天基海表精细探测微波载荷性能分析与展望

崔新东，王 洋，郭海龙，翟宇梅，磨礼平

（1.北京应用气象研究所，北京 100029；2.国防科技大学 气象海洋学院，长沙 410199）

0 引言

近年来，人类利用海洋、开发海洋的需求越来越迫切，海洋科学持续受到重视。对于海洋研究和应用具有重要意义的海洋卫星遥感不断取得新的进展，并且正日益成为各海洋强国重点发展方向［1］。

随着海洋科学研究的不断深入，对于高时空分辨率观测数据的需求越来越高，特别是能够实现全球海洋观测的卫星数据［2-5］。目前在轨的气象海洋卫星能够实现对海表温度、海表高度和海表盐度等多要素的有效探测，其中单星全球海表温度时空分辨率可实现～0.5 d（红外）和～1 d（微波）、～1 km（红外）和～50 km（微波）［2］，海表高度可实现3～10 d、100～150 km［3，6-7］，海表盐度可实现3～8 d、40～150 km［5，8］。通过多星协同观测，可进一步提高全球覆盖时间分辨率，并减小无效或缺测数据造成的全球区域占比［8-10］。但是多星组网也存在数据基准不一致［11-13］、空间分辨率难以有效提高［8］等问题。

针对上述情况，目前欧美均已开展新一代星载海洋探测任务/载荷论证工作，重点在于提高空间分辨率和观测幅宽（相应提高时间分辨率），并对探测精度提出了更高的要求。其中欧洲主要开展用于海表温度和盐度探测的哥白尼成像微波辐射计（Copernicus Imaging Microwave Radiometer，CIMR）、土壤湿度和海洋盐度后续应用任务（Soil Moisture and Ocean Salinity Operational Follow-on Mission，SMOSops）和高分辨率土壤湿度和海洋盐度任务（Soil Moisture and Ocean Salinity High Resolution，SMOS-HR）论证［14-15］，美国主要开展用于宽幅海表高度测量的地表水与海洋地形卫星（Surface Water and Ocean Topography，SWOT）论证及研制［16］。

尽管各国在高时空分辨率星载探测载荷研究方面已经进行了大量的工作，但是基于海表要素物理约束的高时空分辨率星载微波载荷探测性能分析研究较少。因此，本文首先分析现有星载海表要素微波探测载荷发展现状；其次，通过分析海表温度、高度和盐度时空变化特性，提出高时空分辨率星载微波探测载荷性能需求；再次，针对美国和欧洲相关卫星系统发展计划，分析了高时空分辨率、高精度星载微波探测载荷可实现性；最后，针对星载载荷探测性能提升提出发展建议。

1 星载海表要素探测载荷现状

1.1 海表温度探测载荷

目前在轨运行的海表温度探测载荷（包含6.9 GHz 波段［17］）主要有先进微波扫描辐射仪（AMSR 2）［18］、全极化微波辐射计（WindSat）［19］和微波辐射计（RM）［20］。AMSR 2 搭载在COM-W1（Global Change Observation Mission-Water/Wind）卫星于2012 年5 月发射升空，相较于上一代AMSRE（Advanced MicroWave Scanning Radiometer-EOS）载荷，天线主反射面由1.6 m 增为2 m，用于提高载荷空间分辨率。AMSR 2 能够提供全球每天～50 km 分辨率的海表温度数据，其海表温度反演精度～0.6 K［21］。WindSat搭载在Coriolis卫星于2003年1 月6 日发射升空，由于其能够探测多通道全极化辐射信息，因此不仅可以探测海表温度和风速，还可以获取海表风向信息；其海表温度反演精度～0.9 K［22］。RM 为中国海洋二号卫星（HY-2）搭载的微波辐射计，主要用于获取海表温度、海表风速等参数，海表温度反演精度～1 K（国家卫星海洋应用中心官网http：//www.nsoas.org.cn/）。为满足重访周期（～1 d）、空间分辨率（50～100 km）和灵敏度（0.3～0.6 K）的要求，上述载荷均采用圆锥扫描体制。表1～3 分别为AMSR 2、WindSat、RM 性能参数。

表1 AMSR 2 性能参数Tab.1 Performance parameters of the AMSR 2

表2 WindSat 全极化微波辐射计性能指标Tab.2 Performance indices of the WindSat full-polarized microwave radiometer

表3 微波辐射计（RM）性能指标Tab.3 Performance indices of the microwave radiometer（RM）

1.2 海表高度探测载荷

目前在轨运行的海表高度计卫星主要有Jason-2/3，Crysat-2，HY-2B/2C/2D，Saral，Sentinel-3A/3B，Jason-CS/Sentinel-6。Jason-2/3 为TOPEX/Poseidon 和Jason-1 的后继卫星，重访周期约为10 d，搭载的Poseidon-3/3B 高度计测高精度分别为～5 cm、～2 cm［23］。Cryosat-2 卫星搭载的SIRAL高度计是欧空局（ESA）采用干涉技术和合成孔径技术的新型雷达高度计，水平分辨率和垂直精度分别为250 m 和2.6 cm［24］，卫星轨道倾角为92°，可有效探测极地区域，其测高精度～5 cm［23］。HY-2B/2C/2D 为中国海洋动力环境卫星，采用不同轨道高度和轨道倾角的3 颗卫星组网，可以实现全球海表高度的有效探测，搭载的高度计测高精度～5 cm（国家卫星海洋应用中心官网http：//www.nsoas.org.cn/）。Saral 卫星为法国和印度联合研制，搭载的AltiKa 高度计采用Ka 波段，可以提高垂直和水平 分辨 率［25］，其测高精度～5 cm［23］。Sentinel-3A/3B 为欧洲研制用于地球监测和海洋学研究卫星，其搭载的合成孔径雷达高度计（SRAL）采用双频体制（Ku 和C 波段）［26］，测高精度分别为～5 cm、～2 cm［23］。Jason-CS/Sentinel-6 为美国和欧洲联合研制卫星，用于提供与之前Jason 卫星探测数据质量相当或更优的海表高度数据。为满足高精度海表测高（2～5 cm）要求，上述载荷均采用底视高度计，使得探测数据在交轨方向空间间隔较大、重访周期较长。表4 为目前在轨雷达高度计卫星性能指标。

表4 雷达高度计卫星性能指标Tab.4 Performance indices of the radar altimeter satellite

1.3 海表盐度探测载荷

目前在轨运行的海表盐度卫星（采用L 波段［17］）主要有土壤湿度和海洋盐度卫星（SMOS）、土壤湿度主被动探测卫星（SMAP）。SMOS 卫星由欧洲研制，其海表盐度探测载荷MIRAS 为全球首台二维综合孔径微波辐射计；卫星重访周期为3 d、空间分辨率为40 km［27］，开阔洋面（南北纬40°）海表盐度反演精度～0.2 psu@1 月［28］。SMAP 卫星由美国研制，可对海表盐度进行探测；卫星搭载L 波段辐射计和散射计各一台，可实现1 000 km 观测刈幅、40 km 分辨率和1 K 灵敏度，中低纬度宽阔海域月平均反演误差～0.2 psu［28］。为满足重访周期（2～3 d）、空间分辨率（～40 km）和灵敏度（1～2 K）要求，SMOS 卫星、SMAP 卫星分别采用带有大口径天线的综合孔径体制和圆锥扫描体制，但是相应的带来了指标可实现性（SMOS 卫星）和大口径天线旋转扫描（SMAP 卫 星）［17］等难题。表5 为SMOS 和SMAP性能参数。

表5 SMOS 和SMAP 微波辐射计性能参数［29-30］Tab.5 Microwave radiometer performance parameters of the SMOS and SMAP［29-30］

2 海表温度、高度和盐度高时空变化特性

由于海洋是随时空不断变化的系统，不同时空尺度其变化特征显著不同［1，7，23］。随着人类对海洋研究和应用的不断深入，现有长时间间隔、粗空间分辨率的探测产品已经难以满足相应需求，迫切需要获取高时空分辨率海洋要素探测产品，用以研究三维（平面+时间）空间内高时空分辨率相邻观测像元间定量变化［23］。而为使探测性能有效满足应用需求，必须对海洋要素时空变化特性进行分析，从而为载荷探测性能的确定提供支撑。

2.1 海表温度

海表温度作为海洋重要要素，在全球海洋研究和应用领域发挥着重要的作用。目前星载微波海表温度探测空间分辨率<100 km、时间分辨率<24 h，未来其空间分辨率将达到～10 km［31］、时间分辨率达到～6 h［32］，时空变化对应着小时级和亚中尺度范围。

海洋中尺度范围内主要包括海洋锋面、海洋内波、中尺度涡等现象，对于海表温度变化最显著的是海洋锋面［33］。海洋锋面是两个水团的分界面，锋面区域的水文要素（如温度、盐度）具有较大的水平梯 度［33］，其海表温度梯度判断标准>3 ℃/100 km［34-35］。对于平静海表，其海表温度梯度判断标准～1 ℃/100 km［36］。海表温度受太阳辐射和海表风速等多种因素影响，每日会存在近周期性变化，海表日增温于早上～8 点开始、下午～3 点时达到峰值［37-38］，日变化平均幅度0.2～0.6 ℃［37，39-40］。因此对于探测小时级、亚中尺度海表温度的载荷需要具 备0.1～0.3 ℃/10 km、0.1～0.3 ℃/6 h 的探测能力。

2.2 海表高度

海表高度变化能够表征海洋动力过程，对于海洋物质输送和能量传递具有重要作用。通过卫星高度计和浮标等多种探测手段，对于大尺度（>100 km）海表高度变化已经有了相对清晰的认知［41］，但受限于观测手段及能力，对于亚中尺度（10～100 km）海表高度变化还知之甚少［23］。目前，星载海表高度探测空间分辨率为100～150 km［7］、时间分辨率10～30 d［7］，未来其空间分辨率将达到～10 km［23］、时间分辨率达 到～7 d［1，23］，时空变化对应着单周级和亚中尺度范围。

针对海洋中尺度范围，目前海表高度探测产品主要用于对中尺度涡等海洋动力过程进行研究［7，23，43］，通过采用新型探测体制［1，23］将实现对亚中尺度涡的有效探测［42］。对于中尺度涡（半径O为100 km）平均振幅、半径、生命周期分别为8 cm、90 km 和32 周［44］，对于亚中尺度涡（半径O为10 km）其振幅比中尺度涡小2.5 倍［44］，其平均振幅、半径、生命周期分别 为～3 cm、～40 km［44］和～2 周［1，23］。因此，对于探测单周、亚中尺度海表高度的载荷需要具备～1 cm/10 km、～1.5 cm/1 周的探测能力。

2.3 海表盐度

海表盐度作为海洋物理化学关键变量，对于全球海洋循环和气候变化发挥着关键作用［45］。通过卫星盐度计（SMOS、SMAP）和浮标等多种探测手段，能够获取～100 km、月平均尺度海表盐度［46］，但受限于工程可实现性及探测灵敏度，还无法获取月平均、中尺度（～50 km）的海表盐度有效值（0.1～0.2 psu）［46-47］。目前星载海表盐度单次探测空间分辨率为40～100 km、时间分辨率2～3 d［46］，可提供～100 km、～1 月、～0.2 psu 海面盐度产品；未来其空间分辨率可达到～50 km、时间分辨率达到～1 d［48］，从而提供～50 km、～1 月、≤0.2 psu 海面盐度产品，时空变化对应着单月和中尺度范围。

目前海表盐度探测产品主要用于大尺度海洋扰动和中尺度海洋现象（中尺度涡、海洋锋面）研究［49-56］。针对大尺度海洋扰动现有卫星能够有效探测，但是对于海洋中尺度现象其时间和空间分辨率还有待提高。中尺度涡变化幅度为0.01～0.1 psu/100 km［52-53］，平均变化0.03～0.05 psu/100 km［53］。海洋纬向盐度梯度要比径向梯度小一个数量级［54］，热带海域海洋锋面最大水平梯度为～0.5 psu/100 km，并且随季节变化，平均水平梯度为0.1～0.2 psu/100 km［55-56］。因此对于探测探测单月、中尺度海表盐度的载荷需要具备0.015～0.1 psu/50 km、0.03～0.2 psu/1 月（中尺度涡、海洋锋面生命周期大于1月［52-53，55-56］）的探测能力。

3 高时空分辨率星载微波载荷可实现性

海表温度、海表高度和海表盐度时空变化特性对于星载载荷探测性能有着明确的需求，考虑到上述要素探测所需的高时空分辨率和高精度特点，而在轨卫星和载荷均难以满足上述需求，因此需要针对上述指标的可实现性进行深入的分析。

3.1 海表温度

针对未来海表温度和盐度对高时空分辨率和高灵敏度探测需求，欧洲提出了哥白尼成像微波辐射计（CIMR），采用双星组网，计划于2027 年以后发射升空。通过采用7 m 抛物面天线圆锥扫描并结合多频馈源阵列体制，CIMR 将实现～12 h 全球覆盖，并具备宽刈幅、高时空分辨率、高精度海表温度和盐度探测能力［57］。对海表温度，可实现≤0.2 K/15 km、≤0.2 K/12 h，后续通过对双星轨道进行设置，可进一步实现≤0.2 K/6 h；对于海表盐度，可实现≤0.2 psu/40 km、≤0.2 psu/1 月。CIMR 的具体性能指标见表6。

3.2 海表高度

针对未来海表高度对高时空分辨率和高灵敏度探测需求，美国航空航天局（NASA）和法国航天局（CNES）联合提出了地表水与海洋地形卫星（Surface Water And Ocean Topography，SWOT）［16，58］，于2022 年发射升空，实现～8 d 全球覆盖［1］。SWOT 卫星搭载新型Ka 波段干涉成像高度计，通过采用长基线干涉测量体制，可实现120 km观测幅宽、15 km 空间分辨率和1.168 cm 海面高度测量误差［58］，对海表高度具备～1.168 cm/15 km、～1.168 cm/8 d 的探测能力。SWOT 的具体性能指标见表7。

表7 SWOT 卫星性能指标［1，58］Tab.7 Performance indices of the SWOT satellite［1，58］

3.3 海表盐度

针对未来海表盐度对高时空分辨率和高灵敏度探测需求，CNES 提出了SMOS 后续业务应用任务（SMOSOps-H），通过采用六边形阵列的二维综合孔径体制，进一步提高了时空分辨率［15，17］；在保证探测精度和观测幅宽不降的条件下，空间分辨率由40 km 提高到33 km。为有效探测中尺度现象和近岸盐度，近期又提出高分辨率SMOS 任务（SMOSHR），通过采用不同阵列形式的综合孔径体制，将分辨率提高到10 km［59］。目前SMOS-HR 还处于概念验证阶段（Phase 0），预期发射时间在2027 年以后；根据现有载荷性能参数，其海表盐度产品预期精度为≤0.2 psu/10 km、≤0.2 psu/1 月。SMOSOps-H 和SMOS-HR 的具体性能指标见表8。

表8 SMOSOps-H 和SMOS-HR 性能参数［15，59］Tab.8 Performance parameters of the SMOSOps-H and SMOS-HR ［15，59］

4 未来发展趋势

美国利用其航天整体技术优势，并结合其他国家元器件/单机等技术优势，分别与日本合作探测海面温度（AMSR 2）、与欧洲合作探测海面高度（Jason-CS/Sentinel-6 等）；利用其大天线制造优势独立对高时空分辨率海面盐度（SMAP）进行探测；利用其长基线天线制造优势联合法国对宽幅海面高度（SWOT）进行探测。日本利用元器件/单机技术优势，重点开展海面温度探测（AMSR 2 等）。欧洲利用探测体制、应用处理、载荷技术优势，重点发展高空间分辨率海面高度（Cryosat-2 等）和高时空分辨率海面盐度（SMOS）探测能力，并论证高精度、高时空分辨率海面温度探测载荷（CIMR）。

目前正在论证的CIMR 卫星系统和已发射的SWOT 卫星系统基本可以满足海表温度和海表高度对高时空分辨率、高探测精度的要求。对于海表盐度，正在论证的SMOS-HR 卫星系统可获取高时空分辨率探测资料，尽管采用空间平均的方式（由10 km 降至50 km）可以减小随机误差（～2 倍），但仍难以满足海洋中尺度现象对海洋盐度高精度探测需求（0.015～0.1 psu/50 km、0.03～0.2 psu/1 月）。

为满足观测幅宽、空间分辨率和探测精度要求，海表温度和海表盐度探测载荷（6.9、1.4 GHz）需采用大口径天线，海表高度探测载荷需采用长基线，这使得载荷重量、功耗较大。为满足载荷探测使用需求、经费约束和可靠性要求，采用搭载单一主载荷的中型卫星平台成为合理选择［57-60］。

针对海表温度和海表盐度，采用圆锥扫描（CIMR）可以较好的满足观测幅宽、空间分辨率和探测精度需求，但是受限于大口径天线制造及其旋转所带来的工程难度，圆锥扫描很难进一步提高空间分辨率［57］。为克服大口径天线所带来的工程难度并进一步提高空间分辨率，海表盐度探测（需要更低探测频段、更大的天线口径）采用二维综合孔径体制（SMOS-HR），可以大幅提高空间分辨率，受限于多种误差对综合孔径体制探测性能的影响，其观测幅宽和探测精度难以显著提高［27，59］。为提高探测精度，还可以采用实孔径多馈源推扫体制，但该体制需要大口径天线和大量馈源，并且难以有效提高观测幅宽和空间分辨率［17，61］。综合分析，对于海表温度和海表盐度探测，圆锥扫描最为成熟，仍然是主要探测方式；综合孔径需提高探测精度，可作为低频微波探测的重要方式［62］、推扫体制需提升观测幅宽和分辨率，可作为高精度探测的补充方式。

针对海表高度，采用长基线干涉测量体制高度计（SWOT）可满足高时空分辨率，但是其探测精度还未得到充分验证。未来5～10 年内，传统底视高度计仍然会持续发展，干涉体制高度计将作为新的、重要的海表高度探测方式。

5 意见与建议

针对美国和欧洲等海洋探测强国提出的新型探测卫星计划，为满足高时空分辨率、高灵敏度海洋探测需求，建议应关注以下几点：

1）优先提高元器件至单机设备性能（灵敏度）、降低仪器噪声；对于短期内元器件或单机性能难以显著提升的载荷，可以采用不同体制（如推扫体制）实现海表要素的高精度探测；对于单次测量精度难以满足应用需求的要素（如海表盐度），可采用时空平均的方式提高精度。

2）基于卫星系统总体要求、载荷观测性能和资源保障能力，提高时间分辨率应优先选择增大载荷观测幅宽，并结合多星编队飞行的方式；提高空间分辨率应优先选择提高探测载荷性能，并结合降低卫星平台轨道高度的方式。

3）受限于海表温度和海表盐度探测波段，获取高空间分辨率探测数据需采用大口径天线。目前高型面精度大口径天线研制、生产还需技术攻关，因此必须提前谋划，提高天线研制能力［63］，结合卫星系统整体设计，改善大口径天线旋转（观测/定标）对整星的影响。

4）对于海表高度宽刈幅探测需求，采用干涉测量体制需要安装较长的基线（SWOT 采用10 m 基线），所需基线需要提前开展轻量化（系统重量要求）、稳定性（天线探测要求）、低伸缩性（干涉体制要求）和可折叠性（整星包络要求）技术攻关。

6 结束语

发展高时空分辨率海洋微波观测载荷，能够实现全天时、全天候观测，为海洋研究和应用提供新的支撑和保障，对于构建海洋强国具有重要的意义。基于海洋的多变性和复杂性特点，未来的天基微波探测载荷需要具备高时空分辨率、高灵敏度。针对上述要求，本文重点开展（亚）中尺度、快时变的海表温度、高度和盐度变化特征分析，并与美国和欧洲规划的天基探测卫星（载荷）性能进行对比，总结了天基微波载荷未来发展趋势，提出相应的意见建议。上述研究将为我国开展相关卫星系统论证和建设提供重要的借鉴、指导，对于拓展我国海洋利益和国家安全具有重要的意义。