通道的波束軸位于同一掃描線上，采用圓錐掃描方式，冷、熱定標(biāo)源由饋源口面饋電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)定標(biāo)。在軌觀測(cè)掃描如圖5所示。一體化微波成像探測(cè)儀樣機(jī)構(gòu)型如圖6所示。

SSMIS，EMWIS性能見表4。其中：地面分辨率與天線口徑有關(guān)，相同條件下，天線口徑越大，分辨率越高。由表4可知：EMWIS的技術(shù)指標(biāo)與國(guó)際先進(jìn)水平相當(dāng)或更優(yōu)。該技術(shù)的突破，可使我國(guó)的微波無源遙感技術(shù)及氣象遙感進(jìn)入世界先進(jìn)水平之列。

3.3 關(guān)鍵技術(shù)

3.3.1 多頻點(diǎn)大口徑天饋

天饋包含天線反射面和饋源組合。天饋設(shè)計(jì)需使所有觀測(cè)頻段滿足高觀測(cè)分辨率、主波束效率、極化隔離度、光路干涉的要求，并考慮系統(tǒng)定標(biāo)需求。設(shè)計(jì)指標(biāo)對(duì)微波成像探測(cè)儀系統(tǒng)主要性能指標(biāo)的影響較大，因此需首先突破多頻點(diǎn)大口徑天饋技術(shù)。

為滿足光路干涉、主波束效率及定標(biāo)等要求，經(jīng)仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定天線形式為拋物狀反射面，采用偏饋聚焦方式。根據(jù)觀測(cè)分辨率確定天線反射面有效口徑1.2m（軌道高度410km）或1.8m（軌道高度800km）。由于載荷工作頻率覆蓋10～183GHz，要求反射面形面精度高達(dá)30μm，而目前我國(guó)在軌遙感儀器30μm形面精度的反射面口徑僅200mm。采用碳纖維復(fù)合材料表面鍍層的方式，具備重量輕、熱膨脹系數(shù)小的優(yōu)勢(shì)，可使其滿足形面精度的要求。該技術(shù)的突破使大口徑高形面精度反射面技術(shù)處于國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平，為后續(xù)星載載荷選用提供了更多選擇。

表3 一體化微波成像探測(cè)儀指標(biāo)2Tab.3 Major performance 2of EMWIS

表4 SSMIS，EMWIS參數(shù)Tab.4 Performances of SSMIS and EMWIS

饋源組合包括10.65，18.7／23.8，36.5，50～60，89，150，183GHz共7組，與天線協(xié)同設(shè)計(jì)，同樣需滿足觀測(cè)分辨率、主波束效率、極化隔離度等指標(biāo)，同時(shí)考慮波導(dǎo)排布、結(jié)構(gòu)和光路干涉等問題。通過多種排布方式的對(duì)比，最終確定了高頻居中，低頻兩側(cè)，分列兩排的饋源布局方式，如圖7所示。經(jīng)仿真計(jì)算，主波束效率由原來的90%（FY－3衛(wèi)星微波成像儀）提高至95%，獲得了與國(guó)外相近的高性能指標(biāo)。

為保證儀器的安全及符合衛(wèi)星發(fā)射安裝包絡(luò)，天線反射面采用了收攏展開裝置，保存、運(yùn)輸和裝星狀態(tài)下，天線在側(cè)面收攏；工作狀態(tài)下，天線通過四連桿機(jī)構(gòu)完成展開。與現(xiàn)有FY－3衛(wèi)星微波成像儀相比，為適應(yīng)更大口徑的天線，對(duì)展開機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化：將彈簧（單只最大2.5N·m）改為恒力矩彈簧（單只2N·m），確保整個(gè)展開過程中的展開力矩不變，同時(shí)到位后仍有相對(duì)大的驅(qū)動(dòng)力矩；增加了阻尼穩(wěn)速機(jī)構(gòu)，保證了展開過程中穩(wěn)定勻速，到位沖擊??；將兩桿支撐改為多桿支撐，提高了展開后的剛度及基頻；將到位鎖定機(jī)構(gòu)的滑動(dòng)鎖定方式改為鎖鉤式鎖定，改善了鎖定剛度和可靠度。天線展開過程仿真如圖8所示，分析計(jì)算表明收攏和展開狀態(tài)均滿足動(dòng)力學(xué)要求。

3.3.2 高靈敏度多通道接收

接收子系統(tǒng)對(duì)接收的微波輻射信號(hào)進(jìn)行放大、積分、檢波等處理，將信號(hào)轉(zhuǎn)換為視頻信號(hào)輸出。一體化微波成像探測(cè)儀接收子系統(tǒng)覆蓋10.65～183GHz。接收機(jī)是微波成像探測(cè)儀的核心單元模塊之一，其噪聲性能和穩(wěn)定度直接影響微波成像探測(cè)儀的靈敏度和定標(biāo)精度。國(guó)外W／G波段接收機(jī)已較成熟，而國(guó)內(nèi)目前成熟的接收技術(shù)還是Ka波段，W波段及以上頻率的接收機(jī)主要依靠國(guó)外引進(jìn)。

為提高我國(guó)微波輻射計(jì)的自主研制能力，在FY－3衛(wèi)星微波成像儀5頻點(diǎn)10通道接收機(jī)的基礎(chǔ)上，自主研發(fā)了50～60（13通道），150（2通道），183GHz（5通道）接收機(jī)，包括前段和中頻兩部分。毫米波亞毫米波前端采用超外差方式將輸入的有一定帶寬的雙邊帶信號(hào)混入零中頻，對(duì)信號(hào)進(jìn)行低噪聲放大，在實(shí)現(xiàn)功能的同時(shí)盡量減小接收機(jī)的噪聲溫度。中頻將寬帶中頻信號(hào)頻率分離、濾波，再將信號(hào)放大到檢波器的平方律檢波最佳線性度的輸入功率點(diǎn)，然后對(duì)信號(hào)檢波、視頻放大和積分。測(cè)試表明：各頻段的接收機(jī)靈敏度、線性度等均滿足應(yīng)用需求，部分測(cè)試結(jié)果如圖9所示。

3.3.3 高穩(wěn)定度長(zhǎng)壽命轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

一體化微波成像探測(cè)儀在軌作勻速圓錐掃描運(yùn)動(dòng)，若存在動(dòng)不平衡量，會(huì)對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)產(chǎn)生影響，同時(shí)也會(huì)對(duì)自身軸系施加額外的力矩，增加其變形及磨損，減少其工作壽命。根據(jù)衛(wèi)星壽命要求，載荷需在軌運(yùn)轉(zhuǎn)1.6億轉(zhuǎn)，因此高穩(wěn)定度轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵。

為盡量降低對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)的影響，采用了高精度動(dòng)平衡技術(shù)對(duì)狀態(tài)進(jìn)行控制。掃描驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用軸轉(zhuǎn)動(dòng)、外殼固定不動(dòng)的內(nèi)轉(zhuǎn)式方案，由驅(qū)動(dòng)單元、功率和信號(hào)傳輸裝置、發(fā)射卸載裝置等組成。為滿足熱源和冷鏡的支撐要求，轉(zhuǎn)軸采用中空設(shè)計(jì)，其間安裝用于支撐熱源冷鏡的固定軸。

為滿足掃描機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)壽命要求，功率和信號(hào)傳輸裝置采用滾環(huán)方式。整個(gè)機(jī)構(gòu)采用直接驅(qū)動(dòng)方式，無減速器，且滾環(huán)安裝于電機(jī)后端，滾環(huán)不傳遞力矩。同時(shí)為減少中間支撐和連接環(huán)節(jié)，電機(jī)采用直流無刷分體式電機(jī)，整個(gè)機(jī)構(gòu)采用兩對(duì)軸承，背對(duì)背支撐，如圖10所示。采用直流無刷電機(jī)保證力矩輸出穩(wěn)定、控制精度高，滿足各掃描模式下衛(wèi)星姿態(tài)穩(wěn)定度0.002（°）／s的要求。

3.4 一體化微波成像探測(cè)儀技術(shù)特點(diǎn)

一體化微波成像探測(cè)儀原理樣機(jī)如圖11所示。與FY－3衛(wèi)星微波成像儀相比，其技術(shù)特點(diǎn)如下［14］。

a）對(duì)軌道高度410km的FY－3降水測(cè)量衛(wèi)星及同類衛(wèi)星，采用了口徑1.2m的可展開拋物面天線，其所有探測(cè)頻點(diǎn)的主波束效率均優(yōu)于95%，交叉極化優(yōu)于－25dB，優(yōu)良的天線性能為保證探測(cè)精度奠定了基礎(chǔ)。對(duì)軌道高度800km的太陽同步軌道衛(wèi)星，一體化微波成像探測(cè)儀可配置口徑1.8m的可展開拋物面天線。天線尺寸的靈活配置，可保證不同軌道探測(cè)的地面分辨率基本匹配，便于遙感數(shù)據(jù)的反演應(yīng)用。

b）一體化微波成像探測(cè)儀增加了50～60GHz帶寬細(xì)分通道和150，183GHz探測(cè)通道，能對(duì)降水、毛毛雨、降雪、融化層高度和厚度、冰云、溫度廓線、濕度廓線進(jìn)行探測(cè)，提升了探測(cè)能力。

c）提高了一體化微波成像探測(cè)儀在輻射測(cè)量精度及觀測(cè)靈敏度：89GHz通道觀測(cè)靈敏度優(yōu)于0.5K；10～89GHz成像通道的定標(biāo)精度優(yōu)于0.8K；150，183GHz探測(cè)通道的定標(biāo)精度優(yōu)于1.2K。

d）優(yōu)化了一體化微波成像探測(cè)儀的熱控系統(tǒng)：采用被動(dòng)為主、主動(dòng)為輔的熱控措施，在轉(zhuǎn)動(dòng)的輻射接收系統(tǒng)外圍安裝固定的遮光罩進(jìn)行熱控，保證儀器處于最佳工作狀態(tài)。優(yōu)化后的熱控設(shè)計(jì)方案，使一體化微波成像探測(cè)儀能適應(yīng)不同軌道高度的衛(wèi)星不同外熱流條件。

3.5 應(yīng)用與實(shí)踐

在軌的FY－3衛(wèi)星微波成像儀獲取的大量探測(cè)數(shù)據(jù)已生成各種各樣的應(yīng)用產(chǎn)品，如海表溫度、海面風(fēng)速、海冰覆蓋、海上大氣可降水、陸地土壤濕度、積雪深度等，廣泛用于大氣、海洋、陸地和環(huán)境等各領(lǐng)域，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)各行各業(yè)的建設(shè)發(fā)揮了重要作用［1517］。其中：海上大氣可降水和陸地土壤濕度兩個(gè)產(chǎn)品分別如圖12、13所示。

一體化微波成像探測(cè)儀在FY－3衛(wèi)星微波成像儀的基礎(chǔ)上增加了濕度廓線探測(cè)、溫度廓線探測(cè)功能，多種不同探測(cè)特性的頻段對(duì)地同時(shí)觀測(cè)，可獲得更全面、更細(xì)致的信息，可全天時(shí)、全天候探測(cè)海面風(fēng)場(chǎng)，海面溫度，海冰分布和雪覆蓋，大氣溫濕度廓線，大氣水汽和液態(tài)水分布，全球性海洋資料和空間氣象資料。具體應(yīng)用如下。

a）提供高精度、高準(zhǔn)確度、及時(shí)穩(wěn)定可靠的觀測(cè)數(shù)據(jù)，提高天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率和精細(xì)化。提高預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率和精細(xì)化水平是氣象預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)的核心。為建立滿足公共氣象服務(wù)需求的各類氣象預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)，需提供均一性更好、時(shí)間序列更長(zhǎng)的觀測(cè)資料，以獲取氣象服務(wù)區(qū)、天氣氣候敏感區(qū)及海洋地區(qū)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，提高綜合氣象觀測(cè)系統(tǒng)能力。

b）對(duì)氣象災(zāi)害的綜合、立體、連續(xù)觀測(cè)，提升對(duì)氣象災(zāi)害的監(jiān)測(cè)能力。我國(guó)是世界上氣象災(zāi)害最為嚴(yán)重的國(guó)家之一，災(zāi)害種類多，分布地域廣，發(fā)生頻次高，造成損失重。為有效防御和減輕氣象災(zāi)害造成的損失，提高應(yīng)對(duì)突發(fā)公共事件應(yīng)急的氣象保障能力，迫切需要對(duì)其的全方位監(jiān)測(cè)，用于減災(zāi)防災(zāi)領(lǐng)域，減少災(zāi)害性天氣對(duì)國(guó)民生產(chǎn)的影響。

c）全方位立體監(jiān)測(cè)氣候及氣候變化。氣候和氣候變化導(dǎo)致人類生存條件發(fā)生變化，為深化對(duì)氣候變化事實(shí)和規(guī)律的科學(xué)認(rèn)識(shí)，推進(jìn)氣候變換綜合影響評(píng)估工作，減少或消除有關(guān)氣候變化的不確定性，需增強(qiáng)對(duì)全球氣候變化的監(jiān)測(cè)能力，提高對(duì)氣候變化的定量描述和預(yù)估水平，以便采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。

d）為大氣運(yùn)動(dòng)建模、大氣科學(xué)理論研究提供完整準(zhǔn)確的觀測(cè)資料。氣象觀測(cè)是大氣科學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)。由于大氣現(xiàn)象及其物理過程的變化較快，影響因子復(fù)雜，雖然在一定簡(jiǎn)化條件下，對(duì)大氣運(yùn)動(dòng)作了不少模擬研究、大氣運(yùn)動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)，但組織局地或全球的氣象觀測(cè)網(wǎng)，獲取完整準(zhǔn)確的觀測(cè)資料，仍是大氣科學(xué)理論研究的主要途徑。歷史上的鋒面、氣旋、氣團(tuán)和大氣長(zhǎng)波等重大理論的建立，都是在氣象觀測(cè)提供新資料的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。

綜上，一體化微波成像探測(cè)技術(shù)的星載應(yīng)用將會(huì)對(duì)氣象遙感發(fā)展產(chǎn)生巨大的推動(dòng)作用，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域建設(shè)提供服務(wù)。

4 技術(shù)發(fā)展展望

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，為滿足日益擴(kuò)展的社會(huì)對(duì)氣象衛(wèi)星微波遙感信息的服務(wù)需求，支撐國(guó)家提高自然災(zāi)害與突發(fā)事件應(yīng)對(duì)能力，提升國(guó)家防減災(zāi)能力，需繼續(xù)拓展完善氣象衛(wèi)星微波遙感全球觀測(cè)能力。一體化微波成像探測(cè)技術(shù)的發(fā)展方向如下［18－20］。

a）高分辨率技術(shù)

隨著光學(xué)高分辨率衛(wèi)星影像帶來的巨大軍事和經(jīng)濟(jì)效益，微波遙感也向高分辨率方向發(fā)展以獲得更精細(xì)的信息，利于更細(xì)致地了解探測(cè)對(duì)象的物理特性。建設(shè)高分辨率的對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)，可滿足日益發(fā)展的國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)需求。

b）越來越高的頻率接收技術(shù)

高頻段的優(yōu)點(diǎn)是可擁有更多的探測(cè)頻段，獲得更多的探測(cè)信息，利于避開頻率也越來越高的地面和空間通信的干擾信號(hào)。此外，高頻探測(cè)具有體積小、重量輕的優(yōu)勢(shì)，降低了載荷對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)的資源需求，可提高衛(wèi)星的載荷效率。

c）全極化探測(cè)技術(shù)

在一體化微波成像探測(cè)的基礎(chǔ)上，通過增加部分頻點(diǎn)的全極化功能，可獲得全極化測(cè)量的全部Stokes參數(shù)信息。多頻多極化同時(shí)對(duì)陸地、海洋和大氣觀測(cè)能獲得觀測(cè)目標(biāo)更全面更細(xì)致的探測(cè)要素，獲取完整準(zhǔn)確的觀測(cè)資料，可更好地滿足海洋、陸地和大氣多數(shù)據(jù)同化需求，為大氣科學(xué)理論研究的奠定基礎(chǔ)。

5 結(jié)束語

一體化微波成像探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)微波溫度探測(cè)、濕度探測(cè)和地表成像功能的一體化設(shè)計(jì)。通過多頻點(diǎn)大口徑天饋、高靈敏度多通道接收及高穩(wěn)定度長(zhǎng)壽命轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)的突破，研制了新一代一體化微波成像探測(cè)儀樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的同源觀測(cè)，增強(qiáng)數(shù)據(jù)同化能力的同時(shí)提高了衛(wèi)星的載荷效率，為后續(xù)星載應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。該項(xiàng)技術(shù)的突破，使我國(guó)的微波無源遙感技術(shù)邁上了新臺(tái)階，氣象遙感列入世界先進(jìn)水平國(guó)家之列。

目前，一體化微波成像儀已完成了關(guān)鍵技術(shù)的突破，研制了工程樣機(jī)。經(jīng)系統(tǒng)測(cè)試其各項(xiàng)指標(biāo)滿足任務(wù)要求，在國(guó)內(nèi)處于領(lǐng)先地位，將用于FY－3 03批衛(wèi)星，計(jì)劃于2018～2019年發(fā)射。

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Techndogy Development and Prospection of Integrated Microwave Imager Sounder

LYU Li－qing1，XU Hong－xin2，LUAN Ying－h(huán)ong2
（1.Shanghai Institute of Satellite Engineering，Shanghai 201109，China；2.Shanghai Aerospace Electronic Technology Institute，Shanghai 201109，China）

The development and tendency of microwave imager sounder was introduced.The necessities and advantages of multi－functional integration in the field of microwave remote sensing were described.Several essential techniques，including high accuracy reflector and its unfolding mechanism，high sensitive receiver and long lifetime scan drive equipment，were applied to develop the prototype of the integrated microwave imager sounder.Compared coith the on－orbit microwave imager deployed on FY－3satellite，the highest channel frequencies of the integrated microwave imager sounder were raised and its channel numbers also were increased.The sensitivity and measurement accuracy were also greatly improved.Thus this instrument can synchronously observe atmospheric temperature，humidity and land／sea surface.Moreover，the integrated microwave imager sounder can simplify the complication of data assimilation with its synthetic observations and improve the satellite efficiency.Meanwhile，global meteorological information，like all－weather and all－time sea surface wind field，sea surface temperature，sea ice distribution and sea／land snow coverage，atmospheric temperature and humidity profiles，water vapor and liquid water path，and etc，can be retrieved with the observations from the integrated microwave imager sounder.The development trend of the integrated microwave imager sounder which are high resolution，high frequency receiving and fully polarimetric technologies is discussed.

meteorological satellite；passive remote sensing；microwave imager sounder；profile of atmospheric temperature；profile of atmospheric humidity；field imaging；integration；microwave radiometer；conical scanning

TP722.6

A

10.19328／j.cnki.1006－1630.2017.01.001

1006－1630（2017）01－0001－10

2016－11－25；

2017－02－09

呂利清（1964—），男，研究員，大氣環(huán)境測(cè)量衛(wèi)星總負(fù)責(zé)人，陸地水資源衛(wèi)星技術(shù)總負(fù)責(zé)人，主要研究方向?yàn)槲⒉ㄟb感及測(cè)控?cái)?shù)傳。