盧乃錳　谷松巖（國(guó)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(cè)的技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展展望

盧乃錳谷松巖
（國(guó)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(cè)的重要性，介紹了發(fā)展靜止軌道微波大氣探測(cè)的國(guó)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(shì)的基礎(chǔ)上，提出將傳統(tǒng)真實(shí)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(guó)靜止軌道微波大氣探測(cè)的設(shè)想。

關(guān)鍵詞：靜止軌道微波探測(cè)，真實(shí)孔徑，干涉式綜合孔徑

0　引言

對(duì)臺(tái)風(fēng)、暴雨、強(qiáng)對(duì)流等災(zāi)害性天氣過(guò)程的高時(shí)效、高精度監(jiān)測(cè)對(duì)提高天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)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(diǎn)，然而，較長(zhǎng)的回歸周期限制了極軌氣象衛(wèi)星資料在災(zāi)害性天氣監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。當(dāng)前的極軌雙星觀測(cè)體系只能保障6h的觀測(cè)周期，暴雨強(qiáng)對(duì)流天氣的典型生命史也是6h，因此，極軌氣象衛(wèi)星觀測(cè)資料的應(yīng)用存在時(shí)效問(wèn)題。即使未來(lái)通過(guò)多星組網(wǎng)的方式使衛(wèi)星的觀測(cè)頻率增加到每3h一次，也無(wú)法完全滿足天氣預(yù)報(bào)對(duì)多變的濕度場(chǎng)、熱力場(chǎng)、中小尺度暴雨和強(qiáng)對(duì)流等災(zāi)害性天氣的觀測(cè)需要。對(duì)這些災(zāi)害性天氣現(xiàn)象發(fā)生、發(fā)展和消亡的高時(shí)間分辨率監(jiān)測(cè)需要依靠靜止氣象衛(wèi)星。

與可見(jiàn)光和紅外探測(cè)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(huì)通過(guò)吸收、發(fā)射和散射作用對(duì)微波輻射的傳輸產(chǎn)生影響。云雨大氣對(duì)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(guān)。因此，可以通過(guò)微波探測(cè)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(tái)上搭載微波大氣遙感儀器將在提高觀測(cè)頻次的同時(shí)，提高氣象衛(wèi)星對(duì)云雨大氣的探測(cè)能力。

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

美國(guó)在業(yè)務(wù)環(huán)境衛(wèi)星NOAA-K系列上，發(fā)展了20通道先進(jìn)微波探測(cè)器AMSU，取代MSU形成了新一代大氣探測(cè)系統(tǒng)ATOVS[2-3]。其中AMSU-A利用50～60GHz的氧氣吸收帶探測(cè)大氣溫度廓線，AMSU-B利用183GHz的水汽吸收線探測(cè)大氣濕度廓線，后來(lái)MHS取代AMSU-B繼續(xù)利用183GHz的水汽吸收線探測(cè)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(dāng)?shù)南冗M(jìn)微波大氣探測(cè)器，其中包括巴西研制的濕度探測(cè)儀HSB和MHS。歐洲極軌氣象衛(wèi)星MetOp上的大氣探測(cè)系統(tǒng)與美國(guó)業(yè)務(wù)環(huán)境衛(wèi)星上的系統(tǒng)相同。

美國(guó)目前國(guó)家極軌業(yè)務(wù)環(huán)境衛(wèi)星系統(tǒng)Suomi NPP上的星載大氣探測(cè)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(cè)任務(wù)，繼續(xù)沿用50～60GHz氧氣吸收帶進(jìn)行大氣溫度廓線探測(cè)，同時(shí)在183GHz水汽吸收線附近增加了探測(cè)通道數(shù)，提升了大氣濕度場(chǎng)探測(cè)能力。

我國(guó)星載微波遙感技術(shù)起步較晚，第二代極軌氣象衛(wèi)星風(fēng)云三號(hào)裝載的微波溫度計(jì)和微波濕度計(jì)是我國(guó)星載微波大氣探測(cè)載荷實(shí)現(xiàn)定量應(yīng)用的里程碑。衛(wèi)星風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星微波大氣探測(cè)系統(tǒng)包括覆蓋50～60GHz的大氣溫度探測(cè)儀和150～183GHz的微波濕度探測(cè)儀。從目前的使用情況看，風(fēng)云三號(hào)微波大氣探測(cè)系統(tǒng)很好地揭示了臺(tái)風(fēng)、暴雨等天氣系統(tǒng)內(nèi)部大氣熱力結(jié)構(gòu)，對(duì)于提高天氣預(yù)報(bào)、數(shù)值天氣預(yù)報(bào)水平具有重要作用。經(jīng)過(guò)A/B兩顆試驗(yàn)星的應(yīng)用，在風(fēng)云三號(hào)首發(fā)業(yè)務(wù)星C星上發(fā)展了微波溫度計(jì)Ⅱ型（MWTS-Ⅱ）和微波濕溫探測(cè)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(xì)分183GHz頻點(diǎn)探測(cè)通道的同時(shí)增加了118GHz新的探測(cè)頻點(diǎn)，提升對(duì)流層上部大氣溫度廓線探測(cè)精度，進(jìn)一步拓展風(fēng)云三號(hào)業(yè)務(wù)星的大氣探測(cè)能力[4-6]。這些成果為發(fā)展靜止軌道微波大氣探測(cè)技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。

發(fā)展靜止軌道大氣微波探測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)地球大氣全天候、全天時(shí)的觀測(cè)，對(duì)提高未來(lái)天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)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(guó)際氣象衛(wèi)星大國(guó)都在致力于發(fā)展靜止軌道微波大氣探測(cè)技術(shù)。然而由于靜止軌道微波探測(cè)本身的技術(shù)難度，相關(guān)航天計(jì)劃尚未得以實(shí)施。在這種形勢(shì)下，全球氣象衛(wèi)星協(xié)調(diào)組織（CGMS）在其第34屆會(huì)議所形成的文件中明確指出希望中國(guó)作為一個(gè)氣象衛(wèi)星大國(guó)能夠率先實(shí)現(xiàn)靜止軌道微波大氣探測(cè)。從制定航天計(jì)劃的角度看，目前中國(guó)在發(fā)展靜止軌道微波探測(cè)方面已經(jīng)與歐美站在同一起跑線上，但無(wú)論是在儀器制造技術(shù)還是在科學(xué)基礎(chǔ)支撐方面，我國(guó)與發(fā)達(dá)國(guó)家相比都存在一定差距。

1　靜止軌道微波大氣探測(cè)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(yuǎn)，采用真實(shí)孔徑天線條件下實(shí)現(xiàn)高空間分辨率探測(cè)的難度很大，到目前為止，國(guó)際上所有微波大氣探測(cè)儀器都搭載在低軌衛(wèi)星上。NASA曾經(jīng)考慮在未來(lái)靜止軌道氣象衛(wèi)星中搭載微波輻射探測(cè)器，歐洲也提出了靜止平臺(tái)微波大氣探測(cè)的概念。從技術(shù)體制上看，靜止軌道微波探測(cè)可以通過(guò)真實(shí)孔徑和干涉式綜合孔徑兩種技術(shù)體制來(lái)實(shí)現(xiàn)[7-9]。傳統(tǒng)的真實(shí)孔徑方案以美國(guó)的靜止軌道微波觀測(cè)平臺(tái)（Geostationary Microwave Observatory，GEM）與歐洲的微波大氣探測(cè)靜止觀測(cè)平臺(tái)（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(gè)探測(cè)波段，真實(shí)孔徑方案的問(wèn)題在于所需要的天線口徑大，形面加工要求高，掃描驅(qū)動(dòng)難度大。3m天線基本上已經(jīng)達(dá)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(yīng)用需求，但亞毫米波對(duì)大氣底層探測(cè)能力又很有限。天線技術(shù)的發(fā)展成為目前真實(shí)孔徑體制發(fā)展的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。另一個(gè)新的技術(shù)體制是干涉式綜合孔徑技術(shù)，以美國(guó)的地球靜止軌道合成孔徑輻射計(jì)（Geostationary Synthetic Thinned Aperture Radiometer，GeoSTAR）和歐洲的地球靜止軌道大氣探測(cè)器（Geostationary Atmospheric Sounder，GAS）為代表。

GeoSTAR地面原理樣機(jī)的初步測(cè)試結(jié)果及成像結(jié)果達(dá)到了預(yù)期效果，這強(qiáng)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(jìn)的稀疏天線陣列旋轉(zhuǎn)分時(shí)采樣方案，在降低載荷系統(tǒng)本身復(fù)雜度的同時(shí)，也大大降低了項(xiàng)目的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)與成本。這些都預(yù)示著干涉式綜合孔徑體制在靜止軌道微波探測(cè)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(jī)數(shù)目多，加工一致性要求高，定標(biāo)難度大，系統(tǒng)復(fù)雜。

2　干涉式綜合孔徑技術(shù)體制優(yōu)勢(shì)分析

鑒于探測(cè)頻率、天線口徑、地面分辨率之間固有的物理關(guān)系，真實(shí)孔徑技術(shù)體制比較適用于較高頻率的大氣探測(cè)。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(gè)小口徑的單元天線，解決真實(shí)孔徑成像中探測(cè)頻率越低、空間分辨率越差的問(wèn)題。這種技術(shù)在利用較低頻率進(jìn)行大氣溫度探測(cè)時(shí)具有更大優(yōu)勢(shì)。盡管干涉式綜合孔徑探測(cè)儀起步較晚，技術(shù)體制復(fù)雜，但由于其較小的物理孔徑便于星載應(yīng)用，且具有進(jìn)一步提升分辨率的潛力，近年來(lái)發(fā)展迅速，代表了被動(dòng)微波遙感技術(shù)的一個(gè)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(shí)孔徑天線，通過(guò)各個(gè)單元天線之間的兩兩相關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)視場(chǎng)內(nèi)亮溫分布的空間頻率域測(cè)量，在空間頻率域構(gòu)成一個(gè)等效虛擬大孔徑，再通過(guò)對(duì)空間頻域測(cè)量數(shù)據(jù)作傅氏變換得到觀測(cè)區(qū)域的亮溫圖像。

在將干涉式綜合孔徑技術(shù)應(yīng)用于地球靜止軌道衛(wèi)星方面，NASA自2002年開(kāi)始通過(guò)IIP計(jì)劃（Instrument Incubator Program），支持了JPL實(shí)驗(yàn)室的GeoSTAR項(xiàng)目，2005年完成地面原理樣機(jī)研制。GeoSTAR采用固定式的Y形天線陣列稀疏方案，設(shè)計(jì)50～56GHz和183GHz兩個(gè)探測(cè)頻段，每個(gè)探測(cè)頻段約需300個(gè)單元的天線接收機(jī)，實(shí)現(xiàn)能夠滿足應(yīng)用需求在50～56GHz頻段實(shí)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(cè)；在183GHz頻段實(shí)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(cè)。這樣的探測(cè)結(jié)果可以極大地提升對(duì)災(zāi)害性強(qiáng)降水系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)預(yù)警能力[12-13]。

歐空局從2002年也開(kāi)始通過(guò)AO(Announcement of Opportunity)方式對(duì)下一代地球同步軌道毫米波輻射計(jì)開(kāi)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(jìn)入地面樣機(jī)GAS研制。GAS星載系統(tǒng)將包括53、118、183、380GHz四個(gè)頻點(diǎn)。水平空間分辨率可望達(dá)到30km。由于GAS系統(tǒng)Y型陣列的旋轉(zhuǎn)，將每個(gè)探測(cè)波段所需要的天線單元數(shù)降到100左右，另外進(jìn)一步采用多時(shí)延數(shù)字相關(guān)方案，減少所需探測(cè)通道濾波器組的數(shù)目。

總體來(lái)講，目前世界上對(duì)下一代地球同步軌道被動(dòng)微波載荷的技術(shù)體制選擇仍然處于權(quán)衡評(píng)估階段。以GEM/GOMAS為代表的傳統(tǒng)真實(shí)孔徑方案研究時(shí)間較早，從20世紀(jì)90年代即開(kāi)始預(yù)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(cè)的應(yīng)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(fù)雜，在進(jìn)一步提升分辨率上更具潛力。其中，GEOSTAR的地面樣機(jī)的初步測(cè)試及成像結(jié)果達(dá)到預(yù)期指標(biāo)；而GAS采用了更先進(jìn)的稀疏天線陣列旋轉(zhuǎn)分時(shí)采樣方案，以增加部分機(jī)械旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)為代價(jià)換取載荷系統(tǒng)本身復(fù)雜度的降低，從而降低了項(xiàng)目的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)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(cè)輻射計(jì)將走向?qū)嶋H應(yīng)用。

3　我國(guó)靜止軌道微波大氣探測(cè)發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)近年來(lái)在發(fā)展靜止軌道微波探測(cè)方面投入較大，國(guó)家航天局、科技部、中國(guó)氣象局對(duì)此都有所部署，其中“十一五”國(guó)家863重點(diǎn)項(xiàng)目“地球同步軌道毫米波大氣溫度探測(cè)儀”面向干涉式綜合孔徑毫米波大氣溫度探測(cè)的技術(shù)前沿和靜止軌道微波探測(cè)的重大應(yīng)用需求開(kāi)展研究，突破了分時(shí)采樣方式與稀疏天線陣列的聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)、旋轉(zhuǎn)掃描綜合孔徑微波輻射計(jì)反演成像算法等關(guān)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(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了綜合孔徑圓環(huán)天線陣列自旋及重點(diǎn)區(qū)域成像的工作體制，大大降低了星載系統(tǒng)的復(fù)雜度，并針對(duì)該體制建立了相應(yīng)的系統(tǒng)性能指標(biāo)分析方法、陣列優(yōu)化設(shè)計(jì)方法、定標(biāo)方法以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程，圖1是靜止軌道毫米波大氣溫度探測(cè)儀全尺度樣機(jī)及成像實(shí)驗(yàn)結(jié)果[14-15]。

圖1　靜止軌道毫米波大氣溫度探測(cè)儀全尺度樣機(jī)及成像實(shí)驗(yàn)結(jié)果（a）全尺度原理樣機(jī)；（b）實(shí)際景物；（c）成像試驗(yàn)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(guó)家863啟動(dòng)了“靜止軌道大口徑雙模微波大氣探測(cè)儀”的研制，在大的綜合孔徑天線中央，設(shè)計(jì)小的真實(shí)孔徑天線。利用綜合孔徑技術(shù)克服低頻微波探測(cè)空間分辨差的難題，實(shí)現(xiàn)53GHz大氣氧氣吸收帶探測(cè)大氣溫度廓線；利用真實(shí)孔徑天線技術(shù)增加亞毫米波大氣探測(cè)。在雙模微波大氣探測(cè)儀的設(shè)計(jì)中，凝聚了綜合孔徑和真實(shí)孔徑兩種技術(shù)體制的綜合優(yōu)勢(shì)。預(yù)計(jì)“十二五”后期將完成樣機(jī)研制任務(wù)。這些工作的開(kāi)展，對(duì)于推進(jìn)靜止軌道微波探測(cè)衛(wèi)星的工程立項(xiàng)具有重要意義。

“十一五”期間中國(guó)氣象局國(guó)家衛(wèi)星氣象中心還在國(guó)家863計(jì)劃支持下完成了靜止軌道云雨大氣微波遙感科學(xué)仿真研究和載荷關(guān)鍵性能指標(biāo)的仿真研究。為未來(lái)利用靜止軌道微波遙感探測(cè)開(kāi)展業(yè)務(wù)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

4　未來(lái)展望

靜止軌道氣象衛(wèi)星對(duì)于監(jiān)測(cè)臺(tái)風(fēng)、暴雨等快速發(fā)展的強(qiáng)災(zāi)害性天氣系統(tǒng)具有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。目前的靜止軌道氣象衛(wèi)星上沒(méi)有微波遙感儀器，無(wú)法得到云團(tuán)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(duì)突發(fā)災(zāi)害性天氣的監(jiān)測(cè)能力。因此，我國(guó)氣象衛(wèi)星發(fā)展規(guī)劃中明確將下一代風(fēng)云靜止氣象衛(wèi)星分為光學(xué)星和微波星兩個(gè)系列，其中光學(xué)星已進(jìn)入工程型號(hào)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(lái)的靜止軌道微波大氣探測(cè)衛(wèi)星應(yīng)充分考慮傳統(tǒng)真實(shí)孔徑和新型干涉式綜合孔徑技術(shù)優(yōu)勢(shì)的結(jié)合和互補(bǔ)，在50～60GHz的溫度探測(cè)最佳頻段采用綜合孔徑技術(shù)體制，而在濕度探測(cè)的最佳譜段183GHz采用真實(shí)孔徑技術(shù)，實(shí)現(xiàn)靜止軌道大氣溫度和濕度的聯(lián)合探測(cè)。按照目前的技術(shù)部署，我國(guó)將有可能先于歐洲和美國(guó)，成為第一個(gè)開(kāi)展靜止軌道微波大氣探測(cè)的國(guó)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(guó)家自然科學(xué)基金（41201360）