星載被動微波遙感技術及其應用進展

王振占 王文煜 佟曉林 張 洲 ,2劉璟怡 陸 浩 丁 甲 ,2 吳延婷 ,2

1（中國科學院國家空間科學中心 中國科學院微波遙感技術重點實驗室 北京 100190）

2（中國科學院大學電子電氣與通信工程學院 北京 100049）

0 引言

微波遙感按照是否發射微波信號一般可以分為兩類：主動微波遙感和被動微波遙感。主動微波遙感又稱雷達遙感，其是通過接收遙感器發射的電磁波信號來實現目標探測的一種手段。主動微波遙感主要包括微波高度計、微波散射計和合成孔徑雷達（SAR）三種類型的遙感器[1]，也包括通常使用的降雨雷達。

被動微波遙感又稱微波輻射計遙感，是指直接接收目標的自然微波輻射來提取目標信息的一種遙感手段。被動微波遙感按頻譜特性可以分為兩類[1]：探測儀和成像儀。探測儀是指工作在氣體分子的微波諧振頻率上或者附近的微波輻射計。探測儀通常選擇在氧氣、水汽吸收帶，用于提取大氣參數，主要是大氣溫度、濕度廓線的垂直廓線，因此是氣象衛星的主要遙感器；成像儀一般選擇在大氣窗區頻率（遠離大氣水汽、氧氣等主要氣體吸收峰的頻率）的微波輻射計，主要用于遙感具有寬廣頻譜特性的地物目標，例如海面的溫度、鹽度、風場、海冰等。

微波輻射計用于觀測目標的微波熱輻射信號。這種輻射信號與被測表面或物體的物理溫度及介電特性有關，同時受到大氣相互作用的調制。自然表面的微波散射與表面介電特性和粗糙度相關，通過合理設計遙感器，就可以獲得關于表面粗糙度和介電特性的信息。微波可以穿透云，也可以在一定程度上透過雨，而且不依賴于太陽光源，這樣幾乎可以全天候、全天時工作。云和雨可以減弱來自表面的輻射，這個衰減可以提供云和雨的觀測信號，用于獲得大氣一些關鍵參數（例如大氣水汽和液水含量、云中水滴尺寸分布特征、雨強等）的信息。

微波波段獲得的信息與光學或紅外波段獲得的信息是完全不同的。微波能夠比光學更深入地穿透植被和土壤。頻率越低，探測深度越深。因此通過微波遙感獲得的特性參數是通過光學和紅外遙感器獲得信息的補充，有利于對于表面幾何、介電特性、分子共振特性等方面的研究。另外在較長微波波長，微波輻射計可以透過云層觀測地球表面，特別是在極區，而這用光學手段幾乎是不可能的。這樣微波遙感就成為一種與其他遙感方式不同的、而且唯一的探測地球環境的技術手段[1]。

由于微波輻射計沒有發射機，因此其消耗功率較低。微波輻射計與雷達相比，可以在更廣的頻率范圍使用。由于受限于真實孔徑的天線，微波輻射計出現了一種新體制的成像儀--綜合孔徑輻射計，其可以用于對地遙感和射電觀測，已經逐漸得到廣泛應用。

星載微波輻射計根據觀測方式可以分為兩大類[2]：對地觀測與臨邊觀測。圖1 給出了星載微波輻射計接收輻亮度B的觀測示例[2]。臨邊觀測是指天線從地球大氣底部沿著切線方向線上掃描或者從大氣頂部掃描到大氣底部的觀測方式，其觀測目標是大氣，觀測背景是宇宙空間（圖1 中最上一條線）。對地觀測是指對地球表面和大氣的觀測，其觀測目標是地球及其大氣系統，觀測背景是地球表面的海洋或陸地（圖1 中傾斜實線和虛線）。

圖1 空間微波輻射計兩種不同的觀測幾何示例Fig. 1 Two different observation geometries for spaceborne microwave radiometers

通常按照觀測方式（掃描方式）可以將微波輻射計分為三類：圓錐掃描輻射計（也稱微波成像儀）、交軌掃描微波輻射計（也稱微波探測儀）和不掃描輻射計。交軌掃描是指天線在垂直于衛星前進方向掃描，如圖2（a）所示[1]。圓錐掃描是天線以固定入射角（通常在50°～55°）通過圍繞豎直軸旋轉來實現連續掃描，如圖2（b）所示[3]（AMSR 掃描幾何示例）。前兩類輻射計是為了實現大范圍全球覆蓋而使用的觀測方式。不掃描輻射計主要是為了特殊需要或者不適合使用掃描觀測的衛星平臺（轉動慣量、空間和功耗等條件限制）而設計的一類微波輻射計，例如為星載雷達高度計提供大氣路徑延遲校正的校正輻射計是不需要掃描的（例如HY-2 系列衛星搭載的校正輻射計等）[4]，或者是由于某種限制使得衛星不能承受掃描帶來的問題，例如載荷天線口徑過大，無法適應安裝需求等，例如SMOS[5,6]，或者是通過推帚式觀測實現寬幅遙感的輻射計，例如Auaroius 鹽度計[7]。

圖2 星載微波輻射計的掃描模式。（a）交軌掃描，（b）圓錐掃描Fig. 2 Scanning modes of spaceborne microwave radiometer. （a） Cross-scanning, （b） conical scanning of AMSR

星載被動微波遙感的發展已經有50 多年的歷史。1968 年蘇聯發射的Cosmos-243 號衛星安裝了4 通道微波輻射計（3.5，8.8，22.2 和37 GHz）；美國1972 年發射的Nimbus-5 衛星，安裝了6 通道電掃描微波輻射計NEMS （19.35，22.2，31.4，53.6，54.9，58.8 GHz）；1975 年發射的Nimbus-6 衛星上搭載掃描微波譜儀（SCAMS）和電子掃描微波輻射計（EMSR）[1]。1978 年是海洋遙感領域的重要年份，在這一年同時開啟了海洋衛星和氣象衛星的被動微波遙感的應用。首先，海洋遙感由實驗階段轉入業務應用階段，其主要標志是在該年美國NASA 發射了2 顆具有劃時代意義的遙感衛星[8]。一個是雨云7 號（Nimbus-7），上面搭載了8 個被動式遙感器，覆蓋了從微波、紅外、可見光到紫外波段；另外一個是海洋衛星（SEASAT）。SEASAT 的發射是微波海洋遙感發展的里程碑，其第一次把微波輻射計、微波散射計、雷達高度計和合成孔徑雷達結合在一起，全方位反演海洋的地球物理參數。兩顆衛星上均攜帶了掃描式多通道微波輻射計（SMMR），其工作頻率為6.63，10.69，18.0，21.0，37.0 GHz。這種多通道、雙極化的體制擴大了微波輻射計的應用范圍，適合于大氣、海洋和陸地遙感，可以用來測量大氣水汽、液態水、海水溫度和海冰類型等參數[9]。其次，1978 年美國發射了TIROS-N 極軌氣象衛星搭載的微波探測儀（MSU），包含50.3，53.7，55.09，57.6 GHz 四個頻段的氧氣吸收頻段，用于大氣溫度探測，開啟了微波探測儀大氣遙感的正式進程[10]。隨后在大氣溫度探測的基礎上，增加了大氣濕度廓線探測，進入了AMSU 階段，其包括先進的大氣溫度微波探測儀AMSU-A[11-14]，以及大氣濕度探測儀AMSU-B[15]和微波濕度計MHS[16]，從而大氣溫度和濕度廓線真正成為數值天氣預報的重要數據來源之一。

中國微波輻射計的研究起步較晚，但近年來發展比較迅速。2002 年12 月30 日，中國科學院國家空間科學中心研制的多模態微波遙感器（M3RS）隨神舟四號飛船成功發射，這是中國第一臺進入太空的微波遙感器，包括高度計、散射計和輻射計三個模態，其中輻射計為 5 頻段、雙極化的微波輻射計[17]，開啟了中國衛星微波遙感的先河，為后續海洋衛星、風云衛星微波輻射計技術的發展打下了基礎。此后，中國分別于2008 年和2010 年成功發射第二代極軌氣象衛星風云三號01 批的A 星和B 星，其上有三個微波有效載荷：微波濕度計、微波溫度計和微波成像儀[18]，實現了FY-3 上下午雙星同時在軌運行的格局。2011年成功發射第一顆海洋動力環境探測衛星--海洋二號A 星（HY-2A），載有兩臺微波輻射計，其中一臺微波成像儀的工作頻率是6.6，10.7，18.7，23.8 和37 GHz，主要用于海面溫度和海冰的探測，另一臺為大氣校正微波輻射計，頻率18.7， 23.8 和 37 GHz，主要用于雷達高度計大氣路徑延遲校正[19]。HY-2B 衛星于 2018 年 10 月 25 日成功發射，該星將與后續發射的海洋二號 C 星（HY-2C，2020 年9 月發射）和海洋二號D 星（HY-2D，2021 年5 月發射）組成中國首個海洋動力環境衛星星座[20,21]。根據MWO 的被動微波載荷的相關信息[22]，可以看出，1973—2023 年這50 年，已經發射或者列入計劃即將發射的、用于對地觀測的星載被動微波遙感器有70 多種，分別搭載在大約140 余顆衛星上。中國的衛星主要來自風云三號衛星和海洋二號衛星，其中風云衛星被動微波載荷有8 種[18]，海洋衛星被動微波載荷的種類有2 種[20]。

據不完全統計，這50 年期間已經或者即將發射的星載圓錐掃描輻射計有30 種，交軌掃描的輻射計25 種，不掃描輻射計18 種。本文在分析三類被動微波遙感技術整體發展的基礎上，分別歸納各類微波輻射計的發展脈絡和應用方向，通過比較國內外相應輻射計的關鍵技術參數，突出不同類型微波輻射計技術特點與應用需求，提出了空間微波輻射計應用的關鍵問題和發展趨勢。

1 星載微波輻射計遙感技術的主要進展

1.1 交軌掃描微波輻射計

交軌掃描微波輻射計主要用于氣象衛星上進行大氣溫度和濕度廓線的探測。為了更好地同步獲取大氣溫濕度廓線，一般需要輔助探測表面背景參數。這類輻射計通常使用較小口徑的天線，在垂直于衛星前進方面進行交軌掃描，因此相對于圓錐掃描輻射計通常體積較小，容易安裝在衛星對地面，實現對地球表面和大氣觀測及定標。定標在每個掃描周期內進行，通過觀測定標黑體和冷空實現全路徑定標。這種定標方式是交軌掃描的優勢，因為定標是全路徑定標，包含了接收機和天線的一體化定標，劣勢在于交軌掃描的入射角隨著掃描位置在改變，不同掃描角的地面像元大小是變化的，因此空間分辨率在天底點兩側逐漸變差。另外為了減小轉動慣量，通常接收機及天線饋源是不隨反射面同時旋轉的，造成接收到的輻亮度的極化是混合的，隨著掃描角的變化而變化[23,24]。但是對于位于吸收峰附近的探測通道來講，正交極化亮溫差很小，因此這對于探測通道的影響很小，對于窗區通道影響較大。

業務化微波探測儀對地遙感開始于1978 年美國極軌氣象衛星（TIROS-N）上載的微波探測儀（MSU[10]），并在隨后NOAA-14 以前的9 顆衛星上都搭載了該設備，獲得了大量的觀測數據（見表1）。在1987 年美國發射的國防氣象衛星（DMSP）搭載了特種微波大氣垂直探測儀（SSM/T），工作頻率為50～60 GHz，使得氣象衛星微波遙感儀器有了長足的進步，并在軍事氣象保障、天氣預報、強對流監測和洪澇災害監測等方面發揮了很大的作用[25]。從1998 年開始的NOAA-15 衛星上，用20 個通道的先進微波探測儀（AMSU，包含15 通道的AMSU-A 和5 通道的AMSU-B）取代了MSU，并在NOAA-16～19 上連續應用，一直工作到NOAA-20 才開始新一代微波大氣探測儀AMTS[23]。目前，NOAA-18 和19 的AMSU 仍然在軌工作。此外，2000 年發射的EOS-PM 衛星（Aqua）除了裝有AMSR-E，AMSU 外，還搭載一個為巴西研制的大氣探測器（MHS），工作頻率類似AMSU-B[26]。JPSS 是美國新一代極軌業務環境衛星系統， 2011 年發射第一顆星SNPP，其是在國家極軌業務環境衛星系統（NPOESS）的基礎上改建的[23]。JPSS 衛星計劃的執行時間為2011—2038 年，還包括另外4 顆衛星系列： NOAA20，JPSS-2，JPSS-3，JPSS-4。這5 顆衛星上都攜帶一臺先進大氣微波探測儀（ATMS），共有22 個通道，頻率范圍從23.8 到183 GHz，合并原AMSU-A，B 兩個載荷為一體，并增加了2 個通道，幾乎涵蓋了現在所有現在星上運行的大氣探測通道，用來實現近全天候的大氣溫度、濕度廓線測量，還可以測量降水，進一步提升了業務天氣預報和氣候應用的水平[22,27]。

表1 美國、歐洲和中國的典型大氣微波探測儀的比較Table 1 Comparison of typical atmospheric microwave sounders in the United States, Europe and China

歐空局ESA 于2006 年發射的Metop 系列衛星是Envisat 的后繼衛星。Metop 系列全稱是業務氣象衛星，包括三顆衛星：Metop-A，Metop-B 和Metop-C，分別于2006，2012 和2018 年發射。這個系列衛星上都搭載了兩個微波載荷：一個載荷是延續載荷AMSU-A，另外一個是微波濕度計（MHS），包括89，157，183±1，183±3 和190.31 GHz 五個通道[28]。

中國風云三號01 批包括FY-3A 和3B 星。FY-3A 星于2008 年成功發射，其上裝載微波溫度計-1 和微波濕度計-1。風云三號02 批包括FY-3C 和3D星，星載大氣探測系統進一步發展升級為由二代微波溫度計（MWTS-2）、二代微波濕度計（MWHS-2）。風云三號03 批包括4 顆衛星，微波溫度計升級為（MWTS-3）。微波濕度計的150 GHz 更改為166 GHz，其他通道沒有改變，因此代號仍為MWHS-2，但是由于系統全部采用低噪聲技術，其靈敏度已經大幅度提升[18]。表1 比較了美國、歐洲和中國幾臺典型大氣微波探測儀的技術參數。圖3 給出了FY-3 衛星效果和微波濕度計MWHS-2。

圖3 FY-3C 衛星效果（a）與微波濕度計MWHS-2（b）Fig. 3 FY-3C satellite （a） and MWHS-2 （b）

歐洲下一代極軌氣象衛星系列為Metop-SG，包括A 系列和B 系列[28]。其中Metop-SG-A 衛星系列有三顆，分別是Metop-SG-A1，Metop-SG-A2 和Metop-SG-A3，Metop-SG-B 系列有三顆微波遙感衛星，分別是Metop-SG-B1，Metop-SG-B2 和Metop-SG-B3[22,29]。在Metop-SG-A 系列衛星上，都包括一臺微波探測儀（MWS）（見表1）。MWS 包括24 個通道，頻率從23～229 GHz，覆蓋50～60 GHz 的氧氣吸收峰和183 GHz 的水汽吸收峰[22,30]。

除上述極軌氣象衛星的進展外，靜止軌道由于其優秀的重復觀測能力，被動微波遙感技術的應用也越來越受到重視。由于靜止軌道氣象衛星軌道比較高，要獲得一定的空間分辨率，必須采用較高頻段或者較大口徑天線來實現。中國在2016 年底發射的FY-4 A 星上搭載了一臺輻射計覆蓋到太赫茲頻段（183，425 GHz），實現靜止軌道被動微波載荷首次試驗驗證。2018 年靜止軌道大氣微波探測儀（GIMS）完成測試驗收，為靜止軌道大氣微波探測奠定堅實技術基礎[31]。圖4 給出的是GIMS 地面樣機及其亮溫成像效果。GIMS 工作于50～56 GHz 和183 GHz，用于靜止軌道大氣溫度和濕度垂直分布探測。GIMS 采用70 個天線單元的組成的稀疏圓環天線陣列，圓環勻速自旋實現空間頻率域采樣[29]，最長基線超過3.5 m，以實現優于50 km 的空間分辨率。目前中國正在進行靜止軌道微波遙感衛星的型號研制，預計兩到三年內首顆星將完成發射，到那時中國將實現靜止軌道業務化被動微波載荷零的突破。

圖4 靜止軌道大氣微波探測儀地面樣機。（a）第一代樣機，（b）第二代樣機，（c）（e）光學照片，（d）（f）對應的微波成像亮溫Fig. 4 Ground prototype of the geostationary atmospheric microwave sounder. （a） First-generation prototype,（b） second-generation prototype, （c）（e） optics images, （d）（f） corresponding microwave brightness temperature

1.2 圓錐掃描輻射計

1.2.1 氣象衛星微波成像儀

微波成像儀在氣象衛星和海洋衛星上的技術特點不同。氣象衛星成像儀的最低頻率通常在K 波段，后來逐漸降低到X 波段。而海洋衛星的微波成像儀通常最低頻率為C 波段，用來實現海面溫度等參數的高精度觀測。下面分別對兩類成像儀進行分析。

氣象衛星的微波成像儀的真正發展開始于1987年美國發射的國防氣象衛星（DMSP-F08）特種微波成像儀（SSMI），用來遙感地球表面和大氣參數。SSMI 采用偏置拋物面加多饋源一體化圓錐掃描、冷空和外部黑體定標的技術體制[32]，這是世界上第一臺采用這種掃描方式的星載微波輻射計（見表2）。此后12 年期間（1987—1999 年）陸續發射6 顆（F10～F15 衛星）載有這個載荷的衛星。從2003 年開始的DMSP-F16～F19 衛星上，成功運行了新一代綜合微波成像探測儀（SSMIS），增加了大氣溫度和濕度綜合探測能力[33]，這是世界上首臺集微波成像和探測于一體的圓錐掃描微波輻射計。

表2 美國SSMI，SSMIS，TMI，GMI 與中國FY-3 的MWRI 系列微波成像儀比較Table 2 Comparison of American SSMI, SSMIS, TMI, and GMI with China’s FY-3 MWRI series microwave imagers

1997 年11 月日本同美國合作在熱帶降雨衛星（TRMM）上搭載了微波成像儀（TMI），該成像儀是一臺先進的全功率微波輻射計，用于測量熱帶和亞熱帶的降水和能量交換[34]。TMI 是在SSMI 基礎上發展起來的更先進的微波輻射計，有9 個通道，覆蓋10.7～85.5 GHz 五個頻段，其提供的雨率數據被廣泛應用?；赥RMM 衛星在降水探測方面所取得的巨大成功，美國和日本聯合提出的新一代全球衛星降水觀測計劃（GPM）[34,35]，能夠提供全球范圍內的降水（包括雨雪）數據，其觀測范圍可延伸至南北極圈。GPM 計劃由GPM 主衛星和搭載微波輻射計的多顆星座衛星組成。GPM 主衛星是GPM 計劃最核心的部分，已于2014 年2 月發射，其上搭載了一個多波段微波成像儀 （GMI），這個儀器除了包含TMI 的頻率外，還包含四個位于166 和183 GHz 毫米波頻段附近的通道，通道數達到13 個，性能有了巨大的改進，提升了降水的觀測能力[36]。圖5（a）為GMI 的整體結構圖。這代表了自SSMI 以來星載微波成像儀的通用外形結構。一個大的拋物面反射面和一組饋源組成天線接收系統。不同饋源對應相應頻段的接收機。不同極化方式通過正交模耦合器（OMT）進行分離進入接收機。在饋源口面有定標參考源：定標黑體（熱源）和冷空。定標黑體直接對準饋源，冷空通過一個小的拋物面天線反射進入饋源。天線和接收機整體旋轉。定標參考源固定在靜止底板上保持不動。每旋轉一周定標一次。GMI 定標黑體進行特殊的熱處理，減少了空間雜閃輻射對于熱源表面的影響并減小了表面溫度梯度[36]，提升了定標源的穩定性和準確度。

圖5 氣象衛星微波成像儀比較。（a）GMI，（b）MWRI-2Fig. 5 Comparison of meteorological satellite microwave imagers. （a） GMI, （b） MWRI-2

中國風云三號A 裝載的第一代微波成像儀（MWRI-1）實現了圓錐掃描微波輻射計的首次在軌運行。該載荷在風云三號01 批（3A 和3B）和02 批（3C 和3D）上持續運行，在03 批的FY-3F 和FY-3H 衛星上，微波成像儀升級為第二代微波成像儀（MWRI-2），增加了大氣溫度探測能力[18,36]，具體指標見表2。圖5 給出MWRI-2 及其與GMI 的對比。

另外，于2023 年發射的中國首顆降雨衛星FY-3G 星搭載了微波成像儀（MWRI-RM），在MWRI-2 的參數配置基礎上，增加了166 和183.31 GHz 附近的四個通道，用來同步獲取大氣的濕度信息。第二代微波成像儀天線口徑達到180 cm[22]，空間分辨率大大提升，通道探測范圍甚至超過GMI 和SSMIS。表2給出了大氣探測衛星典型微波成像儀的比較。

在未來Metop-SG-B 系列衛星上，計劃搭載兩種新型微波輻射計載荷：微波成像儀（MWI）和冰云成像儀（ICI）。其中MWI 是一臺圓錐掃描微波輻射計[37,38]，包括18 個頻率，26 個通道，頻率范圍是18.7～183 GHz，主要用于測量降水和溫濕度廓線，還可以測量海面風速、海冰和冰云總量，表2 給出MWI 與同類圓錐掃描大氣成像探測儀的比較。ICI 是一臺新型的圓錐掃描輻射計，安裝在衛星底部，頻率范圍從183 到664 GHz，用于測量大氣的冰云參數和大氣濕度[39,40]。ICI 的主要參數見表3。

表3 ICI 的主要技術指標Table 3 ICI’s main specifications

1.2.2 海洋衛星微波成像儀

海洋衛星區別于氣象衛星微波成像儀主要在于是否有低頻通道，主要體現在是否具有C 波段測量海面溫度的通道，通常使用中心頻率為6.6，6.8 或者6.9 GHz 的雙極化輻射計。另外海洋微波成像儀的天線尺寸通常較大，空間分辨率較高。這種類型的輻射計主要有俄羅斯、日本和中國的微波成像儀。美國在SMMR 以后除了WindSat 全極化微波輻射計的試驗衛星以外，一直沒有獨立發射具有C 波段的海洋微波成像儀，未來的計劃見2.2 節。

俄羅斯在1999 年發射的海洋衛星Okean-O-1，載有三臺微波輻射計，分別是掃描輻射計Delta-2D、被動微波輻射計R225 和R600。Delta-2 D 采用圓錐掃描方式，包括6.9，13，22.3，37.5 GHz 四個頻率8 個雙極化通道，用于觀測海面溫度、海冰、土壤濕度、可降水，同時配合13.3 GHz 雙極化的R225 觀測海面風速和海冰，5 GHz 雙極化的R600 觀測海面溫度[22]。

日本研制的高級微波掃描輻射計-E （AMSR-E）搭載NASA 的EOS-Aqua 衛星于2002 年5 月4 日發射成功，是ADEOS-II 的后續衛星，在軌工作長達9 年。微波輻射計AMSR-E 大大提高了空間分辨率，89 GHz 頻率的星下點分辨率可達3.0 km，而且加大了掃描寬度（1450 km），這是目前為止最為成功的微波成像儀之一，其數據廣泛用于大氣海洋和陸表應用研究，其數據包括雨率、水汽和液水總量、海面溫度、風速、冰、雪和土壤濕度等參數[41]。在2002 年12 月發射先進地球觀測衛星（ADEOS-II）裝有高級微波掃描輻射計（AMSR，2003 年10 月失?。?，該輻射計可以提供6.9～89 GHz 范圍內的8 個頻段亮溫數據，可以直接測量海面溫度、風、水汽含量、降雨率和溫度廓線等參數[3]，但遺憾的是AMSR 在軌僅工作100 天就停止了。 2012 年5 月18 日發射了GCOM-W1 衛星，其搭載的微波掃描輻射計（AMSR2），如圖6（a）所示，可對地表和大氣進行多波段、多極化方式的觀測[42]。作為比較，圖6（b）給出用于海洋風場遙感的第一顆星載全極化微波輻射計（WindSat）的照片。關于WindSat 的介紹將在2.2 節全極化遙感技術的發展中介紹。

圖6 國外海洋衛星微波成像儀比較。（a）AMSR2，（b）WindSatFig. 6 Comparison of oversea ocean microwave imager. （a） AMSR2, （b） WindSat

AMSR2 有效刈幅寬度大于1600 km，天線口徑從AMSR-E 的1.6 m 提升到2 m，空間分辨率比AMSR-E 有所提高。該輻射計到目前仍然正常運行。表4 給出3 臺AMSR 輻射計的主要技術參數的比較。

表4 日本AMSR，AMSR-E，ASMR2 與中國海洋衛星微波成像儀RM 比較Table 4 Comparison between Japan’s AMSR, AMSR-E, ASMR2 and China’s oceanic satellite microwave imager RM

中國第一顆海洋微波遙感衛星是2011 年8 月發射的海洋動力環境衛星（HY-2A）。該星配置了兩臺被動微波載荷：掃描微波輻射計（RM）、校正輻射計（ACMR）。其中RM 采用圓錐掃描方式，頻率和通道配置見表4。載荷的天線口徑為1.2 m，因此其空間分辨率與表4 中的其他載荷差異較大。但HY-2A 衛星填補了中國實時獲取海洋動力環境要素的空白[43]。2018 年10 月，HY-2B 衛星成功發射，其被動微波載荷與HY-2A 相同，但性能更加穩定。RM 計劃在于2024 年發射的HY-2E 衛星上繼續裝載，其他衛星上沒有安裝計劃。表4 中最后一行為中國的海洋衛星微波成像儀RM 的主要技術參數，可見其與AMSR，AMSRE，ASMR2 還存在一定差距，尤其體現在天線口徑尺寸帶來的空間分辨率的不足。另外其通道設置上缺乏對云和降雨較為敏感的高分辨率89 GHz 的通道，23.8 GHz 還沿用了SMMR 和SSMI 等以前成像儀的設置，只有一個V 極化通道，從原理上來講，其帶來由于交叉極化校正誤差引起的探測能力不高。

此處與天葬院隔著百余丈，并無明顯的道路，到處都是荒草灌木和巖石。蜘蛛精一路直行，逢木便踏，遇石便踩，似乎沒有什么能夠擋住它的腳步。青辰從地上爬起來，撿起一根粗木棍，悄悄跟在它的身后，借著沿途的障礙物掩藏身形。

1.3 不掃描微波輻射計

不掃描輻射計一般包括天底點觀測微波輻射計、推帚式微波輻射計和綜合孔徑輻射計。這類輻射計有的是不需要掃描，例如HY-2 校正輻射計載荷，有的是由于某種限制使得衛星不能承受掃描帶來的問題，如衛星轉動慣量的要求非常高，例如重力衛星、寬幅成像高度計衛星的校正輻射計，還有的是由于載荷天線口徑過大，無法適應安裝需求等例如SMOS，Aquarius。中國的海洋鹽度衛星包含兩臺微波輻射計：一臺一維綜合孔徑輻射計MICAP[44]和一臺L 波段二維綜合孔徑輻射計。

大氣校正輻射計是一類天底指向的微波輻射計，目的是給同程觀測的星下點衛星高度計提供大氣濕對流層的路徑延遲校正。這類輻射計典型的有：中國的HY-2 衛星系列校正輻射計ACMR[4]（見圖7）[4]，美國T/P 衛星上的TMR[45]，歐洲ERS-2 衛星和Envisat 衛星的校正輻射計MWR，Jason-1 衛星的JMR[46]，Jason-2 和3 的AMR[47]，哨兵3 號（Sentinel-3A～3D）系列衛星的校正輻射計MWR[48]。校正輻射計通常包括2 個或者3 個頻段，三個頻段一般包括Ku（一般是18.7 GHz），K（一般是23.8 GHz）和Ka（一般是34～37 GHz）三個波段，極化方式是水平或者垂直極化。這三個頻段對大氣水汽和液態水較為敏感，對海面風也很敏感，因此通過三個頻段的亮溫可以對水汽和液水引起的路徑延遲進行校正，并很好地消除風的影響。采用二頻段的校正輻射計通常采用后兩個波段，風影響的消除需要借助其他的數據源。校正輻射計對于大氣濕路徑延遲校正的精度通常在1 cm 量級，這樣就很好地保障了雷達高度計海面高測量精度在幾個厘米的水平以內。

圖7 HY-2 校正輻射計的實驗室折疊狀態（左側是折疊的反射面天線，右側是三個定標天線）Fig. 7 Folded state of the HY-2 calibration radiometer （the left side is the folded reflector antenna, and the right side is the three calibration antennas）

綜合孔徑微波輻射計的代表是2009 年歐空局發射的SMOS 海洋鹽度和土壤濕度衛星。該衛星是為了驗證綜合孔徑技術，特別是二維綜合孔徑技術而發射的專題衛星。通過采用二維綜合孔徑技術可以實現多入射角的海面輻射觀測，進而用于海面鹽度的反演[49]。

由于不掃描輻射計觀測的范圍取決于波束寬度和入射角，因此難以實現寬刈幅的觀測，這樣在一些特殊的觀測，需要采用多波束并排觀測，這類觀測方式稱為推帚式觀測。代表性的輻射計是NASA 發射的SAC-D 衛星鹽度輻射計Aquarius，其采用不同入射角的3 個波束推帚式觀測，實現390 km 的觀測刈幅[7]。在這個衛星上的另外一臺微波輻射計MWR，也是采用推帚式觀測方式，MWR 是2 個頻段3 個通道的輻射計（23.8 V，36.5 VH），利用8 個平行波束實現380 km 刈幅的觀測，用來同步獲得海面水汽含量、雨率、風速、海冰等參數信息。

2 星載微波輻射計技術發展趨勢

2.1 功能綜合化與一體化

空間微波輻射計的發展正朝著頻率更多、功能更加全面的方向發展。前面提到的下一代歐洲氣象衛星、美國的ATMS 以及中國的風云五號衛星，都在對星載微波輻射計的發展進行規劃和論證。首先能夠確定的是，未來空間微波輻射計技術發展首先是綜合化、集成像和探測于一體的技術體制。下面以俄羅斯的微波成像探測儀的發展為例，介紹綜合發展的考慮。

俄羅斯在被動微波遙感技術發展上獨樹一幟。俄羅斯于1974 年在其氣象衛星Meteor-P1 上運行的被動微波輻射計（SHF）是目前已知最早的星載圓錐掃描輻射計[22]，比SMMR 早4 年發射，隨后在1976，1977，1981 年的Meteor-P2，P3 和P6 三顆衛星均載有此種輻射計進行地球表面的遙感觀測，刈幅寬度900 km[22]。俄羅斯的第三代氣象衛星在第二代氣象衛星的基礎上，載荷數量進一步提升，其包含11 顆衛星，其中第一顆為試驗星Meteor-3 M，8 顆Meteor-M 和2 顆Meteor-MP，其中Meteor-3 M 于2001 發射，其上搭載一臺20 個頻率26 個通道的微波成像儀（MTVZA），頻率范圍從18.7 到183.31 GHz，用于獲取地表亮溫圖像、溫濕度廓線和降水[22]。在隨后2009 年開始的業務星Meteor-M 上，搭載了改進型微波成像儀（MTVZA-GY），增加了海面溫度和風速遙感的10.6 GHz 雙極化通道，而計劃2025 年發射的增強型微波成像儀（MTVZA-GY-MP）進一步把頻率擴展到6.9 GHz，以實現海面溫度的同步觀測[22]。表5給出俄羅斯3 臺微波成像探測儀的比較。從時間上看，俄羅斯的MTVZA 是一臺比SSMIS（見表2 和表5）更早的、集成像和探測于一體的圓錐掃描輻射計。表5 中最后一列括號中為SSMIS 不同于前三個載荷的極化方式?？梢钥闯?，這些成像儀探測最高頻率都包括183.31 GHz 的水汽吸收通道，而且兩臺載荷的天線口徑也近似相同（俄羅斯的都為61 cm×66 cm，而美國的65 cm）。表5 中的瞬時視場和像元對應的是俄羅斯成像儀的口徑，SSMIS 的瞬時視場和像元與表中所列參數有所不同，主要是入射角和軌道高度不同導致的，具體數值這里省略。比較表1 和表2 可以看出，在空間分辨率上，氣象衛星的微波成像儀或者微波成像探測儀總體偏低，分辨率差。而中國微波成像儀的空間分辨率逐步提升，未來的天線口徑是目前的2 倍，183.31 GHz 的IFOV 可以達到4 km×7 km，這可能導致地面覆蓋率的下降。因此空間分辨率和地面覆蓋率這兩個參數需要權衡折中考慮，以滿足不同的應用需求，這個問題在下面還將進一步討論。

表5 俄羅斯3 代微波成像探測儀與美國SSMIS 的比較Table 5 Comparison of 3 Russian Microwave Imaging sounders with the American SSMIS

從國內外發展歷程以及未來規劃可以看出，氣象衛星微波成像儀融合了表面成像和大氣探測技術，減小不同載荷或者衛星之間時空匹配引起的誤差和不確定性，提升數值天氣預報等應用對多個地球物理參數同步獲取的能力。

2.2 全極化遙感能力

傳統的微波輻射計只使用微波輻射的兩個正交極化，即水平極化和垂直極化。隨著微波遙感技術的發展，特別是海面風場遙感需求的發展，全部四個斯托克斯（Stokes）極化參數的測量成為被動微波遙感的一個新的發展方向。美國2003 年發射的WindSat 衛星是一種新型的海洋遙感衛星--全極化微波輻射計試驗星。WindSat 是由美國海軍研究實驗室（NRL）開發的全球第一個試驗性質的星載全極化微波成像儀，如圖6（b）所示，該衛星成功在軌運行到2020 年[50]， 主要目的是驗證星載全極化微波輻射計的可靠性，建立相應的海面風速、風向反演算法，為將來全極化微波輻射計的業務化運行提供依據。工作高度為830 km 的太陽同步軌道，有效刈幅為1025 km，包含6.8，10.7，18.7，23.8 和37 GHz 5 個頻率，共計22 個通道，采用11 個分立的雙極化喇叭饋源進行接收。其中10.7，18.7 和37 GHz 三個頻率分別使用3 個饋源接收6 個全極化通道（垂直極化V，水平極化H，+45°線極化，-45°線極化，左圓極化LC 和右圓極化RC），通過極化組合實現海面輻射亮溫四個Stokes 參量測量，從而提取海面的風矢量信息。6.8 和23.8 GHz 是傳統的兩個正交通道輻射計，各采用一個饋源喇叭接收，并通過正交模耦合器（OMT）進行V 和H 極化分離，獲取水平和垂直極化亮溫，其中23.8 GHz 通道用來進行大氣水汽校正，6.8 GHz 通道主要用于提供海表面溫度的信息。表6 列出了WindSat 各個通道的具體參數。Wind-Sat 與AMSR-E 或者AMSR2 的主要區別在于全極化通道的交叉極化電平小于-30 dB，為此饋源喇叭的長度更大。這也導致了不同饋源的安裝位置不在一個水平圓弧上，因此不同頻段和極化的入射角存在差異（AMSR-E 或者AMSR2 的入射角除了89 GHz 的B-scan 以外都為55°），需要在數據處理時進行地面像元的匹配。

表6 全極化微波輻射計的比較Table 6 Comparison of fully polarized microwave radiometers

WindSat 衛星推動中國全極化微波輻射計FPMR（Full Polarized Microwave Radiometer）遙感技術的發展，2016 年FPMR 開始成功在軌運行。最近，2022 年美國發射了小型化的全極化微波輻射計（COWVR），包含了18.7，23.8 和33.9 GHz 三個頻率18 個通道，每個頻率都具有V，H，+45°，-45°，LC和RC 六個極化狀態，以驗證這種小型化的全極化輻射計的測量風場的能力[51,52]。COWVR 天線口徑75 cm，設計壽命3 年。在美國WindSat 后續業務衛星（WSF-M）中，計劃有兩臺全極化微波輻射計MWI[22,53]，頻率范圍10～89 GHz，仍然采用180 cm的偏置拋物面天線。在10，18 和37 GHz 頻率仍然采用全極化接收方式，但是他們把接收類型從極化組合型輻射計變為極化相關型輻射計，通過直接測量H 和V 極化的相關系數進行第三和第四斯托克斯參數亮溫的測量，這與中國的FPMR 的10.7 和19.35 GHz 的接收類型相同。此外在ESA 正在研制的哥白尼哨兵擴展衛星計劃（Copernicus Sentinel Expansion Missions）中的哥白尼成像微波輻射計（CIMR）是一臺新型綜合微波成像儀，5 個頻率分別為1.4，6.9，10.7，18.7 和36.5 GHz，全部采用全極化的形式[54]。表6 給出幾個主要全極化微波輻射計參數的比較。采用全極化輻射計的形式不但可以反演海面的風速和風向，同時還能提高其他參數（如海面溫度、鹽度等參數）的反演精度，減小反演誤差。原則上講，任何頻段海面發射率都包含風向的調制，如果忽略必然使得海面發射率的誤差增大，進而導致反演的海面參數誤差增大。

2.3 應用頻率不斷擴展

2.3.1 電磁波頻率的拓展應用

空間微波遙感經過50 多年的發展，對地球表面的觀測電磁波頻段主要集中在微波波段，頻率范圍0.3～3000 GHz（經典文獻到300 GHz，對應波長1 mm），對應的波長1 m～0.1 mm。目前通用的微波波段劃分及其名稱見表7。需要說明的是，40 GHz 以上的頻率范圍，不同的文獻略有不同，更高頻段的名稱及其劃分目前沒有統一說法。

表7 微波波段的名稱及頻率范圍Table 7 Microwave band name and frequency range

觀測頻率和通道的選擇取決于探測目標的需求，本質上取決于表面發射率和大氣透過率。表面發射率決定了表面輻射的強度。圖8[55]分別給出40 GHz以下陸表和海表參數對于亮溫的相對敏感性[55]。大氣透過率決定了大氣在接收的輻亮度中所占的比例，如圖9 所示。由于大氣和地球表面的作用是耦合在一起的，因此通道的選擇需要根據遙感參數對于亮溫的敏感性來確定。目前海面發射率模型已經有較為成熟的發展[56]。陸地表面由于混合像元的問題導致發射率模型還不夠完善[57]，有待建立適應不同地表類型和空間分辨率的微波陸表發射率模型，提升微波輻射計陸地遙感數據的應用能力[57-60]。

圖8 40 GHz 以下陸地表面（a）和海洋表面（b）參數對于亮溫的敏感性Fig. 8 Sensitivity of land surface （a） and ocean surface （b） parameters below 40 GHz to brightness temperatures

圖9 利用美國空軍地球物理實驗室提供的亞北極地區冬天廓線計算的透過率（a）和不同大氣成分（水汽、氧氣、臭氧）的光學厚度（b）Fig. 9 Transmittance （a） and optical depth （b） calculated using a subarctic winter atmosphere profile from ARGL

圖9 給出利用美國空軍地球物理實驗室（AFGL）提供的亞北極地區冬天（subarctic-winter）廓線計算的透過率和不同大氣成分（水汽、氧氣、臭氧）的光學厚度在1000 GHz 以下隨著頻率的變化，可見頻率越低大氣的影響越小，頻率越高大氣對于空間遙感的作用越大。頻率越低表面（陸地和海洋）的作用越強，頻率越高表面的作用越弱。在100 GHz 以上大氣的吸收和輻射起主要作用，而表面的作用很小。地球大氣的主要吸收氣體包括水汽和氧氣。在微波范圍這兩個吸收氣體提供大氣濕度和溫度廓線的探測手段，而在THz 波段，很多大氣成分，例如臭氧等對于衛星觀測的輻亮度都有貢獻。

根據國際電聯（ITU）對被動微波遙感頻率的帶寬的推薦[61]，1～1000 GHz 范圍內可用于遙感的參數見表8[61]。從表8 可以看出，這些頻段中700 GHz 以下頻段已經有所應用，而在更高頻率（包括1 THz 以上頻段），由于硬件技術發展水平不足的限制，尚未得到充分應用。這些是未來空間地球遙感的發展方向之一。主要應用方向包括中高層大氣成分和痕量氣體、風場等參數的遙感。這些應用可以拓展到天文學和行星遙感探測的應用上。

表8 國際電聯ITU 推薦的被動微波遙感通道Table 8 Passive microwave remote sensing channels recommended by ITU

隨著被動微波遙感技術的發展及其應用需求的深入，空間被動微波遙感向電磁波譜的兩側發展。一是向更高頻率-THz 波段發展，主要用于中高層大氣成分和參數的遙感，例如由戈達德太空飛行中心（GSFC）向NASA 提議的用于熱層風、溫度和密度探測的太赫茲臨邊探測儀（TLS）[62]，其包括兩臺輻射計，工作頻率分別為1.12 和2.06 THz；二是向更低頻率-L 和P 波段發展，主要利用低頻電磁波更大的穿透深度，可以獲得次表層和一定深度以內的地物參數信息，例如探測極地冰川的厚度和溫度分布等[63]。這兩個發展方向的實施需要配合硬件技術的發展，THz 技術需要THz 輻射計技術，特別是低噪聲技術的發展，使得探測靈敏度符合探測的需求；低頻微波和無線電遙感技術的發展需要大口徑天線技術和復雜抗RFI 干擾技術的實現。

表8 給出了1000 GHz 以下的被動頻段應用的選取需求，如前所述，空間微波輻射遙感技術探測頻率達到幾個THz，因此對于頻率使用的規范性需要特別重視。一方面頻率的使用有利于不同遙感手段（主被動微波遙感、通信等）的多元化，從而豐富對目標和場景特性的識別和參數獲取。另一方面頻率的使用一定優先保證重要的被動微波載荷通道的需求，例如L，C 波段海面溫度和鹽度的探測通道，K 和Ka 波段大氣水汽和液水探測通道需求，50～60 GHz，176～192 GHz 大氣溫度和水汽廓線的通道需求。因為這些通道已經廣泛用于數值天氣預報等重要領域，而且發揮了不可替代的作用。所以表8 既是一個被動微波遙感通道及其應用的需求表，也是一個通道保護的頻段設置表，應該得到有關管理部門的特別重視。

2.3.2 星載THz 輻射計遙感技術

星載THz 輻射計遙感通常是指利用THz 頻段（通常頻率范圍是0.1～10 THz）的輻射計對地球或者行星大氣進行探測的技術手段。THz 輻射計技術在很早就已經用于空間遙感了。表9 給出了已經在軌的THz 輻射計遙感衛星參數及其相關描述。這里沒有包括表1、表2 和表5 中的對地觀測的工作頻率大于100 GHz 的輻射計。THz 輻射計觀測通常采用臨邊觀測的方式，以減小背景輻射（如地球背景）的影響，提高探測靈敏度和垂直分辨率。THz 是目前廣受關注的電磁波頻段，其在一定程度上可以穿透云雨、不依賴太陽作為輻射源、可以全天時全天候工作的特點使得太赫茲遙感在大氣遙感探測中相比可見光、紅外、紫外遙感具有獨特的優勢。

表9 已經完成的星載THz 輻射計衛星Table 9 Completed spaceborne THz radiometer satellites

太赫茲臨邊探測技術可以用來監測大氣溫度、臭氧、溫室氣體以及其他影響對流層和平流層臭氧化學的痕量氣體（例如：NO2，BrO，ClO，SO2等）的全球時空分布。通過大量的觀測數據，分析大氣痕量氣體的含量變化及其對輻射收支和大氣狀態參數的影響，可以更好地了解污染物的輸送特性及其復雜性，為研究平流層臭氧與大氣的物理和化學過程提供新的認識途徑。此外，太赫茲臨邊探測儀對于中高層大氣動力過程的研究具有非常大的應用潛力。例如，熱層動力學和電離層狀態取決于中層大氣向上傳播的重力波、行星波和潮汐，對全球大氣特別是風矢量和溫度進行觀測將有助于評估這些影響[64]。目前中高層大氣風場的測量尚缺少有效的測量手段，特別是對于對流層頂到中間層的大氣中層風場的觀測非常稀少。這項技術自20 世紀90 年代以來得到了充分的發展，獲得了關于大氣成分變化的寶貴的歷史數據，對于地球氣候和環境變化的研究起到重要的作用。

對于地球大氣太赫茲臨邊探測，迄今為止的星載載荷只有4 個：UARS 衛星上的MLS[65]，Odin 衛星上的SMR[66]，Aura 衛星上的MLS[67]和 國際空間站（ISS）上的 SMILES[68]。其中Aura/MLS 和Odin/SMR 工作至今，頻率已經達到2.5 THz[67]（見表9），為大氣模式提供了高精度的溫度、臭氧觀測數據，已有大量研究使用了MLS 的觀測數據。得益于太赫茲器件和技術的進步，特別是基于量子級聯激光器（Quantum Cascade Laser，QCL）、超導SIS 混頻器、HEB 混頻器和高分辨率數字光譜儀等新技術[69-71]，可以使儀器在0.1～4.7 THz 的頻率范圍內以較高的譜分辨率和較低的系統噪聲工作，在0～160 km 進行關鍵大氣要素的高精度觀測，特別是中高層大氣風場已經成為一個全新的、有潛力的探測要素[64]。盡管國際上已提出多個太赫茲臨邊探測載荷，但高昂的成本使得目前還沒有新的載荷在軌運行，而 NASA 正在研制小型化的臨邊探測儀（Continuity-MLS）來接替已經工作近20 年的Aura/MLS[72]。隨著緊湊型、外差式接收機的發展，使得小衛星搭載小型化、低功耗的太赫茲臨邊探測儀成為可能[73]。

從技術的發展來看，由于THz 硬件技術的發展，探測頻率逐步提升，對于探測的成分種類也是越來越豐富。同時THz 大氣臨邊探測還能夠提供大氣風場測量的能力，填補了這個范圍測量能力缺乏的空白。同時由于接收機技術的發展，使得探測頻率不斷提高，對于遙感器的天線尺寸要求也隨之降低，因此降低了對于衛星安裝條件的限制。目前400 GHz 以上的小型化探測儀不但可以用于常規的大氣探測衛星上，還可以用于小衛星或者行星大氣探測衛星上。這個頻段大氣的各種成分譜線分布非常廣泛，至少延伸到1～3 THz，可以選用的頻段極大地增多，因此探測的成分也隨之增加。當接收機噪聲能夠滿足靈敏度指標要求的時候，利用更高頻率探測技術將大大提高大氣譜線的探測能力。

目前國際上已經確定在未來幾年有發射計劃，正在研制中的儀器項目包括：瑞典的微型亞毫米波臨邊探測器（SIW）[74]和日本的SMILES 的后續型號SMILES-2[75]。SIW 是一個計劃安裝在一顆小衛星上的小型探測儀，采用一對垂直正交（45°和135°）的輻射計天線用于測量中高層大氣的二維風場和痕量氣體，采用制冷到比環境溫度低70 K 的方式將638 GHz 雙邊帶外差式接收機的系統噪聲溫度控制在1000 ～1200 K。后端包括一個8 GHz 帶寬、1 MHz 分辨率的自相關譜儀，垂直掃描范圍為10～90 km，垂直分辨率為5 km[74]。SIW 的工作頻率范圍為619.1～627.1 GHz 和649.05～657.05 GHz，除了655 GHz 頻段主要用于測風，還包含了O3及其同位素，H2O，HDO，HCl，ClO，N2O，HNO3，NO，NO2，HCN，CH3CN 和HO2等成分的吸收譜線探測。圖10[68]給出了SIW 的載荷結構。

圖10 SIW 載荷Fig. 10 SIW payload

SMILES-2 也采用了與SIW 類似的一對正交方向的天線用于測量二維風場和痕量氣體，并在638 GHz 頻段的基礎上增加了763 GHz，1.83 THz 和2.06 THz 輻射計。763 GHz 頻段用于測量O2和H2O的吸收譜線，1.83 THz 用于測量OH，而2.06 THz 可以將大氣風場的觀測范圍拓展到160 km。計劃采用與SMILES 一樣的4 K 制冷的SIS 混頻器，可以將GHz 頻段輻射計的系統噪聲溫度控制在150 K 左右，THz 頻段輻射計的系統溫度控制在990 K 左右。其中GHz 輻射計的頻譜帶寬為6 GHz，THz 輻射計的頻譜帶寬為1 GHz，頻譜分辨率為0.5 MHz。主要探測目標包括了30 km 以上的水平風場，20 km 以上的大氣溫度，90 km 以上的基態原子氧，中間層頂的大氣密度以及15 種大氣成分的含量[76]。表10 給出了上述國外臨邊探測載荷的指標對比。

表10 地球大氣臨邊探測儀指標對比Table 10 Comparison of specifications of spaceborne limb detectors of the Earth

國內對THz 臨邊探測儀的研究起步較晚，還沒有在軌的臨邊探測器。目前在民用航天技術預先研究項目的支持下，中國科學院國家空間科學中心開展了太赫茲中高層大氣臨邊垂直探測儀（TALIS）的研制[77]。TALIS 是一臺用于大氣臨邊探測的太赫茲輻射計，工作頻段包括118，190，240，640 GHz，后端采用了自研的快速傅里葉變換（FFT）數字頻譜儀，具有2 GHz 頻譜帶寬和2.3 MHz 頻譜分辨率，天線投影口徑1.6 m。測試結果表明，TALIS 的原理樣機在640 GHz 頻段系統噪聲溫度可以達到2300 K，可以反演的大氣參數達到16 種，如圖11 所示[78]。

圖11 TALIS 可以觀測的參數及其高度范圍分布Fig. 11 Parameters that may be observed by TALIS and their height range distributions

2.3.3 低頻微波被動遙感技術

低頻微波遙感使用最多的L 波段的微波輻射計。L～S 波段對于土壤濕度和海面鹽度的變化非常敏感，因此從很早的時候就用于機載或者地面的遙感應用。星載的應用開始于2009 年歐洲的SMOS 衛星，其搭載了第一臺二維綜合孔徑微波輻射計MIRAS，用于全球的土壤濕度和海洋鹽度的遙感。美國2015 年發射了一顆L 波段土壤濕度衛星SMAP，采用6 m 口徑的網面天線（見圖12），通過圓錐掃描實現1000 km 刈幅的全球土壤濕度和凍融的觀測[79]。表6 中歐洲正在研制的哥白尼成像微波輻射計CIMR 天線口徑達到7 m，有效提升了L 波段空間分辨率，進而提高對于海面鹽度、土壤濕度和冰的監測能力[54]，減少綜合孔徑輻射計中的系統噪聲和各種干擾的影響。

圖12 SMAP 衛星觀測。6 m 輕量可展開網面反射面，雷達和輻射計共用一個饋源，天線和接收機同時旋轉實現圓錐掃描Fig. 12 SMAP satellite observation. 6 m lightweight deployable mesh reflector, radar and radiometer share a feed source, the antenna and receiver rotate simultaneously to achieve conical scanning

低頻電磁波遙感的最大優勢是其可以探測到一定深度（取決于穿透深度）的場景或者目標，其接收到的亮溫中包括這個深度內溫度和介電特性的分布特征。SMOS 輻射計可以提供極地邊緣冰厚的遙感數據[5]。Jezek 等[63]利用機載低頻微波譜儀進行格陵蘭冰厚飛行試驗，初步驗證了遙感觀測極冰的可行性。低頻遙感不但面臨天線口徑巨大的工程安裝問題，還需要考慮RFI、宇宙背景噪聲的干擾等對于觀測數據質量的影響。例如銀河噪聲的時間變化的影響[6]。

中國正在研制的海洋鹽度衛星包含了一個類似SMOS 衛星的L 波段二維綜合孔徑輻射計和一個三波段一維綜合孔徑輻射計MICAP。MICAP 采用大口徑一維柱面天線在飛行方向是真實孔徑，在垂直飛行方向通過多基線干涉實現多入射角的大刈幅觀測，工作頻率為L，C 和K 波段[44]。圖13 是海洋鹽度衛星的官方效果圖。左上方是MICAP，下方的Y 型天線的是二維綜合孔徑輻射計。

圖13 海洋鹽度衛星的官方效果Fig. 13 Ocean salinity satellite rendering

微波輻射計通過接收目標或者場景的微弱的自然輻射來獲得相關的地物參數信息，因此不但參數的反演精度受到其自身探測靈敏度的影響，而且參數的空間分辨率也受到天線口徑的限制。即使是綜合孔徑輻射計也同樣有物理尺寸、硬件規模等方面的限制?？臻g微波輻射計的顯著優勢是其快速的全球覆蓋和多參數同時觀測的能力，其劣勢就是其空間分辨率相對較差。因此其無法實現主動微波遙感器如SAR 高清晰的觀測能力。當然SAR 也很難實現類似輻射計的快速全球覆蓋能力。因此空間分辨率和空間覆蓋率需要一個權衡?？臻g分辨率越高，地面完全覆蓋越困難，所以，空間微波輻射計不可能以高空間分辨率實現快速全球覆蓋，空間微波輻射計的大尺度快速全球觀測能力是其重要特色和能力?？臻g分辨率的提升還需要權衡考慮系統靈敏度指標的需求。因為空間分辨率提升會進一步縮短每個像元的觀測時間，因此留給接收機硬件的積分時間就更短。根據輻射計靈敏度的計算公式，輻射計系統的靈敏度與積分時間的平方根成反比，因此積分時間越短，靈敏度越差。

當然在特殊的應用場合，或者是不需要全球覆蓋或者高空間覆蓋率的應用場景，可以在犧牲空間覆蓋性要求的情況下，通過增大天線口徑提升空間分辨率（例如采用推帚式觀測模式[7]），一些低頻通道也可以采用綜合孔徑的體制提升圖像的空間分辨率。例如對于近岸海水溫度和鹽度的觀測、冰雪的觀測、海洋亞中尺度現象如流場的遙感觀測[80]，以及部分云雨的觀測（臺風、熱帶氣旋時云雨結構），可以采用這種方式提升空間分辨率。例如大氣成分、溫度、風場等的臨邊遙感觀測，通過增大天線口徑提升垂直分辨率，進而提高對于大氣垂直結構的精細化研究水平。

此外，可以通過小衛星組網觀測的方式，同時提升時間和空間分辨率。每顆小衛星的微波輻射計載荷可以實現傳統微波輻射計的探測能力[81]，多顆衛星相同載荷的組網，可以提升時空覆蓋率。再通過數據處理的新技術，例如同化技術或者人工智能（AI）技術，提升輻射計處理能力，滿足多方位的用戶需求。

3 中國空間微波輻射計數據處理及其應用的思考

3.1 數據處理及規范化

空間微波輻射計數據定義需要遵守基本規范，以利于更多用戶使用，提升數據效能。NASA 的地球觀測數據和信息系統 （EOSDIS）對于數據級別給出如下定義[82]。

0 級數據（L0）： 重新構建的、原始分辨率的、未處理的儀器/平臺的數據包。文件中去掉了人工附加的任何通信信息，例如幀同步數據、通信的頭文件等。

1 A 級數據（L1 A）：原始分辨率的、未處理的儀器數據、參考時間和一些輔助注釋信息在一起重新構建的數據包。輔助信息包括：輻射計定標、幾何定標系數、大地參考面的參數等。這些數據有的通過計算給出，有的直接附加在后面，但是沒有應用于L0 數據。

1 B 級數據（L1 B）：L1 A 數據轉換為傳感器的單位（工程單位）。并不是所有儀器都有對應的L1 B數據。

2 級數據（L2）：根據L1 數據提取的、相同分辨率和地理位置下的亮溫和反演的地物參數數據。

3 級數據（L3）：在一致的時空網格下的亮溫和參數的圖像，通常具有完整性和一致性。

4 級數據（L4）：指對低級別數據分析而由相應模式得出的輸出結果。

作為例子，表11 給出AMSR/AMSR-E 的標準數據定義[83]。AMSR 的地物參數由L2 和L3 標準數據給出。AMSR 數據流程如圖14 所示[83]。

表11 AMSR/AMSR-E 的標準數據定義Table 11 Standard product definition for AMSR/AMSR-E

圖14 AMSR 標準數據流程（一級數據由儀器研制方NASDA 產生）Fig. 14 AMSR standard product flow chart （Level 1 was produced by NASDA）

下面主要分析L1 和L2 級數據的內容及其基本要求。

L1 A 數據用來作為后續定標和數據處理的輸入。在這個過程中，要加入表示數據好壞、儀器工作狀態是否正常、數據是否缺失等的質量標記。數據除了不同波段的數碼值以外，至少應該包括掃描時間、空間分辨率、頻率、數據級別、數據類型、數據大小和數據獲取方式等數據項。AMSR-E 的L1 A 數據[83]以半軌為單位，在極點分界（為了重采樣，在分界點左右各重復保留一定掃描周期的數據），這樣一個軌道就包括升軌和降軌兩個文件。每個文件中包括時間序列的天線溫度數碼值和相關的輔助數據，以層狀數據格式（HDF）存儲。L1 A 數據包括時間、經度、緯度、天線溫度、定標公式的斜率和截距（用于計算天線視在溫度）、各種定標源溫度數碼值、陸地/海洋標識、導航信息等。

L1 B 數據是經過定標、定位以后的各個通道的亮溫值，以各自的空間分辨率保存。同時包括工程、定標、衛星等的輔助數據。這些數據包括所有通道、所有觀測目標的數碼值，即觀測地球、冷空和定標源的數碼值。同時還包括工程和平臺的輔助數據、數據質量、誤差估計、定標系數等。這里包括一系列的處理過程，例如源數據包的解碼、應用特征數據和定標數據、計算UTC 表示的時間碼、計算工程單位表示的儀器測量結果等。

L2 數據包括空間分辨率重采樣后的亮溫數據和反演的地物參數標準數據。使用共同天線的微波輻射計，通常情況下不同頻率在地球表面產生的增益模式并不相同。這樣對于這些測量結果的直接比對是很復雜的，因為觀測的位置不盡相同。L2 A 數據由不同頻率對應的不同地面足印內的、空間一致的亮溫組成。在每個對應的空間分辨率內，都有對應的不同波段的亮溫。L2 A 的輸出的亮溫數據用來作為微波輻射計L2 參數反演算法的輸入數據。

L2 A 數據的主要內容包括：覆蓋范圍、時空特征、數據用途和級別、數據大小、數據格式等。AMSR-E L2 A 的定義與L1 A 相同，也是以半軌為一個文件。該文件中包含按時間順序重采樣的亮溫。L2 A 重采樣亮溫和相應數據（原始分辨率亮溫數據）使用HDF 格式存儲為一個文件。

L2 A 輔助數據包括內部輔助數據和外部輔助數據。內部輔助數據是指用于微波輻射計數據處理但又不包括在輻射計數據包之內的數據，例如導航系統的軌道信息、平臺姿態和特征數據、輻射計特征數據等。外部輔助數據是指外部提供的數據模式，這些數據不是來自衛星平臺本身，其主要用來進行地理定位和儀器測量結果的地球物理校正，主要包括：軌道數據、初始軌道、精確定軌、時間關系、閏秒等。此外，還有L1 A 數據得出的、對某些用戶感興趣的數據，例如起始軌道數、終止軌道數、升交點經度、升交點日期和時間、軌道方向、掃描數目、軌道半長軸、軌道離心率、軌道近地點角矩、軌道傾角、軌道周期、橢球體名稱、地球半主軸、地球的扁率等。在L2 A 階段的輔助數據還包括權重系數表和通道表。權重系數表以單獨文件保存，每個文件對應一種頻率組合的權重系數。通道表給出了不同通道數對應的頻率[83]。

3.2 數據處理算法及其流程的規范化

空間微波輻射計數據處理應包含圖15 流程中的算法[84]。地面處理系統提供原始數據文件（通常對應L0 數據，也稱為RDR）。然后應用熱參考負載和冷空定標負載的數據對饋源處的天線溫度（TA）輻射計計數值進行定標。TA可以直接輸出產生天線溫度數據（簡稱TDR）。另外，通過對進入天線饋源能量溢出的校正（饋源旁瓣和反射面截獲效率的影響），獲得地面目標的天線溫度（），再經過天線方向圖校正，獲得觀測場景的亮溫TB（簡稱SDR）。地理定位模塊計算輻射計的觀測角、入射角、方位角和經緯度位置，用于天線方向圖校正模塊進行交叉極化校正、天線極化旋轉校正、大氣的法拉第旋轉校正等，此外由于天線像元內在地表的入射角存在差異（尤其是天線波束寬度較大的通道），所以需要對像元內進行入射角校正，這樣才能得到準確的亮溫數據。在天線溫度之前和地理定位之前都要進行數據質量檢測，以確保所有的RDR 在預期的范圍之內。在TDR 和SDR 數據文件中包括適當的數據質量標志。傳感器常數文件（SCF）為所有處理模塊提供傳感器特定的信息，主要包括頻率、極化、通道響應函數、天線方向圖、測溫電阻的定標系數等。

圖15 空間微波數據處理算法流程Fig. 15 Spaceborne microwave radiometer data processing algorithm

圖15 包含的主要算法有以下5 類。

第1 類數據處理和定標算法。

主要包括對于定標源溫度和亮溫的誤差分析和校正，對定標源觀測電壓的穩定性分析和加權平均策略確定，兩點定標方程計算，非線性修正系數計算及非線性偏差的計算等，最終得到天線溫度的定標結果[13,85,86]。

第2 類天線溢出校正算法。

饋源口面定標需要校正饋源方向圖的影響；如果是包括天線反射面的整體定標，需要考慮饋源與反射面截獲效率（邊瓣電平）的影響。這兩種情況都體現為天線周圍環境溫度對于接收到的天線溫度TA的貢獻[36,84]。因此在儀器研制過程中，饋源的天線方向圖和截獲效率等參數需要測量并提供給數據處理系統。

第3 類天線方向圖校正算法。

天線方向圖校正包括交叉極化校正、極化旋轉校正、法拉第旋轉校正、入射角校正等[36,84]。這里所需要的遙感器常數包括不同頻段的同極化和交叉極化方向圖、載荷姿態、地理位置等[87]。

第4 類地理定位算法。

通過衛星姿態和GPS 信息，利用傳感器的觀測角度信息和安裝矩陣，計算在測地坐標系下的經緯度、入射角和方位角。經典算法可以參考MODIS 的地理定位算法[88]。此外還有其他算法，例如基于定位和軌道參數的算法、基于數學模型的算法等。

第5 類空間分辨率匹配算法。

空間分辨率重新采樣包括兩個方向：空間分辨率匹配和空間分辨率增強?？臻g分辨率重新采樣的基本算法是GBI 算法[89]?？臻g分辨率匹配是把不同空間分辨率觀測數據匹配到相同的空間分辨率，也就是把空間分辨率高的觀測數據匹配到空間分辨率低的數據[90-93]，例如AMSR-E 數據中5 個不同空間分辨率的重采樣亮溫數據集，對應于 6.9，10.7，18.7，36.5和 89 GHz 5 個不同的空間分辨率[92]。由于星載輻射計的不同探測頻點觀測波束在地球表面投影足跡大小不同，對地分辨率差距較大。而在被動微波遙感中，大部分的地表參數及氣象參數例如土壤濕度，雪覆蓋，降水，是需要多通道探測信息協同反演的，并且有時需要多天長時間的觀測數據。在進行不同頻率探測通道的協同參數反演過程中，各通道足跡的空間分辨率不一致若不經過重采樣會導致反演誤差。因此必須考慮不同的分辨率引起的誤差。為提高反演精度，儀器原始數據需要通過重采樣使空間分辨率一致。當然并不是所有參數的反演，例如大氣反演，都需要嚴格的相同空間分辨率的不同波段亮溫。其反演可能直接從測量的L1 B 亮溫開始。從L1 B 數據到L2 A 數據，需要使用處理算法，都會人為引入算法誤差。一般來講，L1 數據由載荷的研制單位或生產廠家處理，因為處理過程包括地面定標和質量測試過程中的一些與儀器有關的數據。

空間分辨率重新采樣的另外一個方向是空間分辨率增強[94,95]，這個算法通常在L3 及其以上數據中使用，例如降雨、海冰數據等。被動微波遙感最主要的缺點是空間分辨率較低，因為空間分辨率既依賴于天線的尺寸又依賴于頻率。由于受到衛星對有效載荷體積和重量的限制，星載微波輻射計無法裝配大型天線，所以星載微波輻射計的固有空間分辨率比較低，通常都在幾十千米量級，限制了其在陸地、海洋和冰川等許多研究領域的應用。目前提高星載微波輻射計空間分辨率的方法可大致分為數據融合方法和基于天線方向圖反演的方法。數據融合方法主要是通過引入互補觀測的額外信息來提高空間分辨率[96]?；谔炀€方向圖反演的方法是根據輻射計本身的過采樣測量機制來重建更高分辨率的數據[90-93]。

將高分辨率降低至低分辨率很容易做到，但會導致小尺度信息的平滑。因此，通過增強低空間分辨率去匹配高空間分辨率是一種更好的方法。然而，在不放大噪聲的前提下依靠輻射計本身觀測信息不足以將低頻通道空間分辨率增強至與高頻通道匹配。但是如果適當放寬對噪聲的限制將會獲得更好的分辨率增強效果。在選擇合適的采樣重疊率與噪聲放大策略的前提下，通過空間分辨率增強來匹配通道間的空間分辨率是可以實現的[97]。這方面的研究具有重要的應用價值，其可以通過在一定限度下的硬件提升空間采樣和空間分辨率的情況下，結合軟件處理技術使空間分辨率和輻射分辨率達到優化。換個角度講，在滿足一定的空間分辨率和采樣的條件下，可以通過軟件優化技術，實現在一定程度上空間分辨率增強，同時降低觀測噪聲，從而間接提高靈敏度。這為星載微波輻射計在特定區域或者特殊需求的高分辨率觀測，例如近岸海洋參數、極冰、降雨等的高分辨率觀測提供了一種新的技術途徑。

3.3 定標與真實性檢驗的標準化

空間微波輻射計要實現對觀測目標輻亮度或亮溫的精確測量，就需要對其進行定標[4,86,98-100]。微波輻射計定標就是用輻射計系統接收微波輻射特性（輻亮度或亮溫）精確已知的定標源的輻射信號，構造出系統輸出信號與接收到的輻射量值之間的定量關系。因此，定標技術是微波輻射計系統研究與應用的關鍵技術之一，是微波輻射計系統數據定量化應用的基礎，是獲得高質量數據的依據和保障[18,86]。

圖16 給出了微波輻射計定標的總流程，為了對輻射計進行完全定標，包括以下四個部分。

圖16 星載微波輻射計定標總流程Fig. 16 Overall flow chart of calibration of spaceborne microwave radiometer

第一部分是數據質量控制。包括對輻射計在正常范圍的輸出的評估（例如熱源和冷空溫度及其輸出的讀數的均勻性和穩定性）、像元場景干擾（例如RFI）分析和判別，以及接收機的工作狀態（例如輻射計射頻和中頻傳輸路徑的溫度穩定性）的分析等。

第二部分是發射前定標。發射前定標在實驗室進行，利用準確已知的輻射源在可控條件下進行。在發射前對所有儀器狀態和壓力因素進行測試是非常重要的，因為其是在輻射計暴露到嚴苛的軌道環境之前對儀器特性準確建模的唯一手段。發射前定標主要目的是通過模擬微波輻射計在軌運行環境來評價其性能，建立系統的輸出電壓與已知輸入輻射量的關系，并獲得在軌定標所需的不同工作溫度下的非線性系數[85,86,101]。發射前定標需要地面定標基準作為參照，獲得定標參數，同時地面定標基準也為星上定標提供參考基準。但是由于目前微波輻射基準體系尚未建立，所以圖16 中地面定標基準和亮溫真值都是相對值，還不能進行傳遞和比較。未來期望能夠在規范定標技術流程和定標方法的基礎上，進一步梳理和建立定標輻射基準，至少建立一個國家級的傳遞體系，為地面和空間被動微波遙感提供一個公共的、但不一定絕對的定標參考基準，提高空間微波輻射計的數據之間的一致性[102]。

第三部分是在軌定標。在線性定標基礎上，利用發射前定標獲取的非線性系數，實時修正系統非線性，從而獲得準確的輸出亮溫。同時開展天線方向圖修正和月球污染修正[98,99]。

第四部分是發射后數據的定標/檢驗。微波輻射計定標檢驗是利用外部的亮溫的真值和星載微波輻射計的亮溫測量值進行比較，以確定定標系數/偏差的過程。通過待定標/檢驗亮溫數據（圖16 中“衛星微波輻射計原始數據”）與一個等效真值（圖17[103]中“亮溫真值”）進行比較（例如利用其他衛星TB 值的交叉定標、確定TB 偏差的替代定標、利用輻射傳輸模型結合背景場的絕對定標（例如OMB 方法）得到的定標結果），計算亮溫的偏差和精度。當發現被檢驗的輻射計亮溫/輻亮度數據與亮溫真值存在差異超過設定的門限值的時候，需要對當前輻射計的傳感器定標（圖17[103]中“星上定標”（天線溫度定標與天線方向圖定標）和定位）進行重新分析，確定誤差分布特性，并進行校正，直到重新定標結果與真值具有很好的一致性。最后還需要對定標的穩定性和一致性進行評價，以生成定標后的亮溫和定標的結果[100,102]。發射后定標/檢驗的標準流程已經由國際標準化組織（ISO）發布，流程如圖17 所示[103]。圖17[103]中天線溫度定標是指對圖16 中天線溫度定標中定標源偏差和非線性偏差的在軌校正，天線方向圖定標是指利用在軌的實際觀測幾何、亮溫數據（來自模擬或者其他亮溫真值）對天線方向圖的影響進行校正。輔助數據包括傳感器常數文件和衛星相關的輔助信息。

圖17 星載微波輻射計數據定標/檢驗流程Fig. 17 Spaceborne microwave radiometer data calibration/validation

4 結語

空間被動微波遙感技術經過50 多年的發展，已經成為空間地球科學的重要數據來源之一。以微波輻射計的觀測幾何作為分類依據，從氣象和海洋兩大應用方向，系統總結了微波探測儀和微波成像儀技術及應用的發展，對比了中國與國外相關國家和機構的載荷性能，分析總結空間微波輻射計技術發展的趨勢，對中國空間微波輻射計數據處理及其應用提出了一些思考，對衛星數據處理及規范化、數據處理算法及其流程的規范化、定標和真實性檢驗的標準化等方面的內容進行了深入分析，以提升中國衛星微波輻射計的質量和業務化水平，拓展數據的應用范圍，產生更大的社會經濟效益。

本文只針對空間地球科學應用的星載微波輻射計進行分析，其實微波輻射計的發展得益于早期的射電天文學方面的應用，由于篇幅限制不再贅述。另外由于50 多年的發展，空間載荷形式和技術特點多樣，這里不能完全覆蓋全部內容。主要目的是通過對國內外對地星載被動微波遙感技術及其應用發展的分析，為未來該技術在空間應用提供參考，尤其是不同類型載荷需要服務不同應用方向，在載荷的時間、空間、輻射分辨率指標上需要進行折中考慮，對于特殊需求的遙感需求，突出要重點解決的應用方向及其關鍵技術問題，注重數據標準化和數據的應用，推動這項微波遙感技術發揮最大應用效能。