微波无源遥感有效载荷现状与发展

2018-05-10 07:33姚崇斌徐红新谢振超赵永涛

上海航天 2018年2期

姚崇斌，徐红新，赵锋，谢振超，赵永涛

(上海航天电子技术研究所，上海 201109)

0 引言

卫星有效载荷按应用方向可分为通信载荷、导航载荷、遥感载荷、空间科学载荷等，其中遥感载荷又分为光学遥感载荷与微波遥感载荷。微波遥感是20世纪60年代才付诸应用的新领域。微波无源遥感有效载荷(主要为微波辐射计)是其中发展最早、最成熟的子领域，也是当前卫星有效载荷的重要分支。微波辐射计的云雨穿透性、全天候探测能力和对海洋与地表内部的探测能力，使其在气象、海洋、陆地、大气环境和深空探测等领域得到广泛应用。

1 概念原理

任何温度大于0 K的物体均向外辐射能量，这是由量子理论确定的。微波辐射计是测量物质辐射功率的高灵敏接收系统，具有系统简单，质量轻和功耗小的特点。不同的物质具有不同的分子结构，因此具有不同的辐射频率特性，即不同的谱特性。微波无源遥感有效载荷通过测量物体不同频率辐射亮温值的组合来反演得到温度、湿度、风速、盐度等遥感参数[1]。目前，微波无源遥感有效载荷已在多个应用领域取得了令人瞩目的成果。

2 国外发展历程及技术特点分析

微波无源遥感载荷主要应用于气象微波遥感、海洋微波遥感、陆地微波遥感、大气环境遥感和深空探测等领域。

2.1 气象微波遥感

在气象应用领域，微波无源遥感有效载荷不仅可获取高精度的大气参数(如大气温度、水汽分布、液态与固态水分布)，还能获取温度、湿度等的垂直廓线分布。

2.1.1 温度探测

氧气是大气中唯一含量稳定且有较强吸收谱线的成分，可用于测量大气温度。氧气吸收谱线包括54，118，425 GHz等，其中54 GHz谱线最宽、吸收率最高，是天然最好的大气温度探测频段，通过氧气吸收频段的细化通道可探测大气温度廓线的三维立体分层。

美国A型先进微波探测器(AMSU-A)是对美国天气预报贡献最大的微波无源遥感有效载荷，于1998年5月随NOAA-15进入轨道运行。AMSU-A代替了之前的MSU和SSU微波辐射计，用于测量距地表50 km高度内的大气温度分布，温度分辨率达0.25～1.2 K。AMSU-A是全功率毫米波微波辐射计，观测在观测频带内从地球表面和大气辐射的微波能量，通过交轨扫描15个频率通道对场景的辐射能量进行测量[2]。

俄罗斯在空间站和对地观测卫星上也搭载了多个微波辐射计，最先进的是大气温度探测微波辐射计(MTVZA)系列，搭载在气象卫星系列METEOR-3M及其后续星SICH-1M上。MTVZA是一个多通道微波辐射计，与NASA的AMSU相似，用于探测陆地表面、海洋表面和大气的含水量，以及全球大气温度和湿度的垂直分布。它的观测频率为18.7～183 GHz，有26个探测通道[3]。

2.1.2 湿度探测

利用水汽谱线可测量大气中的水蒸气。水汽吸收谱线包括23，183，380 GHz等，需在大气温度参数已测量的条件下反演水汽含量。同样，通过水汽吸收频段的细化通道可探测大气湿度廓线的三维立体分层。

2011年，美国发射了“极轨气象卫星系统”(JPSS)首个运行的Suomi-NPP卫星，上面搭载的先进技术微波探测仪(ATMS)是一个全功率式跨轨道微波探测仪，其一体化集成了AMSU-A1、AMSU-A2和AMSU-B载荷的全部功能[4]。ATMS探测23.8～183.3 GHz之间的22个频率的地表和大气微波辐射，其中通道1～15为低频探测通道(23～57 GHz)，主要用于探测大气温度廓线，通道16～22为高频探测通道(88～183 GHz)，主要用于探测大气湿度廓线[5-6]。ATMS利用额外的探测通道和更宽的扫描范围来更精确地测量大气温度和湿度廓线[7]。

降水(液态与固态水)特性采用液态与固态水粒子前向散射导致亮温大幅下降的特征来测量。当大气中液态与固态水粒子尺度同探测频段波长相当时，辐射测量的主要贡献是米氏散射，由此导致的亮温变化最大，因此对与探测频段波长同等量级的冰水粒子最敏感。一般来说，高度越低，粒子半径越大，数目越少。低频通常具有较好的穿透性，能探测下层大粒子，高频对上层小粒子更敏感。因此，在完成温度探测的同时，可完成降水三维结构的反演。

欧洲EUMETSAT极地系统包括欧洲空间局(ESA)研发的气象卫星系列MetOp和一系列与之相关的用于气象气候检测的地面设备。微波湿度探测仪(MHS)是MetOp卫星的主要有效载荷之一，由ESA独立研制，其功能与AMSU-B类似，并在2003年左右代替了AMSU-B。

2.1.3 低轨卫星温度湿度复合微波探测

美国设计研制的CMIS(conically scanned microwave imager sounder)是继SSM/I和SSMIS后新研的圆锥式扫描一体化微波辐射计，集测温、测湿与成像功能于一体。微波成像探测仪CMIS在6～183 GHz之间分为9个频段，共有77个主要通道和17个备份通道，配有16个馈源，其中12个馈源安装在低频段(6～89 GHz)反射面天线上，4个馈源安装在高频段(166～183 GHz)反射面天线上[8]。

2.2 海洋微波遥感

利用低频微波的穿透性，微波辐射计通过测量海洋表面的亮温来获取海面温度、风场、海盐、海冰等信息，为海洋科学研究提供宝贵的数据支持。在剔除大气、天体等影响因素后，亮温同海洋表面温度及发射率有关。其中，发射率是海面温度、海面风场、海洋盐度等的函数，不同微波频段具有不同的辐射特性。

2.2.1 海面温度

红外与微波均可测量海面温度，但红外只能探测海洋表层温度，而微波能实现较深层探测，两者联合能更全面探测海洋温度。海面温度最优探测频段为6.9 GHz，该频段入射角为(53±1.5)°时，辐射亮温受风场影响最小。海面温度次优探测频段为10.65 GHz。不同极化对海面温度的敏感性也不同，6.9 GHz的垂直极化对海洋表面温度最敏感，其次为10.65，18.6 GHz的垂直极化。

2.2.2 海面风场

当海面温度已知时，由H极化与V极化的差异可得海面风速信息。多频段组合可提高风速与风向的反演精度，一般采用10.65，18.7，36.5 GHz进行全极化组合测量。美国Windsat载荷是2003年搭载于Coriolis卫星上的全球首个全极化微波辐射计，用于海面风速和风向测量。Windsat载荷有22个6.8～37 GHz的探测通道，其中10.7，18.7，37.0 GHz是全极化通道[9]。

2.2.3 海洋盐度

在消除温度与风场影响后，可由亮温变化反演获得盐度信息。盐度探测需要一定的探测深度，通常采用L频段1.4 GHz的大气窗口频率，1.4 GHz的V极化对海洋盐度的探测灵敏度为0.2～0.8 K/psu。

ESA于2009年发射了土壤湿度和海洋盐度探测卫星(SMOS)，其上搭载了世界上首个极轨二维综合孔径干涉式辐射计(MIRAS)。MIRAS可观测大范围、多角度的极化亮温。SMOS任务的主要目标之一是提供有一定精度、灵敏度、空间分辨率、空间范围和时间覆盖范围的海洋盐度分布图。SMOS测量海洋盐度精度有以下两个目标：

1) 海洋盐度精度为0.5～1.5 K/psu(单次测量)，0.1 K/psu(10～30天内平均)；

2) 空间尺度为100 km×100 km或200 km×200 km[10]。

SMOS在L频段测量由地球辐射的亮温，其入射角为0°～55°，刈幅宽度约为1 000 km，空间分辨率为35～50 km，目前测量模式为全极化测量[11-12]。

2011年，美国和阿根廷联合发射了SAC-D卫星，卫星主载荷为Aquarius主被动联合探测仪，包括一个1.41 GHz辐射计和一个1.26 GHz散射计，其主要科学目标是监测公开海域海洋表面盐度场的季节和年际的大尺度特征变化[13]。Aquarius包括一个2.5 m的反射面天线，3个馈源喇叭对应3个独立的波束，天线和馈源由辐射计和散射计共用。3个波束的对地入射角分别为29.36°，38.49°和46.29°，空间分辨率分别为76 km×94 km，84 km×120 km和96 km×156 km[14]。

2.2.4 海冰覆盖

微波辐射计利用海水与海冰亮温的不同实现区分，通过反演表面温度来监测海冰的季节和年际变化等，并得到海冰的边缘线信息和密集度数据。受空间分辨率影响，微波辐射计只能提供较粗分辨率的海冰产品(如SSM/I的分辨率为12.5～25 km，AMSR-E为5.4～25 km)，适合观测大面积海冰(如极地海冰)，区分一年冰和多年冰[15]。

在空气、海冰和海水三层介质系统中，海冰厚度反演分为相干和非相干模式。相干模式适用于介质内电磁参数的空间波长比电磁波波长小得多且介质均匀的情况，通过反射系数、介质的等效阻抗及各层相对复介电常数来得到海冰厚度与辐射亮温之间的关系；非相干模式只需考虑电磁波的功率密度叠加，无需考虑电磁波的相位关系。

2.3 陆地微波遥感

微波辐射计能获取的陆地环境参数主要是土壤湿度和雪覆盖。

2.3.1 土壤湿度

对土壤水分的观测主要是利用微波遥感对水分(土壤介电常数)变化有较高的敏感性，根据介电常数随土壤中液态水含量的变化形成微波辐射亮温的变化来反演湿度信息。由于L频段微波频率对云雨、植被和土壤具有一定的穿透能力，且对土壤水分变化最为敏感，因此L频段微波频率是国际公认的最优土壤水分探测频率。

2015年发射的美国SMAP卫星搭载了1.41 GHz微波辐射计和1.22～1.3 GHz雷达。其中，辐射计可探测全部4个斯托克斯参数，空间分辨率为40 km，雷达有两种工作模式，低分辨率成像模式的空间分辨率为10 km，高分辨率成像模式的空间分辨率为3 km。两者共用一个直径为6 m的可展开网状天线。SMAP卫星将辐射计和雷达(散射计)数据结合，用于测量地表土壤湿度与冰冻/解冻状态，得到全球10 km分辨率的土壤湿度产品，精度为±0.04 cm3/cm3[16]。

2.3.2 雪覆盖

之所以能利用微波遥感数据获取积雪深度、雪水当量等积雪定量信息，主要是因为在积雪覆盖地表，积雪层的冰粒子对不同频率的微波辐射具有不同的辐射和散射作用。

2.4 大气环境遥感

大气污染已成为关乎人类生存和各国发展的重大全球性问题。根据观测角度不同，微波辐射计观测模式可分为天底观测模式和临边观测模式两种。其中，临边观测受地表辐射影响较小，积分时间较长，因此具有较高的探测精度与灵敏度。

通过分析大气中不同成分的吸收谱线的分布可以发现，亚毫米波对氯化物、氮化物、氢氧根等有特殊的敏感性，而这些元素在其它频段很难探测。在亚毫米波频率，大气中的许多分子有特征吸收谱线，同时，切高越高，大气成分对探测浓度越敏感。在30～50 km切高处，浓度增加5%后，HCl、ClO和HNO3的亮温变化分别为0.7，0.12，0.07 K。

欧洲在2001年发射的Odin卫星上搭载了一个四频段亚毫米波微波辐射计(SMR)，用于天文与高层大气学研究。这是首个实现亚毫米波(480～580 GHz)大气探测的星载微波临边探测仪。在大气探测方面，SMR的探测目标包括气温、O3、ClO、N2O、HNO3、H2O、CO、NO以及H2与O3的同位素。这些探测数据可用于研究平流层化学成分、平流层与对流层的交换过程以及中气层化学成分[17]。

NASA在2004年发射的EOS对地观测系列的Aura卫星上再次搭载了微波临边探测仪(MLS)。MLS在UARS/MLS的基础上发展而来，探测频率增加到118，190，240，640 GHz和2.5 THz，达到“太赫兹”频段。EOS/MLS的主要科学任务是探测平流层的O3、对流层的O3与污染物、环境变化。它能探测的大气成分包括OH、HO2、H2O、O3、HCL、ClO、HOCl、BrO、HNO3、N2O、CO、HCN、CH3CN、火山喷发的SO2以及冰云[18]。

JEM/SMILES是由日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)与日本国家信息与通信技术研究所(NICT)合作研发的亚毫米波临边探测仪，搭载在国际空间站(ISS)上的JEM模块中，于2009年发射。在临边观测模式下，SMILES通过在10～50 km切线高度范围内垂直扫描来观测大气痕量气体。SMILES有3个探测频段：624.32～625.52，625.12～626.32，649.12～650.32 GHz(分别对应通带-A，-B，-C)，用于探测O3及其两种同位素18OOO、17OOO浓度，与臭氧层损耗相关的活性物质HCl、ClO，以及CH3CN、HOCl、HO2、HNO、BrO等痕量气体[19-20]。

目前，美国在研的下一代扫描微波临边探测仪(SMLS)是在现有基础上结合新型扫描天线和超高时间分辨率(ms级)的2个微波辐射计的组合。这2个微波辐射计将拥有超宽的频谱段，180～280 GHz频段主要针对对流层探测，580～680 GHz主要针对平流层探测[21]。

2.5 深空探测

在深空探测中，微波无源遥感探测同样扮演着相当重要的角色。1962年，美国水手2号飞船搭载双通道微波辐射计，首次成功探测金星大气温度。1987年，美国再次发射先驱者1号探测器，实现金星高层大气观测。ESA于2004年发射的罗塞塔彗星探测器携带的微波探测仪(MIRO)，不仅用于测量彗星主要气体成分、表面放气率和慧核物质温度，也用于测量小行星亚表面温度及其周围可能存在的气体。正在设计和研制中的美国木星冰月探测器将搭载亚毫米波探测仪，用于探测土星和土卫六的上层大气和水，其工作频段为600 GHz和1.2 THz，计划于2022年发射。美国火星探测任务也将搭载用于探测火星大气及火星南极冰冻水的微波辐射计。

3 国内发展情况及技术特点

就我国而言，气象微波遥感是微波无源遥感载荷发展最早、应用最广泛的领域。近年来，海洋微波遥感、陆地微波遥感等领域也呈现出蓬勃发展的态势。

3.1 气象微波遥感

我国风云三号(FY-3)卫星C星是第二代极轨气象卫星的首发业务星，其上搭载的微波温度计(MWTS)是一个多通道被动微波辐射扫描计，提供 13 个探测通道，比搭载在FY-3A/B 星上的 MWTS 的4个通道更多，各通道的中心频率都位于 50～60 GHz之间，定标精度为1.5 K，可探测除强降水云外地面到大气顶 0.2 kPa 处的大气垂直温度，其获取的全球三维大气温度廓线数据为数值天气预报和台风暴雨强对流天气系统预测分析提供重要保障[22-23]。

搭载在FY-3C星上的微波湿温探测仪(MWHTS)具有对大气温度和湿度垂直分布进行同步探测的能力。作为MWHS的升级版，MWHTS在118.75 GHz氧气吸收谱线附近新增了8个探测通道，用于大气温度的垂直探测；在183.31 GHz水汽吸收谱线附近新增了2个探测通道，用于获得更精细的大气水汽垂直分布信息；还在89，150 GHz的大气窗区设置了2个可用于判识降水的探测通道。各通道定标精度均优于2.0 K[24]。

静止轨道气象微波遥感能实现气象参数的高频次探测，在灾害性天气预报和短临天气预报中起到关键作用。对微波无源遥感载荷而言，主要难点在于，其在静止轨道上的观测距离约为极轨的40倍，相同空间分辨率指标要求的天线口径高达5 m，关键技术涉及大口径天线的加工、扫描以及准光学馈电网络系统。

我国是世界上唯一制定静止轨道微波气象卫星研制计划并开展载荷在轨试验的国家。目前，我国已突破了静止轨道波束扫描、毫米波亚毫米波准光学馈电网络、接收、定标等关键技术；研制了微波辐射计原理样机，通过实验室和外场试验验证了系统设计；还研制了风云四号(FY-4)卫星微波探测试验载荷，完成了全球首次静止轨道微波遥感技术验证和首次425 GHz频段探测，为静止轨道微波探测卫星研制奠定了基础。

3.2 海洋微波遥感

海洋微波遥感的主要参数包括海面温度、海上降水、风场、海水盐度等。

FY-3卫星搭载的微波成像仪是目前世界上唯一采用天线口面定标的圆锥扫描体制微波辐射计，工作频率为10.65，18.7，23.8，36.5，89.0 GHz，各频段均为双极化，灵敏度为0.3～0.7 K，定标精度优于1.2 K，已获得的应用产品包括海上大气可降水、台风降水分布等。

我国正在进行集微波温度计、湿度计与微波成像仪功能于一体的微波无源遥感有效载荷的型号研制工作。该一体化微波成像探测仪将应用于新一代FY-3卫星。

海洋二号(HY-2)卫星圆锥扫描体制微波辐射计采用馈源口面定标，工作频段为6～37 GHz。该载荷海洋定标精度为2 K，陆地定标精度为3 K。

3.3 陆地微波遥感

1) 土壤湿度

陆地微波遥感的主要参数包括土壤水分、冻融态等。国家空间基础设施中已规划了陆地水资源卫星，它与FY-3气象卫星联合应用能满足全球水循环变化监测、干旱监测与旱情预警、中长期水文气象预报、地表水资源优化和农林监测与防灾减灾等需求。微波载荷L波段土壤湿度微波探测仪采用大口径可展开天线及一维综合孔径与一维实孔径复合体制，当前正处于工程样机研制阶段。

2) 雪覆盖

FY-3气象卫星具有监测全球积雪的能力，利用其1级数据能反演积雪覆盖、积雪深度、雪水当量等多种积雪监测参数和产品。其中，微波成像仪可提供积雪深度、雪水当量监测产品。

3.4 大气环境遥感

我国开展了亚毫米波临边探测仪技术研究。该载荷探测频段为118～640 GHz，通过模拟/数字复合细化通道方式来实现对大气痕量气体的探测，是未来大气环境遥感的方向之一。目前，我国已完成太赫兹反射面天线、准光学馈电网络、640 GHz接收机等关键技术攻关，正开展太赫兹探测系统技术预先研究。

3.5 技术创新

我国自20世纪90年代开展神舟四号(SZ-4)飞船多模态微波遥感探测试验以来，已在气象、海洋等卫星上搭载了多台无源微波遥感载荷，其灵敏度、探测精度指标已与国际先进水平相当。在技术发展方面，我国在参考国外相关仪器产品进行设计研制的同时，积极开拓创新，形成了一些独特的技术亮点。

1) 118 GHz频段星载探测技术

FY-3C星微波湿温探测仪在118 GHz氧气吸收谱线附近新增了8个大气温度廓线探测通道，全世界所有在轨微波辐射计此前均未使用过该探测频段。在进行大气温度层结探测时，118 GHz高频微波可提供比50～60 GHz更高的空间分辨率。因此将2个频段结合更有利于大气温度层结探测。118 GHz新探测频点的设计能改善对流层顶附近大气温度廓线反演精度，提升台风热力结构的星载微波探测能力，同时提高微波湿温探测仪对大气湿度的探测精度[25]。

2) 圆锥扫描微波辐射计天线口面定标技术

FY-3卫星微波成像仪是一种固定视角、机械圆锥扫描微波辐射计，天线口径为1 m。该仪器是世界上唯一采用天线口面定标的圆锥扫描微波辐射计，天线反射器在每个扫描周期中会先后对准热反射镜和冷空反射镜。对准热反射镜时，热定标辐射源的辐射通过热反射镜照射到天线上，对准冷空反射镜时，宇宙背景辐射通过冷空反射镜照射到天线上，从而形成热、冷两个标准辐射温度。在这种定标方式下，场景辐射与冷热标准辐射均经过载荷接收全路径，微波成像仪在轨实现了优于1.2 K的定标精度。

3) 静止轨道微波辐射计波束扫描定标技术

目前，世界上尚无静止轨道微波遥感卫星。与极轨辐射计不同，静止轨道微波辐射计需进行二维波束扫描。由于星下圆盘内指定区域需要高时间分辨率探测，传统逐行机械扫描方式需要整个载荷实现极快的运动速度，因此这将给平台带来较大量级力矩干扰，使平台无法补偿。我国已在“十一五”至“十二五”期间开展的地球静止轨道微波辐射计技术研究中，设计了载荷整体二维慢运动与天线部件一维快运动相结合的波束扫描方式，同时利用天线波束扫描部件的圆周运动，实现了在场景、冷、热定标源之间的观测切换与秒级周期定标；研制了微波辐射计样机，并通过实验室和外场试验验证了这种波束扫描技术，该技术未来将应用于静止轨道微波气象卫星。

4 无源微波有效载荷发展趋势

4.1 气象微波遥感有效载荷发展趋势

气象微波遥感有效载荷发展如图5所示。

1) 气象微波遥感从定性应用向定量应用发展

国家卫星气象中心许健民院士指出：“要不遗余力地提高气象卫星数据定标的质量，要不遗余力地提高气象卫星空间段的观测质量，要不遗余力地提高气象卫星数据定位的质量！”

提高观测数据和定量产品的质量，是中国气象微波遥感有效载荷的历史机遇。欧洲中期天气预报中心将AMSU-A进入其数值预报系统的门槛误差设为0.2 K，除非卫星载荷数据质量优于这个门槛，否则无法进入其同化系统。

2) 气象微波遥感从单一功能产品向多功能一体化产品发展

利用不同氧气吸收谱线的通道进行温度探测，3个探测频段各有其优缺点，进行组合探测能实现优势互补，提高探测性能：

(a) 就探测大气温度廓线而言，54 GHz频段最优，在30 kPa(对应高度约为9 km)附近精度最高，其次是118 GHz，425 GHz频段对低层大气的探测性能明显变差。

(b) 对高于25 kPa(对应高度约为10 km)的上层大气反演精度需求较高，通过多频段组合能提高大气温度探测精度。在35 kPa以下高度，54，118 GHz频率组合的性能要优于118，425 GHz频率组合。

大气湿度探测通道有118 GHz+183 GHz和380 GHz+425 GHz两种：

(a) 在40 kPa(对应高度约为8 km)以下，183，118 GHz频段组合的反演精度较好；

(b) 在40 kPa以上，340/380，425 GHz频段组合的反演精度较好；

两者结合可在对流层达到5%的反演精度，且能实现优势互补，提高探测性能。

FY-3C星上搭载的MWHTS在89～191 GHz有15个探测通道，其中包括118.75 GHz氧气吸收谱线附近的8个大气温度探测通道和183.31 GHz水汽吸收谱线附近的5个大气湿度探测通道。这组通道与183.31 GHz通道对大气进行联合探测，获得了更加精细的大气温湿度垂直分布数据，为数值预报和气候研究提供了丰富信息。

3) 气象微波遥感应用从日常天气预报向灾害性天气预报发展

气象微波遥感将更关注云雨大气温湿度廓线和云内部三维温湿度结构信息，更关注台风、暴雨、强对流等灾害性天气系统的降水结构及其变化，更关注与有限区域数值天气预报相关的理想的初始场信息。

4.2 海洋与陆地微波遥感有效载荷发展趋势

海洋与陆地微波遥感有效载荷发展如图6所示。

1) 海洋与陆地微波遥感从传统的实孔径体制和经典的二维综合孔径体制向混合体制发展

为提高无源微波遥感的空间分辨率，采用一维实孔径和一维综合孔径的混合体制。一维实孔径可提高空间分辨率；一维综合孔径可实现天线波束的电扫描，从而解决大口径天线反射面机械扫描的挠性，定标难度和相关处理运算量较二维综合孔径大幅降低。

2) 海洋与陆地微波遥感向主被动一体化方向发展

微波遥感载荷将集无源探测和有源探测为一体，通过同时同源数据融合来满足全球高分辨率土壤湿度探测、全球土壤冻融态探测和全球植被覆盖探测的需求。

4.3 大气环境与深空探测微波遥感有效载荷发展趋势

大气环境与深空探测微波遥感有效载荷发展如图7和图8所示,呈现出以下发展趋势。

1) 大气环境与深空探测微波遥感探测频段从微波、毫米波向亚毫米波、太赫兹方向发展，最高频段为2 500 GHz；

2) 大气环境与深空探测微波遥感探测通道向高光谱方向发展，通道数从几十向几百甚至几千发展；

3) 大气环境与深空探测微波遥感探测从常温接收向低温超导接收方向发展。

4.4 无源微波遥感仪器技术发展

无源微波遥感仪器一般由天线、馈电网络、接收、定标、信息处理等重要部分组成。为满足不断提高的时间分辨率、空间分辨率、灵敏度和定标精度要求，载荷仪器各组成部分的相关技术也在不断发展。

在天线技术方面，载荷频段的提升对天线反射面型面精度提出了越来越高的要求，400～600 GHz频段需达到10～15 μm(RMS)级精度，1 THz以上频段需达到纳米级精度。为达到要求，一方面不断提升天线反射面模具制造精度和碳纤维复合材料成型精度，并探索了碳纤维表面二次加工等技术；另一方面采用了可加工性更好的碳化硅材料来进一步提升型面制造精度。随着天线口径的增加，部分载荷天线尺寸超出整流罩尺寸。为解决这一问题，发展了高精度可展开天线技术。天线在发射阶段折叠，入轨后再展开到位，满足了精度要求，保证了在轨高分辨率的实现。

在馈电网络方面，由于载荷集多种功能于一体，因此馈电网络需实现多频段复合。馈电网络从原先的单馈源形式发展为多频段馈源阵列形式，同时保证了各频段空间分辨率、主波束效率、交叉极化、通道配准等技术指标的实现。圆锥扫描微波辐射计多采用此形式。随着频段的提升与复合数量的增加，准光学馈电网络技术也得到发展，通过频率选择表面、极化栅网等部件来进行频段、极化分离，实现低损耗、低波束畸变传输。准光学馈电网络已逐步应用于毫米波及太赫兹微波辐射计。

在接收方面，传统的接收系统采用肖特基二极管进行下变频，采用耿式振荡器产生本振信号并通过肖特基变容二极管来进行倍频。由于高灵敏度带来了低噪声要求，加之频段不断提升，因此一些新型技术在近年来得到发展。InP HEMT器件可在高频段提供理想的噪声性能，美国研制的相关接收系统已在轨应用。欧洲发展的MHEMT MMIC技术可实现与InP HEMT器件相同的性能，但仍需解决高标准、大批量生产问题。此外，通过低温制冷可降低接收机噪声温度，超导HEB(hot electron bolometer)热电子混频技术是亚毫米波至远红外波段最为灵敏的微弱信号检测技术，已应用于ESA的赫歇尔望远镜；采用高质量Nb超导SIS(superconductor-insulator-superconductor)双子结也可大幅提高灵敏度，500 GHz混频器带宽100 GHz，噪声温度优于130 K，860 GHz混频器带宽160 GHz，噪声温度优于210 K。

在定标方面，微波辐射计在发展初期多采用内定标方式，随着频段和定标精度要求的提高，星载仪器多采用外定标方式进行定标，研制高发射率材料锥型阵列形式的热定标辐射源，并通过反射宇宙冷空背景辐射形成冷定标辐射源，共同实现两点定标。随着21世纪综合孔径辐射计、微小型辐射计的出现和微电子技术的发展，各类微波辐射计根据自身特点选择形式各异的定标方式。内定标、外定标、内外结合定标等形式在不同类型的遥感仪器中得到应用。随着定标源发射率等要求的不断提升，圆锥腔体等形式的定标源也逐步得到发展。国际空间站上搭载的SMILES临边探测仪采用圆锥腔体的高精度定标源，其后项散射小于-60 dB。

5 国内外发展情况对比

自20世纪60年代起，世界各国开始了星载微波无源遥感载荷的研制工作。目前，已有数十颗微波无源遥感载荷卫星在轨运行，最大口径为1.8 m，单载荷频段覆盖范围达6～183 GHz，可实现对大气、海洋、陆地的综合观测。

我国已发射的微波无源遥感载荷包括FY-3卫星上的微波温度计、微波湿度计和微波成像仪，HY-2卫星上的微波辐射计和校正辐射计，SZ-4飞船上的微波辐射计以及嫦娥一号(CE-1)卫星上的微波辐射计，最高频率达183 GHz。其中，FY-3总通道数为38个。预研的微波辐射计包括静止轨道毫米波亚毫米波探测仪、L波段综合孔径微波辐射计和多通道扫描微波成像探测仪，最高频率达425 GHz，最大天线口径达10 m。

从发展现状来看，我国在微波无源遥感载荷领域已从跟跑状态到并跑状态，在静止轨道微波无源遥感等个别方向已处于领跑状态。具体如下：

1) 在气象微波遥感方面，一是研制毫米波亚毫米波探测有效载荷，在50～425 GHz频段基础上不断扩展，应用于新一代静止轨道风云气象卫星，达到国际领先水平；二是在测温、测湿和成像一体化的技术上，增加全极化功能，研制6.9～183 GHz全频段、全极化、一体化微波探测仪，达到世界先进水平，应用于新一代低轨风云气象卫星系列；三是针对中高层冰云探测的空白，研制183～664 GHz太赫兹冰云探测仪，达到世界先进水平，应用于新一代低轨风云气象卫星系列。

2) 在海洋与陆地微波遥感方面，研制L波段土壤湿度微波探测仪，实现定量化遥感，获取全球高空间分辨率与高探测精度的土壤湿度、冰冻/解冻状态以及水体的水质与水量等信息，达到世界先进水平，应用于陆地水资源探测卫星。

3) 在大气环境微波遥感方面，研制118～640 GHz亚毫米波临边探测仪，频段向太赫兹扩展，达到世界先进水平，应用于大气成分探测卫星。

6 结束语

综上所述，我国微波无源遥感载荷在气象、海洋、陆地、大气环境等领域均呈现蓬勃发展的趋势，在静止轨道微波遥感方向已达到国际领先水平。但我国微波无源遥感载荷在深空探测等方面仍处于空白；静止轨道毫米波亚毫米波探测仪、L波段土壤湿度微波探测仪、太赫兹冰云探测仪等载荷仍处于研制攻关阶段，尚待星载应用；大口径、高频、主被动一体化、深空探测、多星组网等是微波无源遥感的后续发展方向。这就要求大口径可展开天线反射面、太赫兹接收机、干涉式接收与定标等技术向指标更高、成熟度更高的方向发展，同时开展亚毫米波金星大气探测仪、多频段厘米波木星探测仪等载荷相关技术攻关，推动我国微波无源遥感有效载荷领域进一步发展，更好地满足各领域的高指标应用需求。

[1] ULABY F T, MOORE R K, FUNG A K. Microwave remote sensing fundamentals and radiometry[M]. Massachusetts: Addison-Wesley, 1981: 9-12.

[2] MO T. Prelaunch calibration of the advanced microwave sounding unit-A for NOAA-K[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 1996, 44(8): 1460-1469.

[3] CHERNY I V, CHERNYAVSKY G M, NAKONECHNY V P, et al. Spacecraft "Meteor-3M" microwave imager/sounder MTVZA: first results[C]∥IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium. Piscataway, NJ: IEEE Press, 2002: 2660-2662.

[4] MORADI I, FERRARO R R, SODEN B J, et al. Retrieving layer-averaged tropospheric humidity from advanced technology microwave sounder water vapor channels[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2015, 53(12): 6675-6688.

[5] MUTH C, LEE P S, SHIUE J C, et al. Advanced technology microwave sounder on NPOESS and NPP [C]∥IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium. Piscataway, NJ: IEEE Press, 2004: 2454-2458.

[6] MUTH C, WEBB W A, ATWOOD W, et al. Advanced technology microwave sounder on the national polar-orbiting operational environmental satellite system[C]∥IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium. Piscataway, NJ: IEEE Press, 2005: 99-102.

[7] ZHU T, WENG F. Hurricane sandy warm-core structure observed from advanced technology microwave sounder[J]. Geophysical Research Letters, 2013, 40(12): 3325-3330.

[8] KUNKEE D B, CHAUHAN N S, JEWELL J J. Phase one development of the NPOESS conical-scanning microwave imager/sounder (CMIS)[C]∥2002 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium. Piscataway, NJ: IEEE Press, 2002: 1005-1007.

[9] GAISER P W, TWAROG E M, LI L, et al. The windsat space borne polarimetric microwave radiometer: sensor description and mission overview[C]∥IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium. Piscataway, NJ: IEEE Press, 2004: 371-374.

[10] ZINE S, BOUTIN J, FONT J, et al. Overview of the SMOS sea surface salinity prototype processor[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2008, 46(3): 621-645.

[11] MECKLENBURG S, DRUSCH M, KERR Y, et al. ESA′s soil moisture and ocean salinity mission: mission performance and operations[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2012, 50(5): 1354-1366.

[12] MECKLENBURG S, DRUSCH M, KALESCHKE L, et al. ESA's soil moisture and ocean salinity mission: from science to operational applications[J]. Remote Sensing of Environment, 2016, 180: 3-18.

[13] LE VINE D M, DINNAT E P, MEISSNER T, et al. Status of aquarius/SAC-D and aquarius salinity retrievals[J]. IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing, 2015, 8(12): 5401-5415.

[14] BINDLISH R, JACKSON T, Cosh M, et al. Global soil moisture from the aquarius/SAC-D satellite: description and initial assessment[J]. IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, 2015, 12(5): 923-927.

[15] 纪永刚. 基于微波图像的辽东湾海冰典型要素信息提取[D]. 北京: 中国科学院大学, 2016: 6-7, 70.

[16] 龚燃. 美国“土壤湿度主动-被动探测”卫星将升空[J]. 国际太空, 2015(1): 31-35.

[17] BARON P, RICAUD P, NOЁ J D L, et al. Studies for the Odin sub-millimetre radiometer. II. retrieval methodology[J]. Canadian Journal of Physics, 2002, 80(4): 341-356.

[18] WATERS J W, FROIDEVAUX L, HARWOOD R S, et al. The Earth observing system microwave limb sounder (EOS MLS) on the aura satellite [J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2006, 44(5): 1075-1092.

[19] SHIOTANI M, TAKAYANAGI M, SUZUKI M, et al. Recent results from the superconducting submillimeter-wave limb-emission sounder (SMILES) onboard ISS/JEM[C]∥Sensors, Systems, and Next-Generation Satellites XIV. Toulouse: [s.n.], 2010: 1-13.

[20] SAGAWA H, SATO T O, BARON P, et al. Comparison of SMILES ClO profiles with satellite, balloon-borne and ground-based measurements[J]. Atmospheric Measurement Techniques, 2013, 6(12): 3325-3347.

[21] COFIELD R E, KASL E P. Thermal stability of a 4 meter primary reflector for the scanning microwave limb sounder[C]∥Earth Observing Systems XVI. SPIE, 2011: 81530Y1-Y9.

[22] ZOU X, WANG X, WENG F, et al. Assessments of Chinese Fengyun microwave temperature sounder (MWTS) measurements for weather and climate applications[J]. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, 2011, 28(10): 1206-1227.

[23] 路瑶. 风云三号C星微波温度计资料在热带气旋研究中的应用[C]∥第33届中国气象学会年会S21新一代气象卫星技术发展及其应用. 西安: [s.n.], 2016: 1-11.

[24] 郭杨, 卢乃锰, 漆成莉, 等. 风云三号C星微波湿温探测仪的定标和验证[J]. 地球物理学报, 2015, 58(1): 20-31.

[25] 谷松岩, 郭杨, 游然, 等. 风云三号C星微波大气探测载荷性能分析[J]. 气象科技进展, 2016, 6(1): 76-82.