微波成像儀研究綜述

周鑫 劉健文 黃江平

摘 要：微波資料對數值預報準確率的提升具有關鍵作用，本文主要介紹了微波成像儀的優點和發展歷程，發現美國在微波成像儀研究方面時間最長，數量最多，俄羅斯、日本和我國雖然起步較晚，但近些年也逐步發展起來，并計劃在未來發射更多的微波成像儀升空。

關鍵詞：微波成像儀；發展歷程；綜述

20世紀60年代以來，隨著航天技術、計算機信息技術飛速發展，以及社會經濟發展產生的對空間對地遙感技術的強烈需求，衛星遙感被廣泛應用到大氣環境探測中。由于衛星觀測覆蓋面廣，能夠提供全球范圍的資料，彌補了海洋、沙漠、極地和高原等地區因氣象站稀少而資料不足的缺陷。其中，被動微波輻射計通過接收地表和大氣輻射的波長范圍為1毫米到2米的微波能量，可以用來測算水汽、溫度、風速、冰型、土壤濕度和降水等大氣、海洋、陸地參數，在近幾十年以其特殊的優勢得到了飛速的發展。

與紅外遙感相比，微波遙感具有明顯的優勢[ 1 ]。首先，微波遙感能夠實現全天時、全天候的對地觀測[ 2 ]。可見光以太陽作為光源，在黑夜里無法正常工作；紅外探測雖然也可以全天候工作，但它會受到云水、氣溶膠散射和水汽吸收的影響，在云雨天氣條件下無法保證數據的質量。然而微波的波長比紅外要長得多，因此在大氣中衰減較小，能夠穿透云層和雨區，從而對大氣和地表的觀測影響不大。這一特點也使得微波遙感對于地球表面尤其是海洋上空經常被云層覆蓋的情況起到了很好的改善作用。其次，微波遙感能夠根據比輻射率的差異鑒別不同的地物目標，而紅外探測很難做到[ 3 ]。

微波成像儀是最早在軌應用的星載被動微波遙感儀器，探測頻點大多設置在大氣窗區，進行地球物理參數的成像遙感[ 4 ]。微波成像儀主要探測地表向上的熱輻射，可以對地表參數進行遙感反演，例如：土壤濕度、地表溫度和雪深等。微波成像儀的頻點設計從1GHz左右到200GHz左右，涵蓋了從L波段到W波段的所有微波頻段。在每個頻點上有可以分別接收目標的垂直極化和水平極化輻射信息，以及全極化輻射信息。

微波成像儀的發展：

微波成像儀的發展要追溯到上世紀七十年代，由美國最先開始進行研究和發射。1972年12月，人類歷史上第一個微波成像儀電子掃描微波輻射器（ESMR）由NASA的Nimbus-5衛星搭載發射升空，1978年10月，Nimbus-7衛星搭載多通道掃描微波輻射器（SMMR）順利升空，在此期間研究人員對SMMR進行了大量的實驗研究。

隨后20多年，美國陸續研制并發射了多個系列的微波成像儀。在美國國防部的國防氣象衛星計劃中，已有十幾顆衛星搭載了微波成像儀發射升空，其中DMSP/F8、DMSP/F10、DMSP/F11、DMSP/F12、DMSP/F13、DMSP/F14和DMSP/F15搭載了專用微波成像儀SSM/I，DMSP/F16、DMSP/F17、DMSP/F18和DMSP/F19搭載了專用傳感器微波成像儀/探測儀SSMIS。而TRMM、Aqua、Coriolis其他類型的衛星分別將TMI、AMSR-E和Windsat微波成像儀送上太空。

俄羅斯對微波成像儀的研發也取得了一定成果。2001年12月，Meteor-3M衛星攜帶MTVZA發射升空，與SSMIS一樣，MTVZA也是集成了成像和探測的微波輻射計，主要任務是對大氣溫度和濕度進行全天候探測，生產了可降水總量、云液體水、近表面風速、瞬時雨量、地面溫度、海水濃度以及積雪度等數據。2009年9月，在MTVZA基礎上改進的MTVZA-GY搭載在Meteor-M N1 衛星上發射成功，隨后該系列的第三顆衛星Meteor-M N2 于2014年7月再次將MTVZA-GY送上太空。

在亞洲，日本在微波成像儀方面的研究處于領先水平，TMI便是日本和美國合作完成的。日本“第一輪衛星計劃之全球水圈變化觀測衛星”（GCOM-W1）于2012年7月搭載了第二代先進微波輻射成像儀AMSR-2 發射升空，AMSR-2通道設置與AMSR-E類似，但增加了一個新的頻率7.3GHz，并且改進了熱定標源部分。預計2016年日本的GCOM-W2衛星將攜帶微波成像儀發射升空。

我國近些年在微波成像儀領域也取得了一定的成果。新一代氣象極軌衛星風云三號裝載微波成像儀FY-3/MWRI（Micro-Wave RadioMeter Imager）于2008年5月27日搭載在FY3-A上順利升空，MWRI采用機械掃描和大孔徑偏置拋物面天線，能夠滿足多頻率、雙極化、窄波束和低損耗等要求。2011年10月和2013年9月FY-3B與FY-3C再次分別攜帶MWRI發射成功，FY-3B與FY-3A組成了上下午雙星同時在軌運行的格局，大幅改進了觀測的時間和空間覆蓋全面性。

總體來說，美國在微波成像儀研究方面時間最長，數量最多；俄羅斯、日本和我國雖然起步較晚，但近些年也逐步發展起來，并計劃在未來發射更多的微波成像儀升空。

參考文獻：

[1] 周秀驥，陶善昌，姚克亞.高等大氣物理學[M].北京：氣象出版社，1991.

[2] 王曉海，李浩.國外星載微波輻射計應用現狀及未來發展趨勢[J].中國航天，2005（4）：16-20.

[4] 陶瑋.微波成像儀探測結果及其應用[D].中國科學技術大學，2012.DOI：10.

[5] 楊軍，許建民，董超華，盧乃錳.氣象衛星及其應用[M].氣象出版社，2012.

作者簡介：周鑫（1991-），男，陜西人，研究生，漢族，研究方向：數值預報。