面向海表鹽度和溫度遙感的微波輻射計研究綜述

宋學儒 崔新東 翟宇梅 閆繼平 段志剛

(1 中國人民解放軍32020部隊，武漢 430000)(2 北京應用氣象研究所，北京 100029)

海表鹽度(SSS)和海表溫度(SST)在海洋學、海洋環境和海洋氣候等領域的研究中均發揮著重要的作用[1-4]。海表鹽度對海洋密度、熱力和動力結構特征均會產生影響；海表溫度能夠影響海洋上層熱力動力過程、海氣熱量交換。因此獲得高精度、高空間分辨率的海表鹽度和溫度對于海洋研究具有重要作用。

傳統海表鹽度和溫度探測通常采用浮標或船載設備，但是該方法獲得的數據量稀少，在空間和時間上都不能滿足應用需求。采用衛星平臺的海面鹽度和溫度遙感器能夠獲得全球覆蓋、高時空分辨率、高精度海面鹽度和溫度產品，相較于傳統的船載或浮標探測具有明顯的優勢。考慮到紅外波段不能探測海表鹽度、對于海面溫度的探測只能覆蓋全球小于40%的區域，而微波能夠在有云和晝夜條件下獲得海表鹽度和溫度[5]，因此發展微波探測載荷對于提高全球海表鹽度和溫度探測資料的時空覆蓋率具有重要的作用。

微波輻射計對海表鹽度探測最敏感為L頻段(1.4 GHz)、對海表溫度最敏感為C頻段(7 GHz)[6]。針對上述頻段，目前海表鹽度最高分辨率為40 km(土壤濕度和海洋鹽度衛星SMOS和土壤濕度主被動探測衛星SMAP)，海表溫度最高分辨率為50 km(先進微波輻射計-2AMSR-2)，而未來需要海表鹽度空間分辨率達到3～10 km[7]，海表溫度空間分辨率達到1～5 km[8]；此外，較大的分辨率會使得海陸交接區域內海表鹽度和溫度難以準確探測[6]。由于L頻段和C頻段波長較長，為滿足上述分辨率通常需要極大的天線：當海表鹽度空間分辨率為100 km、40 km時，天線直徑應分別達到2.5 m、6 m[9]；當海表溫度分辨率為15 km、10 km時，天線直徑應分別達到6 m、9 m[8]，這對于整個載荷及衛星的設計均帶來了極大的困難，特別是天線在旋轉掃描過程中會顯著影響衛星姿態，從而影響觀測數據質量。針對大天線旋轉掃描所帶來的難題，目前可以采用天線輕量化技術，也可以采用實孔徑推掃體制或綜合孔徑體制加以克服，但是這些方法均存在各自的技術難點。

針對高分辨率海表鹽度和溫度探測需要，本文分析國內外探測載荷的現狀及最新發展趨勢，并對實孔徑和綜合孔徑體制工程可實現性、分辨率、靈敏度等多方面進行比較，分析其存在的優勢和不足，從而為未來微波輻射計的發展提供參考。

1 現有載荷及通道選擇

根據不同微波通道的特點及國際電聯被動觀測保護頻段的限制，頻率1.4 GHz的觀測通道對海表鹽度最為敏感；頻率為4～8 GHz的觀測通道對海表溫度更為敏感，若采用10.65 GHz的觀測通道，僅能對緯度范圍±40°內的海表溫度進行有效探測[6]。針對海表鹽度和溫度探測需求，國內外先后利用上述頻段研發出多型載荷，本節主要針對其在軌運行或后續規劃載荷的技術和性能進行分析。

1.1 海表鹽度測量研究

為實現星載海表鹽度探測，需要采用L頻段(1.4 GHz)，目前在軌運行的土壤濕度和海洋鹽度衛星(SMOS)和土壤濕度主被動探測衛星(SMAP)均采用該頻段。

SMOS衛星科學目標是對陸表土壤濕度和海洋鹽度進行探測。星上主載荷MIRAS為全球首臺二維綜合孔徑微波輻射計，其工作頻率為1.4 GHz、分辨率為40 km、靈敏度為1.73 K[9]。采用1周數據平均，SMOS在開闊洋面海表鹽度反演精度約0.2 psu[10]；對于南北緯40°的開闊海洋，SMOS月平均鹽度均方根誤差為0.211 psu[11]。SMOSOps-H是SMOS后續計劃改進型輻射計，通過提高時空分辨率、增強射頻干擾(RFI)、加裝海表狀態探測載荷、減小噪音、提高準確性等多種手段提升海表鹽度探測性能。表1為SMOS和SMOSOps-H性能參數[9]。

表1 SMOS和SMOSOps-H性能參數Table 1 SMOS and SMOSOps-H performance parameters

SMAP衛星的科學目標是實現表面土壤濕度與表面冰凍/解凍狀態的全球測量，并可對海表鹽度進行探測。該衛星于2015年發射，搭載L頻段輻射計和散射計各一臺。為實現L頻段輻射計1000 km觀測刈幅、40 km分辨率和1 K的靈敏度，SMAP衛星采用輕型可展開圓錐掃描柔性天線，展開后直徑為6 m。文獻[12]研究表明在熱帶和中緯度區域，其海表鹽度精度能夠實現0.2 psu。文獻[11]通過與浮標數據進行比對表明，在中低緯度寬闊海域其海表鹽度月平均的均方根誤差為0.233 psu，但在高緯度地區SMAP海表鹽度誤差要大于SMOS。表2為SMAP性能參數[13]。

表2 SMAP微波輻射計性能參數Table 2 Microwave radiometer performance parameters of SMAP

1.2 海表溫度測量研究

針對海表溫度探測，要實現全球海表溫度探測，主探測頻段應采用7 GHz[6,8]。目前采用該波段并在軌運行的海表溫度探測載荷主要有先進微波掃描輻射儀(AMSR-E，AMSR-2)和海洋二號(HY-2)衛星的微波輻射計(RM)、微波風和溫度探測儀(MICROWAT)和哥白尼成像微波輻射計(CIMR)等計劃發展的載荷。AMSR-E能夠探測海表溫度、海面風場等多種大氣和海洋參數。該載荷具有6個頻率，并且每個頻率均為垂直和水平雙極化，共包含12個通道。AMSR-E采用了1個直徑1.6 m的偏置拋物線反射面和6個饋源喇叭組成的饋源陣列。掃描體制采用圓錐掃描方式，能夠實現1445 km的刈幅和50 km海表溫度分辨率。作為AMSR-E后續升級產品，AMSR-2于2012年5月發射升空。與AMSR-E相比，天線直徑增為2 m，并增加7.3 GHz頻段以減弱地面射頻干擾(RFI)的影響，能夠提供最高25 km的海面溫度數據，其海溫測量精度0.4 K[14-16]。表3和表4分別為AMSR-E和AMSR-2性能參數。

針對未來海表溫度高空間分辨率和高靈敏度探測需求，歐洲規劃發展MIRCOWAT微波輻射計[8]。通過對比實孔徑、一維綜合孔徑和二維綜合孔徑探測體制，從探測靈敏度以及工程可實現性角度，傾向于采用實孔徑體制。在此基礎上歐洲在哥白尼計劃中提出了哥白尼成像微波輻射計(CIMR)的概念，用于獲取高空間分辨率、高精度海面鹽度、溫度、風速等參數[6]。CIMR采用圓錐掃描觀測方式，天線采用7 m的柔性可展開拋物面天線并結合多頻饋源陣列。MIRCOWAT和CIMR的具體性能指標見表5[8]和表6[6]。

國內針對海表溫度進行探測的載荷主要為HY-2衛星搭載的微波輻射計(RM)。HY-2A和HY-2B衛星分別于2011年和2018年發射，其搭載的微波輻射計(RM)工作頻率為6.6～37 GHz，測溫靈敏度優于0.5 K，觀測刈幅為1600 km，能夠探測海表溫度和海面風速等參量。表7為微波輻射計(RM)性能參數。

表3 AMSR-E性能參數Table 3 AMSR-E performance parameters

表4 AMSR-2性能參數Table 4 AMSR-2 performance parameters

表5 MICROWAT性能指標Table 5 MICROWAT performance parameters

表6 CIMR性能指標Table 6 CIMR performance parameters

文獻[17]研究表明相較于浮標數據和星載全極化微波輻射計(Windsat)等海表溫度產品，其偏差分別為-0.45 ℃和-0.41 ℃，標準偏差分別為1.73 ℃和1.72 ℃。文獻[18]研究表明，采用神經網絡集成技術(ANNE)可以減小海表溫度反演誤差，其均方根誤差為1.46 ℃。

表7 微波輻射計(RM)性能指標Table 7 RM performance parameters

1.3 比對分析

表8為不同載荷的性能指標。由表8可以看出，在空間分辨率較低時，微波輻射計均采用實孔徑體制；而隨著空間分辨率不斷提高，微波輻射計既有采用實孔徑體制，也有采用綜合孔徑體制。此外，對比現有在軌載荷實際性能，采用綜合孔徑體制的靈敏度較差，實孔徑圓錐掃描體制次之，采用實孔徑多饋源推掃體制最好。

表8 探測海表鹽度和溫度微波輻射計性能參數Table 8 Performance parameters of microwave radiometer for detecting SSS and SST

2 實孔徑及綜合孔徑發展趨勢

目前海表鹽度和溫度微波輻射計的探測體制主要有實孔徑體制和綜合孔徑體制兩種，其中實孔徑體制又分圓錐掃描和多饋源推掃，綜合孔徑體制又分一維綜合孔徑和二維綜合孔徑。本節從不同體制的探測幅寬、空間分辨率、探測精度及系統可實現性等方面進行分析。

實孔徑圓錐掃描體制主要是通過天線圓錐掃描的方式實現對地觀測。目前在軌運行的海表溫度探測載荷和SMAP載荷均采用該體制。該體制可以實現大幅寬觀測(1500 km)，且定標和反演算法成熟、觀測數據穩定度高[14-16]。但是，由于其采用天線旋轉掃描，單個觀測像元積分時間有限，難以進一步提升靈敏度[8]。此外，天線尺寸反比于空間分辨率、正比于天線質量，依據現有載荷技術水平[8-9]，為滿足未來海表鹽度和溫度對分辨率的需求[7-8]，其天線直徑將分別大于24 m@10 km和18 m@5 km，這使得天線尺寸和轉動慣量將顯著增大，從而給系統可靠性帶來極大的挑戰。針對上述問題，以MICROWAT等為代表的載荷，通過采用像素重疊技術(pixel duplication technique)來減小天線旋轉速度，從而提高系統靈敏度和可靠性[8]。

實孔徑多饋源推掃體制通過饋源陣共用一副天線，在交軌方向利用饋源陣獲得寬刈幅，而在順軌方向依靠衛星運動進行觀測。相較于圓錐掃描體制，該體制不需要天線機械掃描，系統結構簡單、可靠性高，積分時間長、穩定度和靈敏度高。但是為了獲得寬刈幅，需要大量饋源，使得饋源陣列變長、偏焦嚴重，導致主波束效率降低，從而影響觀測數據精度；此外，饋源數增加，會引起載荷質量和功耗顯著增加[20]。

二維綜合孔徑體制是采用多個小單元天線按照一定方式排列，從而達到大天線所具有的空間分辨率，如SMOS衛星的載荷MIRIAS采用了Y型的陣列排布。該體制能夠獲得高空間分辨率，并能增加積分時間；由于天線不需要旋轉，其系統可靠性較高[7]。但是由于綜合孔徑需要進行大量復相關運算，導致系統復雜、載荷的質量功耗顯著增加[8]。并且復相關計算的噪聲疊加會導致總噪聲增大，加上天線稀疏因子的影響，系統靈敏度較差[21]。此外，綜合孔徑需要對幅度和相位進行測量，定標過程復雜[22]；相較于實孔徑體制，RFI干擾對其影響更加顯著[11,23]。

一維綜合孔徑體制采用一維稀疏陣列饋源和大口徑拋物柱面天線，在順軌方向采用實孔徑體制、交軌方向上采用綜合孔徑體制實現對地探測。相較于實孔徑圓錐掃描體制，其天線不需要機械運動并能夠獲得高空間分辨率[8]；相較于實孔徑多饋源推掃體制，其觀測幅寬顯著增加[20,24]；相較于二維綜合孔徑體制，其能夠降低系統的復雜性[8,25]。但是相較于實孔徑體制，其能耗、質量、系統靈敏度、定標過程和抗射頻干擾(RFI)的能力仍存在差距[24-25]；由于目前還未有在軌運行載荷，相較二維綜合孔徑，其系統成熟度仍待進一步提高。

根據以上幾種探測體制的特點，以海表溫度探測載荷為例[8,20]，對比不同探測體制性能。表9列出實孔徑和綜合孔徑體制的性能。

表9 實孔徑和綜合孔徑體制性能Table 9 Performance parameters of real aperture and synthetic aperture system

3 結束語

隨著海洋科學的不斷發展，要求探測得到的海表鹽度和溫度具有高時空分辨率、高靈敏度、高穩定度，但是由于這三者之間存在相互制約的關系，從而影響載荷的探測性能。針對這一問題，本文通過分析現有載荷技術特點和發展方向，對不同探測體制的優缺點進行梳理，并為未來載荷設計提供參考。主要有以下幾點建議：

(1)實孔徑體制系統成熟度高、探測數據靈敏度和穩定度高，為獲得高空間分辨率需要采用大尺寸天線，而這會給系統整體設計帶來諸多難題，因此在滿足天線型面精度和剛性指標前提下，應盡量對天線進行輕量化處理。此外，采用像素重疊等技術，減小天線旋轉速度，能夠進一步提高空間分辨率、靈敏度和穩定度。

(2)綜合孔徑體制能夠獲得更高的空間分辨率和較好的觀測幅寬，但是綜合孔徑輻射計系統復雜、單機硬件存在許多非理想因素，高精度亮溫重構及定標仍然需要進一步研究。此外，綜合孔徑體制各參數之間相互制約，需要從整體上統籌設計靈敏度、幅寬、質量和功耗等指標，避免因單一指標影響載荷整體性能。

(3)相較于綜合孔徑體制，實孔徑體制可直接探測海洋參數，其靈敏度和穩定度均較高，因此在滿足空間分辨率和工程可實現性的前提下，應盡量采用實孔徑探測體制。針對高分辨率海表鹽度(≤10 km)和溫度(≤5 km)探測需求，在采用綜合孔徑體制時需要通過硬件及系統設計，以保證最終亮溫重構精度，并針對載荷特點開發RFI干擾抑制技術和定標技術。