面向海表盐度和温度遥感的微波辐射计研究综述

宋学儒 崔新东 翟宇梅 闫继平 段志刚

(1 中国人民解放军32020部队，武汉 430000)(2 北京应用气象研究所，北京 100029)

海表盐度(SSS)和海表温度(SST)在海洋学、海洋环境和海洋气候等领域的研究中均发挥着重要的作用[1-4]。海表盐度对海洋密度、热力和动力结构特征均会产生影响；海表温度能够影响海洋上层热力动力过程、海气热量交换。因此获得高精度、高空间分辨率的海表盐度和温度对于海洋研究具有重要作用。

传统海表盐度和温度探测通常采用浮标或船载设备，但是该方法获得的数据量稀少，在空间和时间上都不能满足应用需求。采用卫星平台的海面盐度和温度遥感器能够获得全球覆盖、高时空分辨率、高精度海面盐度和温度产品，相较于传统的船载或浮标探测具有明显的优势。考虑到红外波段不能探测海表盐度、对于海面温度的探测只能覆盖全球小于40%的区域，而微波能够在有云和昼夜条件下获得海表盐度和温度[5]，因此发展微波探测载荷对于提高全球海表盐度和温度探测资料的时空覆盖率具有重要的作用。

微波辐射计对海表盐度探测最敏感为L频段(1.4 GHz)、对海表温度最敏感为C频段(7 GHz)[6]。针对上述频段，目前海表盐度最高分辨率为40 km(土壤湿度和海洋盐度卫星SMOS和土壤湿度主被动探测卫星SMAP)，海表温度最高分辨率为50 km(先进微波辐射计-2AMSR-2)，而未来需要海表盐度空间分辨率达到3～10 km[7]，海表温度空间分辨率达到1～5 km[8]；此外，较大的分辨率会使得海陆交接区域内海表盐度和温度难以准确探测[6]。由于L频段和C频段波长较长，为满足上述分辨率通常需要极大的天线：当海表盐度空间分辨率为100 km、40 km时，天线直径应分别达到2.5 m、6 m[9]；当海表温度分辨率为15 km、10 km时，天线直径应分别达到6 m、9 m[8]，这对于整个载荷及卫星的设计均带来了极大的困难，特别是天线在旋转扫描过程中会显著影响卫星姿态，从而影响观测数据质量。针对大天线旋转扫描所带来的难题，目前可以采用天线轻量化技术，也可以采用实孔径推扫体制或综合孔径体制加以克服，但是这些方法均存在各自的技术难点。

针对高分辨率海表盐度和温度探测需要，本文分析国内外探测载荷的现状及最新发展趋势，并对实孔径和综合孔径体制工程可实现性、分辨率、灵敏度等多方面进行比较，分析其存在的优势和不足，从而为未来微波辐射计的发展提供参考。

1 现有载荷及通道选择

根据不同微波通道的特点及国际电联被动观测保护频段的限制，频率1.4 GHz的观测通道对海表盐度最为敏感；频率为4～8 GHz的观测通道对海表温度更为敏感，若采用10.65 GHz的观测通道，仅能对纬度范围±40°内的海表温度进行有效探测[6]。针对海表盐度和温度探测需求，国内外先后利用上述频段研发出多型载荷，本节主要针对其在轨运行或后续规划载荷的技术和性能进行分析。

1.1 海表盐度测量研究

为实现星载海表盐度探测，需要采用L频段(1.4 GHz)，目前在轨运行的土壤湿度和海洋盐度卫星(SMOS)和土壤湿度主被动探测卫星(SMAP)均采用该频段。

SMOS卫星科学目标是对陆表土壤湿度和海洋盐度进行探测。星上主载荷MIRAS为全球首台二维综合孔径微波辐射计，其工作频率为1.4 GHz、分辨率为40 km、灵敏度为1.73 K[9]。采用1周数据平均，SMOS在开阔洋面海表盐度反演精度约0.2 psu[10]；对于南北纬40°的开阔海洋，SMOS月平均盐度均方根误差为0.211 psu[11]。SMOSOps-H是SMOS后续计划改进型辐射计，通过提高时空分辨率、增强射频干扰(RFI)、加装海表状态探测载荷、减小噪音、提高准确性等多种手段提升海表盐度探测性能。表1为SMOS和SMOSOps-H性能参数[9]。

表1 SMOS和SMOSOps-H性能参数Table 1 SMOS and SMOSOps-H performance parameters

SMAP卫星的科学目标是实现表面土壤湿度与表面冰冻/解冻状态的全球测量，并可对海表盐度进行探测。该卫星于2015年发射，搭载L频段辐射计和散射计各一台。为实现L频段辐射计1000 km观测刈幅、40 km分辨率和1 K的灵敏度，SMAP卫星采用轻型可展开圆锥扫描柔性天线，展开后直径为6 m。文献[12]研究表明在热带和中纬度区域，其海表盐度精度能够实现0.2 psu。文献[11]通过与浮标数据进行比对表明，在中低纬度宽阔海域其海表盐度月平均的均方根误差为0.233 psu，但在高纬度地区SMAP海表盐度误差要大于SMOS。表2为SMAP性能参数[13]。

表2 SMAP微波辐射计性能参数Table 2 Microwave radiometer performance parameters of SMAP

1.2 海表温度测量研究

针对海表温度探测，要实现全球海表温度探测，主探测频段应采用7 GHz[6,8]。目前采用该波段并在轨运行的海表温度探测载荷主要有先进微波扫描辐射仪(AMSR-E，AMSR-2)和海洋二号(HY-2)卫星的微波辐射计(RM)、微波风和温度探测仪(MICROWAT)和哥白尼成像微波辐射计(CIMR)等计划发展的载荷。AMSR-E能够探测海表温度、海面风场等多种大气和海洋参数。该载荷具有6个频率，并且每个频率均为垂直和水平双极化，共包含12个通道。AMSR-E采用了1个直径1.6 m的偏置抛物线反射面和6个馈源喇叭组成的馈源阵列。扫描体制采用圆锥扫描方式，能够实现1445 km的刈幅和50 km海表温度分辨率。作为AMSR-E后续升级产品，AMSR-2于2012年5月发射升空。与AMSR-E相比，天线直径增为2 m，并增加7.3 GHz频段以减弱地面射频干扰(RFI)的影响，能够提供最高25 km的海面温度数据，其海温测量精度0.4 K[14-16]。表3和表4分别为AMSR-E和AMSR-2性能参数。

针对未来海表温度高空间分辨率和高灵敏度探测需求，欧洲规划发展MIRCOWAT微波辐射计[8]。通过对比实孔径、一维综合孔径和二维综合孔径探测体制，从探测灵敏度以及工程可实现性角度，倾向于采用实孔径体制。在此基础上欧洲在哥白尼计划中提出了哥白尼成像微波辐射计(CIMR)的概念，用于获取高空间分辨率、高精度海面盐度、温度、风速等参数[6]。CIMR采用圆锥扫描观测方式，天线采用7 m的柔性可展开抛物面天线并结合多频馈源阵列。MIRCOWAT和CIMR的具体性能指标见表5[8]和表6[6]。

国内针对海表温度进行探测的载荷主要为HY-2卫星搭载的微波辐射计(RM)。HY-2A和HY-2B卫星分别于2011年和2018年发射，其搭载的微波辐射计(RM)工作频率为6.6～37 GHz，测温灵敏度优于0.5 K，观测刈幅为1600 km，能够探测海表温度和海面风速等参量。表7为微波辐射计(RM)性能参数。

表3 AMSR-E性能参数Table 3 AMSR-E performance parameters

表4 AMSR-2性能参数Table 4 AMSR-2 performance parameters

表5 MICROWAT性能指标Table 5 MICROWAT performance parameters

表6 CIMR性能指标Table 6 CIMR performance parameters

文献[17]研究表明相较于浮标数据和星载全极化微波辐射计(Windsat)等海表温度产品，其偏差分别为-0.45 ℃和-0.41 ℃，标准偏差分别为1.73 ℃和1.72 ℃。文献[18]研究表明，采用神经网络集成技术(ANNE)可以减小海表温度反演误差，其均方根误差为1.46 ℃。

表7 微波辐射计(RM)性能指标Table 7 RM performance parameters

1.3 比对分析

表8为不同载荷的性能指标。由表8可以看出，在空间分辨率较低时，微波辐射计均采用实孔径体制；而随着空间分辨率不断提高，微波辐射计既有采用实孔径体制，也有采用综合孔径体制。此外，对比现有在轨载荷实际性能，采用综合孔径体制的灵敏度较差，实孔径圆锥扫描体制次之，采用实孔径多馈源推扫体制最好。

表8 探测海表盐度和温度微波辐射计性能参数Table 8 Performance parameters of microwave radiometer for detecting SSS and SST

2 实孔径及综合孔径发展趋势

目前海表盐度和温度微波辐射计的探测体制主要有实孔径体制和综合孔径体制两种，其中实孔径体制又分圆锥扫描和多馈源推扫，综合孔径体制又分一维综合孔径和二维综合孔径。本节从不同体制的探测幅宽、空间分辨率、探测精度及系统可实现性等方面进行分析。

实孔径圆锥扫描体制主要是通过天线圆锥扫描的方式实现对地观测。目前在轨运行的海表温度探测载荷和SMAP载荷均采用该体制。该体制可以实现大幅宽观测(1500 km)，且定标和反演算法成熟、观测数据稳定度高[14-16]。但是，由于其采用天线旋转扫描，单个观测像元积分时间有限，难以进一步提升灵敏度[8]。此外，天线尺寸反比于空间分辨率、正比于天线质量，依据现有载荷技术水平[8-9]，为满足未来海表盐度和温度对分辨率的需求[7-8]，其天线直径将分别大于24 m@10 km和18 m@5 km，这使得天线尺寸和转动惯量将显著增大，从而给系统可靠性带来极大的挑战。针对上述问题，以MICROWAT等为代表的载荷，通过采用像素重叠技术(pixel duplication technique)来减小天线旋转速度，从而提高系统灵敏度和可靠性[8]。

实孔径多馈源推扫体制通过馈源阵共用一副天线，在交轨方向利用馈源阵获得宽刈幅，而在顺轨方向依靠卫星运动进行观测。相较于圆锥扫描体制，该体制不需要天线机械扫描，系统结构简单、可靠性高，积分时间长、稳定度和灵敏度高。但是为了获得宽刈幅，需要大量馈源，使得馈源阵列变长、偏焦严重，导致主波束效率降低，从而影响观测数据精度；此外，馈源数增加，会引起载荷质量和功耗显著增加[20]。

二维综合孔径体制是采用多个小单元天线按照一定方式排列，从而达到大天线所具有的空间分辨率，如SMOS卫星的载荷MIRIAS采用了Y型的阵列排布。该体制能够获得高空间分辨率，并能增加积分时间；由于天线不需要旋转，其系统可靠性较高[7]。但是由于综合孔径需要进行大量复相关运算，导致系统复杂、载荷的质量功耗显著增加[8]。并且复相关计算的噪声叠加会导致总噪声增大，加上天线稀疏因子的影响，系统灵敏度较差[21]。此外，综合孔径需要对幅度和相位进行测量，定标过程复杂[22]；相较于实孔径体制，RFI干扰对其影响更加显著[11,23]。

一维综合孔径体制采用一维稀疏阵列馈源和大口径抛物柱面天线，在顺轨方向采用实孔径体制、交轨方向上采用综合孔径体制实现对地探测。相较于实孔径圆锥扫描体制，其天线不需要机械运动并能够获得高空间分辨率[8]；相较于实孔径多馈源推扫体制，其观测幅宽显著增加[20,24]；相较于二维综合孔径体制，其能够降低系统的复杂性[8,25]。但是相较于实孔径体制，其能耗、质量、系统灵敏度、定标过程和抗射频干扰(RFI)的能力仍存在差距[24-25]；由于目前还未有在轨运行载荷，相较二维综合孔径，其系统成熟度仍待进一步提高。

根据以上几种探测体制的特点，以海表温度探测载荷为例[8,20]，对比不同探测体制性能。表9列出实孔径和综合孔径体制的性能。

表9 实孔径和综合孔径体制性能Table 9 Performance parameters of real aperture and synthetic aperture system

3 结束语

随着海洋科学的不断发展，要求探测得到的海表盐度和温度具有高时空分辨率、高灵敏度、高稳定度，但是由于这三者之间存在相互制约的关系，从而影响载荷的探测性能。针对这一问题，本文通过分析现有载荷技术特点和发展方向，对不同探测体制的优缺点进行梳理，并为未来载荷设计提供参考。主要有以下几点建议：

(1)实孔径体制系统成熟度高、探测数据灵敏度和稳定度高，为获得高空间分辨率需要采用大尺寸天线，而这会给系统整体设计带来诸多难题，因此在满足天线型面精度和刚性指标前提下，应尽量对天线进行轻量化处理。此外，采用像素重叠等技术，减小天线旋转速度，能够进一步提高空间分辨率、灵敏度和稳定度。

(2)综合孔径体制能够获得更高的空间分辨率和较好的观测幅宽，但是综合孔径辐射计系统复杂、单机硬件存在许多非理想因素，高精度亮温重构及定标仍然需要进一步研究。此外，综合孔径体制各参数之间相互制约，需要从整体上统筹设计灵敏度、幅宽、质量和功耗等指标，避免因单一指标影响载荷整体性能。

(3)相较于综合孔径体制，实孔径体制可直接探测海洋参数，其灵敏度和稳定度均较高，因此在满足空间分辨率和工程可实现性的前提下，应尽量采用实孔径探测体制。针对高分辨率海表盐度(≤10 km)和温度(≤5 km)探测需求，在采用综合孔径体制时需要通过硬件及系统设计，以保证最终亮温重构精度，并针对载荷特点开发RFI干扰抑制技术和定标技术。