微波成像仪研究综述

周鑫 刘健文 黄江平

摘 要：微波资料对数值预报准确率的提升具有关键作用，本文主要介绍了微波成像仪的优点和发展历程，发现美国在微波成像仪研究方面时间最长，数量最多，俄罗斯、日本和我国虽然起步较晚，但近些年也逐步发展起来，并计划在未来发射更多的微波成像仪升空。

关键词：微波成像仪；发展历程；综述

20世纪60年代以来，随着航天技术、计算机信息技术飞速发展，以及社会经济发展产生的对空间对地遥感技术的强烈需求，卫星遥感被广泛应用到大气环境探测中。由于卫星观测覆盖面广，能够提供全球范围的资料，弥补了海洋、沙漠、极地和高原等地区因气象站稀少而资料不足的缺陷。其中，被动微波辐射计通过接收地表和大气辐射的波长范围为1毫米到2米的微波能量，可以用来测算水汽、温度、风速、冰型、土壤湿度和降水等大气、海洋、陆地参数，在近几十年以其特殊的优势得到了飞速的发展。

与红外遥感相比，微波遥感具有明显的优势[ 1 ]。首先，微波遥感能够实现全天时、全天候的对地观测[ 2 ]。可见光以太阳作为光源，在黑夜里无法正常工作；红外探测虽然也可以全天候工作，但它会受到云水、气溶胶散射和水汽吸收的影响，在云雨天气条件下无法保证数据的质量。然而微波的波长比红外要长得多，因此在大气中衰减较小，能够穿透云层和雨区，从而对大气和地表的观测影响不大。这一特点也使得微波遥感对于地球表面尤其是海洋上空经常被云层覆盖的情况起到了很好的改善作用。其次，微波遥感能够根据比辐射率的差异鉴别不同的地物目标，而红外探测很难做到[ 3 ]。

微波成像仪是最早在轨应用的星载被动微波遥感仪器，探测频点大多设置在大气窗区，进行地球物理参数的成像遥感[ 4 ]。微波成像仪主要探测地表向上的热辐射，可以对地表参数进行遥感反演，例如：土壤湿度、地表温度和雪深等。微波成像仪的频点设计从1GHz左右到200GHz左右，涵盖了从L波段到W波段的所有微波频段。在每个频点上有可以分别接收目标的垂直极化和水平极化辐射信息，以及全极化辐射信息。

微波成像仪的发展：

微波成像仪的发展要追溯到上世纪七十年代，由美国最先开始进行研究和发射。1972年12月，人类历史上第一个微波成像仪电子扫描微波辐射器（ESMR）由NASA的Nimbus-5卫星搭载发射升空，1978年10月，Nimbus-7卫星搭载多通道扫描微波辐射器（SMMR）顺利升空，在此期间研究人员对SMMR进行了大量的实验研究。

随后20多年，美国陆续研制并发射了多个系列的微波成像仪。在美国国防部的国防气象卫星计划中，已有十几颗卫星搭载了微波成像仪发射升空，其中DMSP/F8、DMSP/F10、DMSP/F11、DMSP/F12、DMSP/F13、DMSP/F14和DMSP/F15搭载了专用微波成像仪SSM/I，DMSP/F16、DMSP/F17、DMSP/F18和DMSP/F19搭载了专用传感器微波成像仪/探测仪SSMIS。而TRMM、Aqua、Coriolis其他类型的卫星分别将TMI、AMSR-E和Windsat微波成像仪送上太空。

俄罗斯对微波成像仪的研发也取得了一定成果。2001年12月，Meteor-3M卫星携带MTVZA发射升空，与SSMIS一样，MTVZA也是集成了成像和探测的微波辐射计，主要任务是对大气温度和湿度进行全天候探测，生产了可降水总量、云液体水、近表面风速、瞬时雨量、地面温度、海水浓度以及积雪度等数据。2009年9月，在MTVZA基础上改进的MTVZA-GY搭载在Meteor-M N1 卫星上发射成功，随后该系列的第三颗卫星Meteor-M N2 于2014年7月再次将MTVZA-GY送上太空。

在亚洲，日本在微波成像仪方面的研究处于领先水平，TMI便是日本和美国合作完成的。日本“第一轮卫星计划之全球水圈变化观测卫星”（GCOM-W1）于2012年7月搭载了第二代先进微波辐射成像仪AMSR-2 发射升空，AMSR-2通道设置与AMSR-E类似，但增加了一个新的频率7.3GHz，并且改进了热定标源部分。预计2016年日本的GCOM-W2卫星将携带微波成像仪发射升空。

我国近些年在微波成像仪领域也取得了一定的成果。新一代气象极轨卫星风云三号装载微波成像仪FY-3/MWRI（Micro-Wave RadioMeter Imager）于2008年5月27日搭载在FY3-A上顺利升空，MWRI采用机械扫描和大孔径偏置抛物面天线，能够满足多频率、双极化、窄波束和低损耗等要求。2011年10月和2013年9月FY-3B与FY-3C再次分别携带MWRI发射成功，FY-3B与FY-3A组成了上下午双星同时在轨运行的格局，大幅改进了观测的时间和空间覆盖全面性。

总体来说，美国在微波成像仪研究方面时间最长，数量最多；俄罗斯、日本和我国虽然起步较晚，但近些年也逐步发展起来，并计划在未来发射更多的微波成像仪升空。

参考文献：

[1] 周秀骥，陶善昌，姚克亚.高等大气物理学[M].北京：气象出版社，1991.

[2] 王晓海，李浩.国外星载微波辐射计应用现状及未来发展趋势[J].中国航天，2005（4）：16-20.

[4] 陶玮.微波成像仪探测结果及其应用[D].中国科学技术大学，2012.DOI：10.

[5] 杨军，许建民，董超华，卢乃锰.气象卫星及其应用[M].气象出版社，2012.

作者简介：周鑫（1991-），男，陕西人，研究生，汉族，研究方向：数值预报。