一體化微波成像探測技術發展和展望

呂利清，徐紅新，欒英宏

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

一體化微波成像探測技術發展和展望

呂利清1，徐紅新2，欒英宏2

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

介紹了微波成像探測技術的發展歷程及趨勢。闡述了將多種遙感目的和功能集于一體微波成像探測的優勢和必要性。通過多頻點大口徑天饋、高靈敏度多通道接收及高穩定度長壽命轉動機構等關鍵技術的突破，研制了一體化微波成像探測樣機。與目前在軌的風云三號（FY－3）衛星微波成像儀相比，最高測量頻段提高、細分通道數目增多、探測靈敏度及輻射測量精度提升，實現了大氣溫度廓線、大氣濕度廓線和地表成像的一體化同源觀測，在增強數據同化能力的同時提高了衛星的載荷效率，可同時獲得全天時、全天候的海面風場，海面溫度，海冰分布和雪覆蓋，大氣溫濕度廓線，大氣水汽和液態水分布等全球性氣象資料。對一體化微波成像探測技術的高分辨率、高頻率接收和全極化探測等發展方向進行了展望。

氣象衛星；無源遙感；微波成像探測儀；大氣溫度廓線；大氣濕度廓線；地面成像；一體化；微波輻射計；圓錐掃描

0 引言

衛星可從空間利用遙感技術對地球進行觀測，能獲取非常豐富的信息，是地面及其它常規觀測手段無法比擬的。隨著氣象遙感技術的不斷發展，衛星遙感器覆蓋了從可見光、紅外到微波的較寬波段范圍。可見光與紅外波段探測用于氣象監測，因其范圍大、分辨率高的優點，成為獲取氣象遙感數據的重要信息源之一。但由于其對云和降雨的穿透性較差，所獲取的信息主要來自云層頂部，降低了獲取地表數據的準確性。與可見光和紅外探測相比，利用微波探測獲取氣象信息，具有較強的穿透力，能提供全天時、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大氣輻射傳輸吸收特性基本原理，無需發射信號，通過接收目標自身輻射的微波信號獲取目標物理信息，是最先發展的微波遙感方式，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、海面風場、海水鹽度、海冰覆蓋）、陸地微波遙感（土壤濕度、雪覆蓋）、氣候與環境遙感（大氣成分、環境污染）及深空探測科學研究等多個領域。無源微波遙感器，也稱微波輻射計，按功能可分為探測儀（Sounder）和成像儀（Imager）兩類。探測儀通常指空間范圍的觀測，如大氣垂直廓線探測、云的分層探測、大氣成分探測等；成像儀一般是平面尺度的觀測，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換代的發展，一臺遙感器可實現集合兩種功能的能力，即一體化的微波成像探測。本文敘述了國際上微波成像探測技術的發展歷程及發展趨勢，介紹了我國該技術的現狀，以及自主研發微波成像探測儀的關鍵技術突破，分析了其技術先進性及應用實踐，并提出了未來微波成像探測技術的可能發展方向，為我國該領域的快速發展提供支撐。

1 微波成像探測技術發展歷程

早在20世紀40年代中期，在DICKE等利用地面微波輻射計對大氣層進行觀測后，人們認識到利用星載微波輻射計對地球的輻射進行觀測是研究地球大氣層及其表面特征的有效方法。1962年，由美國發射的水手2號飛船裝載一個兩通道的微波輻射計對金星進行了第一次成功的測量，開創了航天微波輻射計對星球遙感的歷史。真正利用星載微波輻射計對地球進行觀測始于1968年，由前蘇聯發射的宇宙243衛星搭載一個4通道微波輻射計對大氣、云層中的含水量及海面溫度，冰川覆蓋進行了探測，取得第一手衛星遙感資料。此后，美國、前蘇聯／俄羅斯、日本和歐洲發射了一系列裝載有微波輻射計的衛星對地球進行遙感。20世紀70年代美國雨云氣象試驗衛星上搭載的一系列微波輻射計為后期的發展奠定了基礎。這一時期的微波輻射計性能達到當時的頂峰，多通道、雙極化機制擴大了其應用范圍，并在此基礎上針對不同的應用需求，提出了后期發展的星載微波輻射計的各項具體性能指標。近30年來，國際上最具代表性的微波輻射計包括美國海洋與大氣總署（NOAA）系列、國防氣象衛星項目（DMSP）系列等。

1.1 NOAA系列衛星微波輻射計

20世紀70年代，美國開始部署NOAA系列衛星，其中高級微波探測單元（AMSU）是其主要有效載荷［2］。AMSU的觀測頻率23.8～183GHz，包含A1，A2，B三個獨立模塊，具有大氣垂直廓線探測和地表成像功能。

先進技術微波探測儀（ATMS）是其后續的新一代微波輻射計，如圖1所示［3－4］。其觀測頻率23.8～183GHz，探測通道22個。AMSU的A1，A2，B模塊采用了一體化集成設計，具有可同時探測全球大氣溫、濕度廓線及地面成像功能［5］。2011年首次發射升空。

1.2 DMSP系列衛星微波輻射計

DMSP是建立于20世紀60年代中期的美國國防部長期氣象項目［6］。其主要遙感儀器包括：特種微波成像儀（SSM／I），頻率19～89GHz，實現對地表的成像觀測；特種微波溫度探測儀（SSM／T－1），頻率50～60GHz，實現大氣垂直溫度廓線探測；特種微波濕度探測儀（SSM／T－2），工作頻率91～183GHz，實現大氣垂直濕度廓線探測。

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

從國外發展歷程來看，為提高衛星資源的利用率，提升氣象衛星的性能，一體化集成設計是微波探測成像技術的發展方向。作為美國重組NOAA與DMSP系列的新項目，國家極地軌道任務環境衛星系統（NPOESS）計劃裝載預研中的下一代微波輻射計——圓錐掃描微波成像探測器（CMIS），后因財政原因計劃重組，載荷更改為微波成像探測器（MIS），其測量頻段6.6～183GHz，通道77個，如圖3所示，可對大氣、陸表和海表進行全天候觀測，兼有微波成像和探測功能，是目前研究的集成度最高、功能最全的氣象衛星先進微波輻射計［9－10］。

2 采用一體化微波成像探測的必要性

2.1 應用需求

隨著社會的發展，對氣象觀測技術的要求也越來越高。為提高氣象業務的預報準確率和精細化水平，需要均一性更好、時間序列更長的觀測資料，這就提出了高精度、高準確度的觀測要求［11］。集多種探測目的和功能于一身的一體化微波成像探測技術，可獲取目標的綜合信息，滿足多方面的應用需求，并且提高同源探測獲取的目標信息精度，是開展精細化天氣預警預報、氣候預測預估及各類氣象服務的前提。

2.2 技術優勢

一體化微波成像探測技術作為先進的氣象衛星微波無源遙感技術，其主要優點如下。

a）發展一體化微波輻射技術可避免通道重復設計，節約開支。通過集成化一體化設計，使載荷具有體積小、重量輕和功耗低的優勢，與獨立實現各種功能的載荷相比顯著降低了對衛星平臺的資源需求，能提高衛星的載荷效率。

b）通過一體化微波輻射技術獲取的數據一致性好，數據同化能力增強，便于數據的反演和分析使用，可獲得更多的應用產品。

因此，從應用需求和載荷技術發展趨勢來說，發展一體化微波輻射技術的先進微波無源遙感探測有其必要性。

3 我國微波成像探測技術研究與發展

3.1 風云系列微波輻射計現狀

我國于20世紀90年代開始微波輻射計的研究，搭載于神舟飛船的多模態微波遙感器是我國首個微波輻射計遙感試驗儀器。首次成功實現業務化應用目標的是搭載于我國自行研發的FY－3第二代極軌氣象衛星的三臺微波輻射計：微波溫度探測儀（MWTS）、微波濕度探測儀（MWHS）和微波成像儀（MWRI），為天氣預報、氣候預測及環境監測等領域提供了豐富的數據。目前已發射了FY－3A，B，C三顆衛星，2017年計劃發射FY－3 04星。除FY－3衛星外，嫦娥一號探測器和海洋二號衛星上也配置了微波輻射計。微波溫度探測儀工作頻率50～60GHz，探測通道13個，其功能與DMSP的SSM／T－1相當。微波濕度探測儀工作頻率為118，150，183.31GHz，探測通道15個，其功能與DMSP的SSM／T－2相當。微波成像儀探測頻點為10.65，18.7，23.8，36.5，89GHz，通道10個，用于對地表的成像觀測，其功能與DMSP的SSM／I相當，見表1［12－13］。

目前，我國實現星載應用的被動微波遙感儀器仍是由獨立的模塊實現不同的遙感功能。隨著綜合氣象觀測需求的提升，我國的集成化綜合觀測技術也在快速發展。在FY－3衛星微波成像儀的基礎上，研制了一體化微波成像探測儀（EMWIS）。

3.2 一體化微波成像探測技術研究

一體化微波成像探測儀集大氣溫度探測、大氣濕度探測和地表海表成像功能合一，提升了整體觀測能力，其組成如圖4所示。其輻射測量精度、觀測靈敏度、地面分辨率和定位精度等都有改進和提高，通過對地球表面10.65～183GHz單極化或雙極化被動微波輻射能量的觀測，獲取海面風場、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、濕度廓線等相關信息。

一體化微波成像探測儀主要技術指標見表2、3。表3中：f0＝57.290 344GHz。

表1 SSM／I與FY－3衛星微波成像儀參數Tab.1 Performances of SSM／I and FY－3MWRI

表2 一體化微波成像探測儀指標1Tab.2 Major performance 1of EMWIS

考慮遙感信息應用，為保證設計中36.5GHz通道在飛行方向的掃描連續覆蓋，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、熱定標源由饋源口面饋電網絡進入實現系統定標。在軌觀測掃描如圖5所示。一體化微波成像探測儀樣機構型如圖6所示。

SSMIS，EMWIS性能見表4。其中：地面分辨率與天線口徑有關，相同條件下，天線口徑越大，分辨率越高。由表4可知：EMWIS的技術指標與國際先進水平相當或更優。該技術的突破，可使我國的微波無源遙感技術及氣象遙感進入世界先進水平之列。

3.3 關鍵技術

3.3.1 多頻點大口徑天饋

天饋包含天線反射面和饋源組合。天饋設計需使所有觀測頻段滿足高觀測分辨率、主波束效率、極化隔離度、光路干涉的要求，并考慮系統定標需求。設計指標對微波成像探測儀系統主要性能指標的影響較大，因此需首先突破多頻點大口徑天饋技術。

為滿足光路干涉、主波束效率及定標等要求，經仿真優化設計，確定天線形式為拋物狀反射面，采用偏饋聚焦方式。根據觀測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30μm，而目前我國在軌遙感儀器30μm形面精度的反射面口徑僅200mm。采用碳纖維復合材料表面鍍層的方式，具備重量輕、熱膨脹系數小的優勢，可使其滿足形面精度的要求。該技術的突破使大口徑高形面精度反射面技術處于國內先進水平，為后續星載載荷選用提供了更多選擇。

表3 一體化微波成像探測儀指標2Tab.3 Major performance 2of EMWIS

表4 SSMIS，EMWIS參數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，與天線協同設計，同樣需滿足觀測分辨率、主波束效率、極化隔離度等指標，同時考慮波導排布、結構和光路干涉等問題。通過多種排布方式的對比，最終確定了高頻居中，低頻兩側，分列兩排的饋源布局方式，如圖7所示。經仿真計算，主波束效率由原來的90%（FY－3衛星微波成像儀）提高至95%，獲得了與國外相近的高性能指標。

為保證儀器的安全及符合衛星發射安裝包絡，天線反射面采用了收攏展開裝置，保存、運輸和裝星狀態下，天線在側面收攏；工作狀態下，天線通過四連桿機構完成展開。與現有FY－3衛星微波成像儀相比，為適應更大口徑的天線，對展開機構設計進行了優化：將彈簧（單只最大2.5N·m）改為恒力矩彈簧（單只2N·m），確保整個展開過程中的展開力矩不變，同時到位后仍有相對大的驅動力矩；增加了阻尼穩速機構，保證了展開過程中穩定勻速，到位沖擊小；將兩桿支撐改為多桿支撐，提高了展開后的剛度及基頻；將到位鎖定機構的滑動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，分析計算表明收攏和展開狀態均滿足動力學要求。

3.3.2 高靈敏度多通道接收

接收子系統對接收的微波輻射信號進行放大、積分、檢波等處理，將信號轉換為視頻信號輸出。一體化微波成像探測儀接收子系統覆蓋10.65～183GHz。接收機是微波成像探測儀的核心單元模塊之一，其噪聲性能和穩定度直接影響微波成像探測儀的靈敏度和定標精度。國外W／G波段接收機已較成熟，而國內目前成熟的接收技術還是Ka波段，W波段及以上頻率的接收機主要依靠國外引進。

為提高我國微波輻射計的自主研制能力，在FY－3衛星微波成像儀5頻點10通道接收機的基礎上，自主研發了50～60（13通道），150（2通道），183GHz（5通道）接收機，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混入零中頻，對信號進行低噪聲放大，在實現功能的同時盡量減小接收機的噪聲溫度。中頻將寬帶中頻信號頻率分離、濾波，再將信號放大到檢波器的平方律檢波最佳線性度的輸入功率點，然后對信號檢波、視頻放大和積分。測試表明：各頻段的接收機靈敏度、線性度等均滿足應用需求，部分測試結果如圖9所示。

3.3.3 高穩定度長壽命轉動機構

一體化微波成像探測儀在軌作勻速圓錐掃描運動，若存在動不平衡量，會對衛星姿態產生影響，同時也會對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。根據衛星壽命要求，載荷需在軌運轉1.6億轉，因此高穩定度轉動機構的設計尤為關鍵。

為盡量降低對衛星姿態的影響，采用了高精度動平衡技術對狀態進行控制。掃描驅動機構采用軸轉動、外殼固定不動的內轉式方案，由驅動單元、功率和信號傳輸裝置、發射卸載裝置等組成。為滿足熱源和冷鏡的支撐要求，轉軸采用中空設計，其間安裝用于支撐熱源冷鏡的固定軸。

為滿足掃描機構的設計壽命要求，功率和信號傳輸裝置采用滾環方式。整個機構采用直接驅動方式，無減速器，且滾環安裝于電機后端，滾環不傳遞力矩。同時為減少中間支撐和連接環節，電機采用直流無刷分體式電機，整個機構采用兩對軸承，背對背支撐，如圖10所示。采用直流無刷電機保證力矩輸出穩定、控制精度高，滿足各掃描模式下衛星姿態穩定度0.002（°）／s的要求。

3.4 一體化微波成像探測儀技術特點

一體化微波成像探測儀原理樣機如圖11所示。與FY－3衛星微波成像儀相比，其技術特點如下［14］。

a）對軌道高度410km的FY－3降水測量衛星及同類衛星，采用了口徑1.2m的可展開拋物面天線，其所有探測頻點的主波束效率均優于95%，交叉極化優于－25dB，優良的天線性能為保證探測精度奠定了基礎。對軌道高度800km的太陽同步軌道衛星，一體化微波成像探測儀可配置口徑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的地面分辨率基本匹配，便于遙感數據的反演應用。

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

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

d）優化了一體化微波成像探測儀的熱控系統：采用被動為主、主動為輔的熱控措施，在轉動的輻射接收系統外圍安裝固定的遮光罩進行熱控，保證儀器處于最佳工作狀態。優化后的熱控設計方案，使一體化微波成像探測儀能適應不同軌道高度的衛星不同外熱流條件。

3.5 應用與實踐

在軌的FY－3衛星微波成像儀獲取的大量探測數據已生成各種各樣的應用產品，如海表溫度、海面風速、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、陸地和環境等各領域，為國民經濟各行各業的建設發揮了重要作用［1517］。其中：海上大氣可降水和陸地土壤濕度兩個產品分別如圖12、13所示。

一體化微波成像探測儀在FY－3衛星微波成像儀的基礎上增加了濕度廓線探測、溫度廓線探測功能，多種不同探測特性的頻段對地同時觀測，可獲得更全面、更細致的信息，可全天時、全天候探測海面風場，海面溫度，海冰分布和雪覆蓋，大氣溫濕度廓線，大氣水汽和液態水分布，全球性海洋資料和空間氣象資料。具體應用如下。

a）提供高精度、高準確度、及時穩定可靠的觀測數據，提高天氣預報的準確率和精細化。提高預報預測準確率和精細化水平是氣象預報預測業務的核心。為建立滿足公共氣象服務需求的各類氣象預報預測業務系統，需提供均一性更好、時間序列更長的觀測資料，以獲取氣象服務區、天氣氣候敏感區及海洋地區的觀測數據，提高綜合氣象觀測系統能力。

b）對氣象災害的綜合、立體、連續觀測，提升對氣象災害的監測能力。我國是世界上氣象災害最為嚴重的國家之一，災害種類多，分布地域廣，發生頻次高，造成損失重。為有效防御和減輕氣象災害造成的損失，提高應對突發公共事件應急的氣象保障能力，迫切需要對其的全方位監測，用于減災防災領域，減少災害性天氣對國民生產的影響。

c）全方位立體監測氣候及氣候變化。氣候和氣候變化導致人類生存條件發生變化，為深化對氣候變化事實和規律的科學認識，推進氣候變換綜合影響評估工作，減少或消除有關氣候變化的不確定性，需增強對全球氣候變化的監測能力，提高對氣候變化的定量描述和預估水平，以便采取相應的應對措施。

d）為大氣運動建模、大氣科學理論研究提供完整準確的觀測資料。氣象觀測是大氣科學發展的基礎。由于大氣現象及其物理過程的變化較快，影響因子復雜，雖然在一定簡化條件下，對大氣運動作了不少模擬研究、大氣運動模型實驗，但組織局地或全球的氣象觀測網，獲取完整準確的觀測資料，仍是大氣科學理論研究的主要途徑。歷史上的鋒面、氣旋、氣團和大氣長波等重大理論的建立，都是在氣象觀測提供新資料的基礎上實現的。

綜上，一體化微波成像探測技術的星載應用將會對氣象遙感發展產生巨大的推動作用，為國民經濟各領域建設提供服務。

4 技術發展展望

隨著航天技術的發展，為滿足日益擴展的社會對氣象衛星微波遙感信息的服務需求，支撐國家提高自然災害與突發事件應對能力，提升國家防減災能力，需繼續拓展完善氣象衛星微波遙感全球觀測能力。一體化微波成像探測技術的發展方向如下［18－20］。

a）高分辨率技術

隨著光學高分辨率衛星影像帶來的巨大軍事和經濟效益，微波遙感也向高分辨率方向發展以獲得更精細的信息，利于更細致地了解探測對象的物理特性。建設高分辨率的對地觀測系統，可滿足日益發展的國民經濟建設需求。

b）越來越高的頻率接收技術

高頻段的優點是可擁有更多的探測頻段，獲得更多的探測信息，利于避開頻率也越來越高的地面和空間通信的干擾信號。此外，高頻探測具有體積小、重量輕的優勢，降低了載荷對衛星平臺的資源需求，可提高衛星的載荷效率。

c）全極化探測技術

在一體化微波成像探測的基礎上，通過增加部分頻點的全極化功能，可獲得全極化測量的全部Stokes參數信息。多頻多極化同時對陸地、海洋和大氣觀測能獲得觀測目標更全面更細致的探測要素，獲取完整準確的觀測資料，可更好地滿足海洋、陸地和大氣多數據同化需求，為大氣科學理論研究的奠定基礎。

5 結束語

一體化微波成像探測技術的發展，實現了我國微波溫度探測、濕度探測和地表成像功能的一體化設計。通過多頻點大口徑天饋、高靈敏度多通道接收及高穩定度長壽命轉動機構等關鍵技術的突破，研制了新一代一體化微波成像探測儀樣機，實現對目標的同源觀測，增強數據同化能力的同時提高了衛星的載荷效率，為后續星載應用奠定了基礎。該項技術的突破，使我國的微波無源遙感技術邁上了新臺階，氣象遙感列入世界先進水平國家之列。

目前，一體化微波成像儀已完成了關鍵技術的突破，研制了工程樣機。經系統測試其各項指標滿足任務要求，在國內處于領先地位，將用于FY－3 03批衛星，計劃于2018～2019年發射。

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Techndogy Development and Prospection of Integrated Microwave Imager Sounder

LYU Li－qing1，XU Hong－xin2，LUAN Ying－hong2
（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，大氣環境測量衛星總負責人，陸地水資源衛星技術總負責人，主要研究方向為微波遙感及測控數傳。