一体化微波成像探测技术发展和展望

吕利清，徐红新，栾英宏

（1.上海卫星工程研究所，上海201109；2.上海航天电子技术研究所，上海201109）

一体化微波成像探测技术发展和展望

吕利清1，徐红新2，栾英宏2

（1.上海卫星工程研究所，上海201109；2.上海航天电子技术研究所，上海201109）

介绍了微波成像探测技术的发展历程及趋势。阐述了将多种遥感目的和功能集于一体微波成像探测的优势和必要性。通过多频点大口径天馈、高灵敏度多通道接收及高稳定度长寿命转动机构等关键技术的突破，研制了一体化微波成像探测样机。与目前在轨的风云三号（FY－3）卫星微波成像仪相比，最高测量频段提高、细分通道数目增多、探测灵敏度及辐射测量精度提升，实现了大气温度廓线、大气湿度廓线和地表成像的一体化同源观测，在增强数据同化能力的同时提高了卫星的载荷效率，可同时获得全天时、全天候的海面风场，海面温度，海冰分布和雪覆盖，大气温湿度廓线，大气水汽和液态水分布等全球性气象资料。对一体化微波成像探测技术的高分辨率、高频率接收和全极化探测等发展方向进行了展望。

气象卫星；无源遥感；微波成像探测仪；大气温度廓线；大气湿度廓线；地面成像；一体化；微波辐射计；圆锥扫描

0 引言

卫星可从空间利用遥感技术对地球进行观测，能获取非常丰富的信息，是地面及其它常规观测手段无法比拟的。随着气象遥感技术的不断发展，卫星遥感器覆盖了从可见光、红外到微波的较宽波段范围。可见光与红外波段探测用于气象监测，因其范围大、分辨率高的优点，成为获取气象遥感数据的重要信息源之一。但由于其对云和降雨的穿透性较差，所获取的信息主要来自云层顶部，降低了获取地表数据的准确性。与可见光和红外探测相比，利用微波探测获取气象信息，具有较强的穿透力，能提供全天时、全天候的气象资料［1］。微波遥感包括有源和无源两种方式。其中无源微波遥感根据大气辐射传输吸收特性基本原理，无需发射信号，通过接收目标自身辐射的微波信号获取目标物理信息，是最先发展的微波遥感方式，已成为微波遥感的重要手段之一，可用于大气微波遥感（大气温度、大气湿度、降水）、海洋微波遥感（海面温度、海面风场、海水盐度、海冰覆盖）、陆地微波遥感（土壤湿度、雪覆盖）、气候与环境遥感（大气成分、环境污染）及深空探测科学研究等多个领域。无源微波遥感器，也称微波辐射计，按功能可分为探测仪（Sounder）和成像仪（Imager）两类。探测仪通常指空间范围的观测，如大气垂直廓线探测、云的分层探测、大气成分探测等；成像仪一般是平面尺度的观测，如海表、陆表要素成像等。随着科技水平的提高，无源微波遥感器更新换代的发展，一台遥感器可实现集合两种功能的能力，即一体化的微波成像探测。本文叙述了国际上微波成像探测技术的发展历程及发展趋势，介绍了我国该技术的现状，以及自主研发微波成像探测仪的关键技术突破，分析了其技术先进性及应用实践，并提出了未来微波成像探测技术的可能发展方向，为我国该领域的快速发展提供支撑。

1 微波成像探测技术发展历程

早在20世纪40年代中期，在DICKE等利用地面微波辐射计对大气层进行观测后，人们认识到利用星载微波辐射计对地球的辐射进行观测是研究地球大气层及其表面特征的有效方法。1962年，由美国发射的水手2号飞船装载一个两通道的微波辐射计对金星进行了第一次成功的测量，开创了航天微波辐射计对星球遥感的历史。真正利用星载微波辐射计对地球进行观测始于1968年，由前苏联发射的宇宙243卫星搭载一个4通道微波辐射计对大气、云层中的含水量及海面温度，冰川覆盖进行了探测，取得第一手卫星遥感资料。此后，美国、前苏联／俄罗斯、日本和欧洲发射了一系列装载有微波辐射计的卫星对地球进行遥感。20世纪70年代美国雨云气象试验卫星上搭载的一系列微波辐射计为后期的发展奠定了基础。这一时期的微波辐射计性能达到当时的顶峰，多通道、双极化机制扩大了其应用范围，并在此基础上针对不同的应用需求，提出了后期发展的星载微波辐射计的各项具体性能指标。近30年来，国际上最具代表性的微波辐射计包括美国海洋与大气总署（NOAA）系列、国防气象卫星项目（DMSP）系列等。

1.1 NOAA系列卫星微波辐射计

20世纪70年代，美国开始部署NOAA系列卫星，其中高级微波探测单元（AMSU）是其主要有效载荷［2］。AMSU的观测频率23.8～183GHz，包含A1，A2，B三个独立模块，具有大气垂直廓线探测和地表成像功能。

先进技术微波探测仪（ATMS）是其后续的新一代微波辐射计，如图1所示［3－4］。其观测频率23.8～183GHz，探测通道22个。AMSU的A1，A2，B模块采用了一体化集成设计，具有可同时探测全球大气温、湿度廓线及地面成像功能［5］。2011年首次发射升空。

1.2 DMSP系列卫星微波辐射计

DMSP是建立于20世纪60年代中期的美国国防部长期气象项目［6］。其主要遥感仪器包括：特种微波成像仪（SSM／I），频率19～89GHz，实现对地表的成像观测；特种微波温度探测仪（SSM／T－1），频率50～60GHz，实现大气垂直温度廓线探测；特种微波湿度探测仪（SSM／T－2），工作频率91～183GHz，实现大气垂直湿度廓线探测。

2003年10月，DMSP的F－16卫星发射升空，携带了新一代的微波辐射计——特种微波成像探测仪（SSMIS）［78］。它综合了SSM／T－1，SSM／T－2，SSM／I的功能，采用了探测成像的一体化设计，观测频率覆盖19.3～183GHz，如图2所示。

从国外发展历程来看，为提高卫星资源的利用率，提升气象卫星的性能，一体化集成设计是微波探测成像技术的发展方向。作为美国重组NOAA与DMSP系列的新项目，国家极地轨道任务环境卫星系统（NPOESS）计划装载预研中的下一代微波辐射计——圆锥扫描微波成像探测器（CMIS），后因财政原因计划重组，载荷更改为微波成像探测器（MIS），其测量频段6.6～183GHz，通道77个，如图3所示，可对大气、陆表和海表进行全天候观测，兼有微波成像和探测功能，是目前研究的集成度最高、功能最全的气象卫星先进微波辐射计［9－10］。

2 采用一体化微波成像探测的必要性

2.1 应用需求

随着社会的发展，对气象观测技术的要求也越来越高。为提高气象业务的预报准确率和精细化水平，需要均一性更好、时间序列更长的观测资料，这就提出了高精度、高准确度的观测要求［11］。集多种探测目的和功能于一身的一体化微波成像探测技术，可获取目标的综合信息，满足多方面的应用需求，并且提高同源探测获取的目标信息精度，是开展精细化天气预警预报、气候预测预估及各类气象服务的前提。

2.2 技术优势

一体化微波成像探测技术作为先进的气象卫星微波无源遥感技术，其主要优点如下。

a）发展一体化微波辐射技术可避免通道重复设计，节约开支。通过集成化一体化设计，使载荷具有体积小、重量轻和功耗低的优势，与独立实现各种功能的载荷相比显著降低了对卫星平台的资源需求，能提高卫星的载荷效率。

b）通过一体化微波辐射技术获取的数据一致性好，数据同化能力增强，便于数据的反演和分析使用，可获得更多的应用产品。

因此，从应用需求和载荷技术发展趋势来说，发展一体化微波辐射技术的先进微波无源遥感探测有其必要性。

3 我国微波成像探测技术研究与发展

3.1 风云系列微波辐射计现状

我国于20世纪90年代开始微波辐射计的研究，搭载于神舟飞船的多模态微波遥感器是我国首个微波辐射计遥感试验仪器。首次成功实现业务化应用目标的是搭载于我国自行研发的FY－3第二代极轨气象卫星的三台微波辐射计：微波温度探测仪（MWTS）、微波湿度探测仪（MWHS）和微波成像仪（MWRI），为天气预报、气候预测及环境监测等领域提供了丰富的数据。目前已发射了FY－3A，B，C三颗卫星，2017年计划发射FY－3 04星。除FY－3卫星外，嫦娥一号探测器和海洋二号卫星上也配置了微波辐射计。微波温度探测仪工作频率50～60GHz，探测通道13个，其功能与DMSP的SSM／T－1相当。微波湿度探测仪工作频率为118，150，183.31GHz，探测通道15个，其功能与DMSP的SSM／T－2相当。微波成像仪探测频点为10.65，18.7，23.8，36.5，89GHz，通道10个，用于对地表的成像观测，其功能与DMSP的SSM／I相当，见表1［12－13］。

目前，我国实现星载应用的被动微波遥感仪器仍是由独立的模块实现不同的遥感功能。随着综合气象观测需求的提升，我国的集成化综合观测技术也在快速发展。在FY－3卫星微波成像仪的基础上，研制了一体化微波成像探测仪（EMWIS）。

3.2 一体化微波成像探测技术研究

一体化微波成像探测仪集大气温度探测、大气湿度探测和地表海表成像功能合一，提升了整体观测能力，其组成如图4所示。其辐射测量精度、观测灵敏度、地面分辨率和定位精度等都有改进和提高，通过对地球表面10.65～183GHz单极化或双极化被动微波辐射能量的观测，获取海面风场、陆表和海表降水、大气可降水、云水、大气路径液水厚度、路径冰水厚度、融化层高度和厚度、土壤水分、海冰、海表温度、积雪、温度廓线、湿度廓线等相关信息。

一体化微波成像探测仪主要技术指标见表2、3。表3中：f0＝57.290 344GHz。

表1 SSM／I与FY－3卫星微波成像仪参数Tab.1 Performances of SSM／I and FY－3MWRI

表2 一体化微波成像探测仪指标1Tab.2 Major performance 1of EMWIS

考虑遥感信息应用，为保证设计中36.5GHz通道在飞行方向的扫描连续覆盖，150，183GHz通道在飞行方向的扫描覆盖率大于50%，并保证成像通道的波束轴位于同一扫描线上，采用圆锥扫描方式，冷、热定标源由馈源口面馈电网络进入实现系统定标。在轨观测扫描如图5所示。一体化微波成像探测仪样机构型如图6所示。

SSMIS，EMWIS性能见表4。其中：地面分辨率与天线口径有关，相同条件下，天线口径越大，分辨率越高。由表4可知：EMWIS的技术指标与国际先进水平相当或更优。该技术的突破，可使我国的微波无源遥感技术及气象遥感进入世界先进水平之列。

3.3 关键技术

3.3.1 多频点大口径天馈

天馈包含天线反射面和馈源组合。天馈设计需使所有观测频段满足高观测分辨率、主波束效率、极化隔离度、光路干涉的要求，并考虑系统定标需求。设计指标对微波成像探测仪系统主要性能指标的影响较大，因此需首先突破多频点大口径天馈技术。

为满足光路干涉、主波束效率及定标等要求，经仿真优化设计，确定天线形式为抛物状反射面，采用偏馈聚焦方式。根据观测分辨率确定天线反射面有效口径1.2m（轨道高度410km）或1.8m（轨道高度800km）。由于载荷工作频率覆盖10～183GHz，要求反射面形面精度高达30μm，而目前我国在轨遥感仪器30μm形面精度的反射面口径仅200mm。采用碳纤维复合材料表面镀层的方式，具备重量轻、热膨胀系数小的优势，可使其满足形面精度的要求。该技术的突破使大口径高形面精度反射面技术处于国内先进水平，为后续星载载荷选用提供了更多选择。

表3 一体化微波成像探测仪指标2Tab.3 Major performance 2of EMWIS

表4 SSMIS，EMWIS参数Tab.4 Performances of SSMIS and EMWIS

馈源组合包括10.65，18.7／23.8，36.5，50～60，89，150，183GHz共7组，与天线协同设计，同样需满足观测分辨率、主波束效率、极化隔离度等指标，同时考虑波导排布、结构和光路干涉等问题。通过多种排布方式的对比，最终确定了高频居中，低频两侧，分列两排的馈源布局方式，如图7所示。经仿真计算，主波束效率由原来的90%（FY－3卫星微波成像仪）提高至95%，获得了与国外相近的高性能指标。

为保证仪器的安全及符合卫星发射安装包络，天线反射面采用了收拢展开装置，保存、运输和装星状态下，天线在侧面收拢；工作状态下，天线通过四连杆机构完成展开。与现有FY－3卫星微波成像仪相比，为适应更大口径的天线，对展开机构设计进行了优化：将弹簧（单只最大2.5N·m）改为恒力矩弹簧（单只2N·m），确保整个展开过程中的展开力矩不变，同时到位后仍有相对大的驱动力矩；增加了阻尼稳速机构，保证了展开过程中稳定匀速，到位冲击小；将两杆支撑改为多杆支撑，提高了展开后的刚度及基频；将到位锁定机构的滑动锁定方式改为锁钩式锁定，改善了锁定刚度和可靠度。天线展开过程仿真如图8所示，分析计算表明收拢和展开状态均满足动力学要求。

3.3.2 高灵敏度多通道接收

接收子系统对接收的微波辐射信号进行放大、积分、检波等处理，将信号转换为视频信号输出。一体化微波成像探测仪接收子系统覆盖10.65～183GHz。接收机是微波成像探测仪的核心单元模块之一，其噪声性能和稳定度直接影响微波成像探测仪的灵敏度和定标精度。国外W／G波段接收机已较成熟，而国内目前成熟的接收技术还是Ka波段，W波段及以上频率的接收机主要依靠国外引进。

为提高我国微波辐射计的自主研制能力，在FY－3卫星微波成像仪5频点10通道接收机的基础上，自主研发了50～60（13通道），150（2通道），183GHz（5通道）接收机，包括前段和中频两部分。毫米波亚毫米波前端采用超外差方式将输入的有一定带宽的双边带信号混入零中频，对信号进行低噪声放大，在实现功能的同时尽量减小接收机的噪声温度。中频将宽带中频信号频率分离、滤波，再将信号放大到检波器的平方律检波最佳线性度的输入功率点，然后对信号检波、视频放大和积分。测试表明：各频段的接收机灵敏度、线性度等均满足应用需求，部分测试结果如图9所示。

3.3.3 高稳定度长寿命转动机构

一体化微波成像探测仪在轨作匀速圆锥扫描运动，若存在动不平衡量，会对卫星姿态产生影响，同时也会对自身轴系施加额外的力矩，增加其变形及磨损，减少其工作寿命。根据卫星寿命要求，载荷需在轨运转1.6亿转，因此高稳定度转动机构的设计尤为关键。

为尽量降低对卫星姿态的影响，采用了高精度动平衡技术对状态进行控制。扫描驱动机构采用轴转动、外壳固定不动的内转式方案，由驱动单元、功率和信号传输装置、发射卸载装置等组成。为满足热源和冷镜的支撑要求，转轴采用中空设计，其间安装用于支撑热源冷镜的固定轴。

为满足扫描机构的设计寿命要求，功率和信号传输装置采用滚环方式。整个机构采用直接驱动方式，无减速器，且滚环安装于电机后端，滚环不传递力矩。同时为减少中间支撑和连接环节，电机采用直流无刷分体式电机，整个机构采用两对轴承，背对背支撑，如图10所示。采用直流无刷电机保证力矩输出稳定、控制精度高，满足各扫描模式下卫星姿态稳定度0.002（°）／s的要求。

3.4 一体化微波成像探测仪技术特点

一体化微波成像探测仪原理样机如图11所示。与FY－3卫星微波成像仪相比，其技术特点如下［14］。

a）对轨道高度410km的FY－3降水测量卫星及同类卫星，采用了口径1.2m的可展开抛物面天线，其所有探测频点的主波束效率均优于95%，交叉极化优于－25dB，优良的天线性能为保证探测精度奠定了基础。对轨道高度800km的太阳同步轨道卫星，一体化微波成像探测仪可配置口径1.8m的可展开抛物面天线。天线尺寸的灵活配置，可保证不同轨道探测的地面分辨率基本匹配，便于遥感数据的反演应用。

b）一体化微波成像探测仪增加了50～60GHz带宽细分通道和150，183GHz探测通道，能对降水、毛毛雨、降雪、融化层高度和厚度、冰云、温度廓线、湿度廓线进行探测，提升了探测能力。

c）提高了一体化微波成像探测仪在辐射测量精度及观测灵敏度：89GHz通道观测灵敏度优于0.5K；10～89GHz成像通道的定标精度优于0.8K；150，183GHz探测通道的定标精度优于1.2K。

d）优化了一体化微波成像探测仪的热控系统：采用被动为主、主动为辅的热控措施，在转动的辐射接收系统外围安装固定的遮光罩进行热控，保证仪器处于最佳工作状态。优化后的热控设计方案，使一体化微波成像探测仪能适应不同轨道高度的卫星不同外热流条件。

3.5 应用与实践

在轨的FY－3卫星微波成像仪获取的大量探测数据已生成各种各样的应用产品，如海表温度、海面风速、海冰覆盖、海上大气可降水、陆地土壤湿度、积雪深度等，广泛用于大气、海洋、陆地和环境等各领域，为国民经济各行各业的建设发挥了重要作用［1517］。其中：海上大气可降水和陆地土壤湿度两个产品分别如图12、13所示。

一体化微波成像探测仪在FY－3卫星微波成像仪的基础上增加了湿度廓线探测、温度廓线探测功能，多种不同探测特性的频段对地同时观测，可获得更全面、更细致的信息，可全天时、全天候探测海面风场，海面温度，海冰分布和雪覆盖，大气温湿度廓线，大气水汽和液态水分布，全球性海洋资料和空间气象资料。具体应用如下。

a）提供高精度、高准确度、及时稳定可靠的观测数据，提高天气预报的准确率和精细化。提高预报预测准确率和精细化水平是气象预报预测业务的核心。为建立满足公共气象服务需求的各类气象预报预测业务系统，需提供均一性更好、时间序列更长的观测资料，以获取气象服务区、天气气候敏感区及海洋地区的观测数据，提高综合气象观测系统能力。

b）对气象灾害的综合、立体、连续观测，提升对气象灾害的监测能力。我国是世界上气象灾害最为严重的国家之一，灾害种类多，分布地域广，发生频次高，造成损失重。为有效防御和减轻气象灾害造成的损失，提高应对突发公共事件应急的气象保障能力，迫切需要对其的全方位监测，用于减灾防灾领域，减少灾害性天气对国民生产的影响。

c）全方位立体监测气候及气候变化。气候和气候变化导致人类生存条件发生变化，为深化对气候变化事实和规律的科学认识，推进气候变换综合影响评估工作，减少或消除有关气候变化的不确定性，需增强对全球气候变化的监测能力，提高对气候变化的定量描述和预估水平，以便采取相应的应对措施。

d）为大气运动建模、大气科学理论研究提供完整准确的观测资料。气象观测是大气科学发展的基础。由于大气现象及其物理过程的变化较快，影响因子复杂，虽然在一定简化条件下，对大气运动作了不少模拟研究、大气运动模型实验，但组织局地或全球的气象观测网，获取完整准确的观测资料，仍是大气科学理论研究的主要途径。历史上的锋面、气旋、气团和大气长波等重大理论的建立，都是在气象观测提供新资料的基础上实现的。

综上，一体化微波成像探测技术的星载应用将会对气象遥感发展产生巨大的推动作用，为国民经济各领域建设提供服务。

4 技术发展展望

随着航天技术的发展，为满足日益扩展的社会对气象卫星微波遥感信息的服务需求，支撑国家提高自然灾害与突发事件应对能力，提升国家防减灾能力，需继续拓展完善气象卫星微波遥感全球观测能力。一体化微波成像探测技术的发展方向如下［18－20］。

a）高分辨率技术

随着光学高分辨率卫星影像带来的巨大军事和经济效益，微波遥感也向高分辨率方向发展以获得更精细的信息，利于更细致地了解探测对象的物理特性。建设高分辨率的对地观测系统，可满足日益发展的国民经济建设需求。

b）越来越高的频率接收技术

高频段的优点是可拥有更多的探测频段，获得更多的探测信息，利于避开频率也越来越高的地面和空间通信的干扰信号。此外，高频探测具有体积小、重量轻的优势，降低了载荷对卫星平台的资源需求，可提高卫星的载荷效率。

c）全极化探测技术

在一体化微波成像探测的基础上，通过增加部分频点的全极化功能，可获得全极化测量的全部Stokes参数信息。多频多极化同时对陆地、海洋和大气观测能获得观测目标更全面更细致的探测要素，获取完整准确的观测资料，可更好地满足海洋、陆地和大气多数据同化需求，为大气科学理论研究的奠定基础。

5 结束语

一体化微波成像探测技术的发展，实现了我国微波温度探测、湿度探测和地表成像功能的一体化设计。通过多频点大口径天馈、高灵敏度多通道接收及高稳定度长寿命转动机构等关键技术的突破，研制了新一代一体化微波成像探测仪样机，实现对目标的同源观测，增强数据同化能力的同时提高了卫星的载荷效率，为后续星载应用奠定了基础。该项技术的突破，使我国的微波无源遥感技术迈上了新台阶，气象遥感列入世界先进水平国家之列。

目前，一体化微波成像仪已完成了关键技术的突破，研制了工程样机。经系统测试其各项指标满足任务要求，在国内处于领先地位，将用于FY－3 03批卫星，计划于2018～2019年发射。

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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

吕利清（1964—），男，研究员，大气环境测量卫星总负责人，陆地水资源卫星技术总负责人，主要研究方向为微波遥感及测控数传。