靜止軌道微波大氣探測的技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展展望

盧乃錳　谷松巖（國家衛(wèi)星氣象中心，北京 100081）

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靜止軌道微波大氣探測的技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展展望

盧乃錳谷松巖
（國家衛(wèi)星氣象中心，北京 100081）

摘要：分析了靜止軌道微波大氣探測的重要性，介紹了發(fā)展靜止軌道微波大氣探測的國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀和所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)。在論述新型干涉式綜合孔徑技術(shù)體制優(yōu)勢的基礎上，提出將傳統(tǒng)真實孔徑與新型干涉式綜合孔徑技術(shù)體制相結(jié)合，發(fā)展我國靜止軌道微波大氣探測的設想。

關鍵詞：靜止軌道微波探測，真實孔徑，干涉式綜合孔徑

0　引言

對臺風、暴雨、強對流等災害性天氣過程的高時效、高精度監(jiān)測對提高天氣預報準確率具有重要意義。盡管極軌氣象衛(wèi)星具有通道信息豐富、空間分辨率高的特點，然而，較長的回歸周期限制了極軌氣象衛(wèi)星資料在災害性天氣監(jiān)測中的應用。當前的極軌雙星觀測體系只能保障6h的觀測周期，暴雨強對流天氣的典型生命史也是6h，因此，極軌氣象衛(wèi)星觀測資料的應用存在時效問題。即使未來通過多星組網(wǎng)的方式使衛(wèi)星的觀測頻率增加到每3h一次，也無法完全滿足天氣預報對多變的濕度場、熱力場、中小尺度暴雨和強對流等災害性天氣的觀測需要。對這些災害性天氣現(xiàn)象發(fā)生、發(fā)展和消亡的高時間分辨率監(jiān)測需要依靠靜止氣象衛(wèi)星。

與可見光和紅外探測不同，微波一方面可以很好地穿透云雨大氣，另一方面云雨大氣也會通過吸收、發(fā)射和散射作用對微波輻射的傳輸產(chǎn)生影響。云雨大氣對微波的吸收、發(fā)射和散射作用與大氣的熱力結(jié)構(gòu)和微物理特性有關。因此，可以通過微波探測反演出云雨大氣的熱力結(jié)構(gòu)和微物理特性。在靜止平臺上搭載微波大氣遙感儀器將在提高觀測頻次的同時，提高氣象衛(wèi)星對云雨大氣的探測能力。

目前國際上靜止軌道微波大氣探測仍是一項技術(shù)空白，而極地軌道衛(wèi)星上的微波大氣探測始于20世紀70年代。美國1972年發(fā)射的雨云衛(wèi)星裝載了電掃描微波輻射計，利用50～60GHz的氧氣吸收帶探測大氣溫度結(jié)構(gòu)。1978年美國發(fā)射了業(yè)務環(huán)境衛(wèi)星泰羅斯系列，裝載了專門用于大氣探測的微波探測器MSU，與紅外大氣探測器HIRS結(jié)合，實現(xiàn)了大氣垂直溫度廓線的遙感探測，形成TOVS體系。為滿足軍事氣象需要，美國從1987年開始實施DMSP計劃，陸續(xù)發(fā)射的衛(wèi)星裝載了用于大氣溫度廓線探測的特種微波溫度探測儀SSM/T和用于大氣濕度廓線探測的SSM/T-2，DMSP計劃提高了空間微波對地遙感探測能力。在當代DMSP計劃中，SSMIS取代了SSM/I、SSM/T和SSM/T-2，實現(xiàn)了垂直探測和成像遙感的有機結(jié)合[1]。

美國在業(yè)務環(huán)境衛(wèi)星NOAA-K系列上，發(fā)展了20通道先進微波探測器AMSU，取代MSU形成了新一代大氣探測系統(tǒng)ATOVS[2-3]。其中AMSU-A利用50～60GHz的氧氣吸收帶探測大氣溫度廓線，AMSU-B利用183GHz的水汽吸收線探測大氣濕度廓線，后來MHS取代AMSU-B繼續(xù)利用183GHz的水汽吸收線探測大氣濕度廓線。

2002年升空的NASA EOS系列衛(wèi)星上，載有與AMSU性能相當?shù)南冗M微波大氣探測器，其中包括巴西研制的濕度探測儀HSB和MHS。歐洲極軌氣象衛(wèi)星MetOp上的大氣探測系統(tǒng)與美國業(yè)務環(huán)境衛(wèi)星上的系統(tǒng)相同。

美國目前國家極軌業(yè)務環(huán)境衛(wèi)星系統(tǒng)Suomi NPP上的星載大氣探測系統(tǒng)是ATMS[3]，用兩副天線完成了AMSU系統(tǒng)中三副天線的探測任務，繼續(xù)沿用50～60GHz氧氣吸收帶進行大氣溫度廓線探測，同時在183GHz水汽吸收線附近增加了探測通道數(shù)，提升了大氣濕度場探測能力。

我國星載微波遙感技術(shù)起步較晚，第二代極軌氣象衛(wèi)星風云三號裝載的微波溫度計和微波濕度計是我國星載微波大氣探測載荷實現(xiàn)定量應用的里程碑。衛(wèi)星風云三號衛(wèi)星微波大氣探測系統(tǒng)包括覆蓋50～60GHz的大氣溫度探測儀和150～183GHz的微波濕度探測儀。從目前的使用情況看，風云三號微波大氣探測系統(tǒng)很好地揭示了臺風、暴雨等天氣系統(tǒng)內(nèi)部大氣熱力結(jié)構(gòu)，對于提高天氣預報、數(shù)值天氣預報水平具有重要作用。經(jīng)過A/B兩顆試驗星的應用，在風云三號首發(fā)業(yè)務星C星上發(fā)展了微波溫度計Ⅱ型（MWTS-Ⅱ）和微波濕溫探測儀（MWHTS），MWTS-Ⅱ在50～60GHz大氣氧氣吸收帶附近增加了通道數(shù)量，MWHTS在保留并細分183GHz頻點探測通道的同時增加了118GHz新的探測頻點，提升對流層上部大氣溫度廓線探測精度，進一步拓展風云三號業(yè)務星的大氣探測能力[4-6]。這些成果為發(fā)展靜止軌道微波大氣探測技術(shù)奠定了基礎。

發(fā)展靜止軌道大氣微波探測技術(shù)，實現(xiàn)對地球大氣全天候、全天時的觀測，對提高未來天氣預報的準確率意義重大。因此，盡管靜止氣象衛(wèi)星的軌道高度高，掃描成像難度大，目前國際氣象衛(wèi)星大國都在致力于發(fā)展靜止軌道微波大氣探測技術(shù)。然而由于靜止軌道微波探測本身的技術(shù)難度，相關航天計劃尚未得以實施。在這種形勢下，全球氣象衛(wèi)星協(xié)調(diào)組織（CGMS）在其第34屆會議所形成的文件中明確指出希望中國作為一個氣象衛(wèi)星大國能夠率先實現(xiàn)靜止軌道微波大氣探測。從制定航天計劃的角度看，目前中國在發(fā)展靜止軌道微波探測方面已經(jīng)與歐美站在同一起跑線上，但無論是在儀器制造技術(shù)還是在科學基礎支撐方面，我國與發(fā)達國家相比都存在一定差距。

1　靜止軌道微波大氣探測所面臨的挑戰(zhàn)

雖然空間微波遙感技術(shù)得到了極大發(fā)展，但由于靜止軌道星地距離遠，采用真實孔徑天線條件下實現(xiàn)高空間分辨率探測的難度很大，到目前為止，國際上所有微波大氣探測儀器都搭載在低軌衛(wèi)星上。NASA曾經(jīng)考慮在未來靜止軌道氣象衛(wèi)星中搭載微波輻射探測器，歐洲也提出了靜止平臺微波大氣探測的概念。從技術(shù)體制上看，靜止軌道微波探測可以通過真實孔徑和干涉式綜合孔徑兩種技術(shù)體制來實現(xiàn)[7-9]。傳統(tǒng)的真實孔徑方案以美國的靜止軌道微波觀測平臺（Geostationary Microwave Observatory，GEM）與歐洲的微波大氣探測靜止觀測平臺（Geostationary Observatory for Microwave Atmospheric Sounding，GOMAS）為代表，采用2～3m的天線覆蓋從毫米波到亞毫米波多個探測波段，真實孔徑方案的問題在于所需要的天線口徑大，形面加工要求高，掃描驅(qū)動難度大。3m天線基本上已經(jīng)達到了若干年內(nèi)的技術(shù)極限，繼續(xù)提升分辨率較為困難，在毫米波低端難以滿足應用需求，但亞毫米波對大氣底層探測能力又很有限。天線技術(shù)的發(fā)展成為目前真實孔徑體制發(fā)展的一個技術(shù)難點。另一個新的技術(shù)體制是干涉式綜合孔徑技術(shù)，以美國的地球靜止軌道合成孔徑輻射計（Geostationary Synthetic Thinned Aperture Radiometer，GeoSTAR）和歐洲的地球靜止軌道大氣探測器（Geostationary Atmospheric Sounder，GAS）為代表。

GeoSTAR地面原理樣機的初步測試結(jié)果及成像結(jié)果達到了預期效果，這強有力地支持了毫米波干涉式綜合孔徑體制的發(fā)展。而GAS采用了更先進的稀疏天線陣列旋轉(zhuǎn)分時采樣方案，在降低載荷系統(tǒng)本身復雜度的同時，也大大降低了項目的技術(shù)風險與成本。這些都預示著干涉式綜合孔徑體制在靜止軌道微波探測方面的良好發(fā)展前景。綜合孔徑技術(shù)體制的主要技術(shù)難度在于所需的單元天線/接收機數(shù)目多，加工一致性要求高，定標難度大，系統(tǒng)復雜。

2　干涉式綜合孔徑技術(shù)體制優(yōu)勢分析

鑒于探測頻率、天線口徑、地面分辨率之間固有的物理關系，真實孔徑技術(shù)體制比較適用于較高頻率的大氣探測。相比之下，新型干涉式綜合孔徑成像技術(shù)可以將天線接收口面有效稀疏為多個小口徑的單元天線，解決真實孔徑成像中探測頻率越低、空間分辨率越差的問題。這種技術(shù)在利用較低頻率進行大氣溫度探測時具有更大優(yōu)勢。盡管干涉式綜合孔徑探測儀起步較晚，技術(shù)體制復雜，但由于其較小的物理孔徑便于星載應用，且具有進一步提升分辨率的潛力，近年來發(fā)展迅速，代表了被動微波遙感技術(shù)的一個發(fā)展方向[9-11]。

干涉式綜合孔徑技術(shù)采用稀疏的小天線陣列取代大口面實孔徑天線，通過各個單元天線之間的兩兩相關實現(xiàn)對視場內(nèi)亮溫分布的空間頻率域測量，在空間頻率域構(gòu)成一個等效虛擬大孔徑，再通過對空間頻域測量數(shù)據(jù)作傅氏變換得到觀測區(qū)域的亮溫圖像。

在將干涉式綜合孔徑技術(shù)應用于地球靜止軌道衛(wèi)星方面，NASA自2002年開始通過IIP計劃（Instrument Incubator Program），支持了JPL實驗室的GeoSTAR項目，2005年完成地面原理樣機研制。GeoSTAR采用固定式的Y形天線陣列稀疏方案，設計50～56GHz和183GHz兩個探測頻段，每個探測頻段約需300個單元的天線接收機，實現(xiàn)能夠滿足應用需求在50～56GHz頻段實現(xiàn)空間水平分辨率優(yōu)于50km、垂直分辨率2～4km、掃描周期30min的大氣溫度廓線探測；在183GHz頻段實現(xiàn)空間水平分辨率優(yōu)于25km、垂直分辨率2～4km、掃描周期5～10min的大氣濕度廓線探測。這樣的探測結(jié)果可以極大地提升對災害性強降水系統(tǒng)的監(jiān)測預警能力[12-13]。

歐空局從2002年也開始通過AO(Announcement of Opportunity)方式對下一代地球同步軌道毫米波輻射計開展可行性研究，2004年選定瑞典SAAB公司的旋轉(zhuǎn)掃描綜合孔徑方案進入地面樣機GAS研制。GAS星載系統(tǒng)將包括53、118、183、380GHz四個頻點。水平空間分辨率可望達到30km。由于GAS系統(tǒng)Y型陣列的旋轉(zhuǎn)，將每個探測波段所需要的天線單元數(shù)降到100左右，另外進一步采用多時延數(shù)字相關方案，減少所需探測通道濾波器組的數(shù)目。

總體來講，目前世界上對下一代地球同步軌道被動微波載荷的技術(shù)體制選擇仍然處于權(quán)衡評估階段。以GEM/GOMAS為代表的傳統(tǒng)真實孔徑方案研究時間較早，從20世紀90年代即開始預研，方案較為成熟，但由于技術(shù)體制限制，繼續(xù)提升空間分辨率較為困難，在亞毫米波段難以有效滿足大氣溫度層結(jié)探測的應用需求；以GEOSTAR和GAS為代表的干涉式綜合孔徑方案起步較晚，技術(shù)體制較為復雜，在進一步提升分辨率上更具潛力。其中，GEOSTAR的地面樣機的初步測試及成像結(jié)果達到預期指標；而GAS采用了更先進的稀疏天線陣列旋轉(zhuǎn)分時采樣方案，以增加部分機械旋轉(zhuǎn)機構(gòu)為代價換取載荷系統(tǒng)本身復雜度的降低，從而降低了項目的技術(shù)風險與成本。隨著毫米波部件工藝水平的不斷提高，干涉式綜合孔徑體制的地球同步軌道毫米波大氣探測輻射計將走向?qū)嶋H應用。

3　我國靜止軌道微波大氣探測發(fā)展現(xiàn)狀

我國近年來在發(fā)展靜止軌道微波探測方面投入較大，國家航天局、科技部、中國氣象局對此都有所部署，其中“十一五”國家863重點項目“地球同步軌道毫米波大氣溫度探測儀”面向干涉式綜合孔徑毫米波大氣溫度探測的技術(shù)前沿和靜止軌道微波探測的重大應用需求開展研究，突破了分時采樣方式與稀疏天線陣列的聯(lián)合優(yōu)化設計、旋轉(zhuǎn)掃描綜合孔徑微波輻射計反演成像算法等關鍵技術(shù)，將偽極網(wǎng)格傅里葉變換的概念引入旋轉(zhuǎn)掃描體制干涉成像，在國際上首次實現(xiàn)了綜合孔徑圓環(huán)天線陣列自旋及重點區(qū)域成像的工作體制，大大降低了星載系統(tǒng)的復雜度，并針對該體制建立了相應的系統(tǒng)性能指標分析方法、陣列優(yōu)化設計方法、定標方法以及系統(tǒng)設計流程，圖1是靜止軌道毫米波大氣溫度探測儀全尺度樣機及成像實驗結(jié)果[14-15]。

圖1　靜止軌道毫米波大氣溫度探測儀全尺度樣機及成像實驗結(jié)果（a）全尺度原理樣機；（b）實際景物；（c）成像試驗結(jié)果Fig.1　Geostationary Interferometric Millimeter wave Atmospheric Sounder(GIMS)full scale prototype and imaging results(a)full scale prototype;(b)the actual scene;(c)imaging results

“十二五”國家863啟動了“靜止軌道大口徑雙模微波大氣探測儀”的研制，在大的綜合孔徑天線中央，設計小的真實孔徑天線。利用綜合孔徑技術(shù)克服低頻微波探測空間分辨差的難題，實現(xiàn)53GHz大氣氧氣吸收帶探測大氣溫度廓線；利用真實孔徑天線技術(shù)增加亞毫米波大氣探測。在雙模微波大氣探測儀的設計中，凝聚了綜合孔徑和真實孔徑兩種技術(shù)體制的綜合優(yōu)勢。預計“十二五”后期將完成樣機研制任務。這些工作的開展，對于推進靜止軌道微波探測衛(wèi)星的工程立項具有重要意義。

“十一五”期間中國氣象局國家衛(wèi)星氣象中心還在國家863計劃支持下完成了靜止軌道云雨大氣微波遙感科學仿真研究和載荷關鍵性能指標的仿真研究。為未來利用靜止軌道微波遙感探測開展業(yè)務應用奠定了基礎。

4　未來展望

靜止軌道氣象衛(wèi)星對于監(jiān)測臺風、暴雨等快速發(fā)展的強災害性天氣系統(tǒng)具有獨到的優(yōu)勢。目前的靜止軌道氣象衛(wèi)星上沒有微波遙感儀器，無法得到云團內(nèi)部的溫度和濕度結(jié)構(gòu)以及降水參數(shù)信息，這極大地削弱了對突發(fā)災害性天氣的監(jiān)測能力。因此，我國氣象衛(wèi)星發(fā)展規(guī)劃中明確將下一代風云靜止氣象衛(wèi)星分為光學星和微波星兩個系列，其中光學星已進入工程型號研制。微波星由于面臨巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)，還處在論證階段。

立足于目前的技術(shù)積累，未來的靜止軌道微波大氣探測衛(wèi)星應充分考慮傳統(tǒng)真實孔徑和新型干涉式綜合孔徑技術(shù)優(yōu)勢的結(jié)合和互補，在50～60GHz的溫度探測最佳頻段采用綜合孔徑技術(shù)體制，而在濕度探測的最佳譜段183GHz采用真實孔徑技術(shù)，實現(xiàn)靜止軌道大氣溫度和濕度的聯(lián)合探測。按照目前的技術(shù)部署，我國將有可能先于歐洲和美國，成為第一個開展靜止軌道微波大氣探測的國家。

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The Status and Prospects of Atmospheric Microwave Sounding by Geostationary Meteorological Satellite

Lu Naimeng,Gu Songyan
(National Satellite Meteorological Centre,Beijing 100081)

Abstract:The importance of atmospheric microwave sounding onboard the geostationary meteorological satellite is analyzed,and the technical challenge being faced with the development of the microwave instrument is introduced.After discussing the advantage of a new type of microwave interference synthesis aperture radiometer,a hybrid system,combing the traditional real aperture and the synthesis aperture together,is proposed.This hybrid system could be valuable to the development of Fengyun geostationary microwave satellite.

Keywords:geostationary microwave sounding,real aperture,interference synthesis aperture

收稿日期：2013年12月2日；修回日期：2014年6月30日

DOI：10.3969/j.issn.2095-1973.2016.01.019

第一作者：盧乃錳（1963—），Email:lunaimeng@nsmc.cma.gov.cn

資助信息： 國家自然科學基金（41201360）