星载被动微波遥感技术及其应用进展

王振占 王文煜 佟晓林 张 洲 ,2刘璟怡 陆 浩 丁 甲 ,2 吴延婷 ,2

1（中国科学院国家空间科学中心 中国科学院微波遥感技术重点实验室 北京 100190）

2（中国科学院大学电子电气与通信工程学院 北京 100049）

0 引言

微波遥感按照是否发射微波信号一般可以分为两类：主动微波遥感和被动微波遥感。主动微波遥感又称雷达遥感，其是通过接收遥感器发射的电磁波信号来实现目标探测的一种手段。主动微波遥感主要包括微波高度计、微波散射计和合成孔径雷达（SAR）三种类型的遥感器[1]，也包括通常使用的降雨雷达。

被动微波遥感又称微波辐射计遥感，是指直接接收目标的自然微波辐射来提取目标信息的一种遥感手段。被动微波遥感按频谱特性可以分为两类[1]：探测仪和成像仪。探测仪是指工作在气体分子的微波谐振频率上或者附近的微波辐射计。探测仪通常选择在氧气、水汽吸收带，用于提取大气参数，主要是大气温度、湿度廓线的垂直廓线，因此是气象卫星的主要遥感器；成像仪一般选择在大气窗区频率（远离大气水汽、氧气等主要气体吸收峰的频率）的微波辐射计，主要用于遥感具有宽广频谱特性的地物目标，例如海面的温度、盐度、风场、海冰等。

微波辐射计用于观测目标的微波热辐射信号。这种辐射信号与被测表面或物体的物理温度及介电特性有关，同时受到大气相互作用的调制。自然表面的微波散射与表面介电特性和粗糙度相关，通过合理设计遥感器，就可以获得关于表面粗糙度和介电特性的信息。微波可以穿透云，也可以在一定程度上透过雨，而且不依赖于太阳光源，这样几乎可以全天候、全天时工作。云和雨可以减弱来自表面的辐射，这个衰减可以提供云和雨的观测信号，用于获得大气一些关键参数（例如大气水汽和液水含量、云中水滴尺寸分布特征、雨强等）的信息。

微波波段获得的信息与光学或红外波段获得的信息是完全不同的。微波能够比光学更深入地穿透植被和土壤。频率越低，探测深度越深。因此通过微波遥感获得的特性参数是通过光学和红外遥感器获得信息的补充，有利于对于表面几何、介电特性、分子共振特性等方面的研究。另外在较长微波波长，微波辐射计可以透过云层观测地球表面，特别是在极区，而这用光学手段几乎是不可能的。这样微波遥感就成为一种与其他遥感方式不同的、而且唯一的探测地球环境的技术手段[1]。

由于微波辐射计没有发射机，因此其消耗功率较低。微波辐射计与雷达相比，可以在更广的频率范围使用。由于受限于真实孔径的天线，微波辐射计出现了一种新体制的成像仪--综合孔径辐射计，其可以用于对地遥感和射电观测，已经逐渐得到广泛应用。

星载微波辐射计根据观测方式可以分为两大类[2]：对地观测与临边观测。图1 给出了星载微波辐射计接收辐亮度B的观测示例[2]。临边观测是指天线从地球大气底部沿着切线方向线上扫描或者从大气顶部扫描到大气底部的观测方式，其观测目标是大气，观测背景是宇宙空间（图1 中最上一条线）。对地观测是指对地球表面和大气的观测，其观测目标是地球及其大气系统，观测背景是地球表面的海洋或陆地（图1 中倾斜实线和虚线）。

图1 空间微波辐射计两种不同的观测几何示例Fig. 1 Two different observation geometries for spaceborne microwave radiometers

通常按照观测方式（扫描方式）可以将微波辐射计分为三类：圆锥扫描辐射计（也称微波成像仪）、交轨扫描微波辐射计（也称微波探测仪）和不扫描辐射计。交轨扫描是指天线在垂直于卫星前进方向扫描，如图2（a）所示[1]。圆锥扫描是天线以固定入射角（通常在50°～55°）通过围绕竖直轴旋转来实现连续扫描，如图2（b）所示[3]（AMSR 扫描几何示例）。前两类辐射计是为了实现大范围全球覆盖而使用的观测方式。不扫描辐射计主要是为了特殊需要或者不适合使用扫描观测的卫星平台（转动惯量、空间和功耗等条件限制）而设计的一类微波辐射计，例如为星载雷达高度计提供大气路径延迟校正的校正辐射计是不需要扫描的（例如HY-2 系列卫星搭载的校正辐射计等）[4]，或者是由于某种限制使得卫星不能承受扫描带来的问题，例如载荷天线口径过大，无法适应安装需求等，例如SMOS[5,6]，或者是通过推帚式观测实现宽幅遥感的辐射计，例如Auaroius 盐度计[7]。

图2 星载微波辐射计的扫描模式。（a）交轨扫描，（b）圆锥扫描Fig. 2 Scanning modes of spaceborne microwave radiometer. （a） Cross-scanning, （b） conical scanning of AMSR

星载被动微波遥感的发展已经有50 多年的历史。1968 年苏联发射的Cosmos-243 号卫星安装了4 通道微波辐射计（3.5，8.8，22.2 和37 GHz）；美国1972 年发射的Nimbus-5 卫星，安装了6 通道电扫描微波辐射计NEMS （19.35，22.2，31.4，53.6，54.9，58.8 GHz）；1975 年发射的Nimbus-6 卫星上搭载扫描微波谱仪（SCAMS）和电子扫描微波辐射计（EMSR）[1]。1978 年是海洋遥感领域的重要年份，在这一年同时开启了海洋卫星和气象卫星的被动微波遥感的应用。首先，海洋遥感由实验阶段转入业务应用阶段，其主要标志是在该年美国NASA 发射了2 颗具有划时代意义的遥感卫星[8]。一个是雨云7 号（Nimbus-7），上面搭载了8 个被动式遥感器，覆盖了从微波、红外、可见光到紫外波段；另外一个是海洋卫星（SEASAT）。SEASAT 的发射是微波海洋遥感发展的里程碑，其第一次把微波辐射计、微波散射计、雷达高度计和合成孔径雷达结合在一起，全方位反演海洋的地球物理参数。两颗卫星上均携带了扫描式多通道微波辐射计（SMMR），其工作频率为6.63，10.69，18.0，21.0，37.0 GHz。这种多通道、双极化的体制扩大了微波辐射计的应用范围，适合于大气、海洋和陆地遥感，可以用来测量大气水汽、液态水、海水温度和海冰类型等参数[9]。其次，1978 年美国发射了TIROS-N 极轨气象卫星搭载的微波探测仪（MSU），包含50.3，53.7，55.09，57.6 GHz 四个频段的氧气吸收频段，用于大气温度探测，开启了微波探测仪大气遥感的正式进程[10]。随后在大气温度探测的基础上，增加了大气湿度廓线探测，进入了AMSU 阶段，其包括先进的大气温度微波探测仪AMSU-A[11-14]，以及大气湿度探测仪AMSU-B[15]和微波湿度计MHS[16]，从而大气温度和湿度廓线真正成为数值天气预报的重要数据来源之一。

中国微波辐射计的研究起步较晚，但近年来发展比较迅速。2002 年12 月30 日，中国科学院国家空间科学中心研制的多模态微波遥感器（M3RS）随神舟四号飞船成功发射，这是中国第一台进入太空的微波遥感器，包括高度计、散射计和辐射计三个模态，其中辐射计为 5 频段、双极化的微波辐射计[17]，开启了中国卫星微波遥感的先河，为后续海洋卫星、风云卫星微波辐射计技术的发展打下了基础。此后，中国分别于2008 年和2010 年成功发射第二代极轨气象卫星风云三号01 批的A 星和B 星，其上有三个微波有效载荷：微波湿度计、微波温度计和微波成像仪[18]，实现了FY-3 上下午双星同时在轨运行的格局。2011年成功发射第一颗海洋动力环境探测卫星--海洋二号A 星（HY-2A），载有两台微波辐射计，其中一台微波成像仪的工作频率是6.6，10.7，18.7，23.8 和37 GHz，主要用于海面温度和海冰的探测，另一台为大气校正微波辐射计，频率18.7， 23.8 和 37 GHz，主要用于雷达高度计大气路径延迟校正[19]。HY-2B 卫星于 2018 年 10 月 25 日成功发射，该星将与后续发射的海洋二号 C 星（HY-2C，2020 年9 月发射）和海洋二号D 星（HY-2D，2021 年5 月发射）组成中国首个海洋动力环境卫星星座[20,21]。根据MWO 的被动微波载荷的相关信息[22]，可以看出，1973—2023 年这50 年，已经发射或者列入计划即将发射的、用于对地观测的星载被动微波遥感器有70 多种，分别搭载在大约140 余颗卫星上。中国的卫星主要来自风云三号卫星和海洋二号卫星，其中风云卫星被动微波载荷有8 种[18]，海洋卫星被动微波载荷的种类有2 种[20]。

据不完全统计，这50 年期间已经或者即将发射的星载圆锥扫描辐射计有30 种，交轨扫描的辐射计25 种，不扫描辐射计18 种。本文在分析三类被动微波遥感技术整体发展的基础上，分别归纳各类微波辐射计的发展脉络和应用方向，通过比较国内外相应辐射计的关键技术参数，突出不同类型微波辐射计技术特点与应用需求，提出了空间微波辐射计应用的关键问题和发展趋势。

1 星载微波辐射计遥感技术的主要进展

1.1 交轨扫描微波辐射计

交轨扫描微波辐射计主要用于气象卫星上进行大气温度和湿度廓线的探测。为了更好地同步获取大气温湿度廓线，一般需要辅助探测表面背景参数。这类辐射计通常使用较小口径的天线，在垂直于卫星前进方面进行交轨扫描，因此相对于圆锥扫描辐射计通常体积较小，容易安装在卫星对地面，实现对地球表面和大气观测及定标。定标在每个扫描周期内进行，通过观测定标黑体和冷空实现全路径定标。这种定标方式是交轨扫描的优势，因为定标是全路径定标，包含了接收机和天线的一体化定标，劣势在于交轨扫描的入射角随着扫描位置在改变，不同扫描角的地面像元大小是变化的，因此空间分辨率在天底点两侧逐渐变差。另外为了减小转动惯量，通常接收机及天线馈源是不随反射面同时旋转的，造成接收到的辐亮度的极化是混合的，随着扫描角的变化而变化[23,24]。但是对于位于吸收峰附近的探测通道来讲，正交极化亮温差很小，因此这对于探测通道的影响很小，对于窗区通道影响较大。

业务化微波探测仪对地遥感开始于1978 年美国极轨气象卫星（TIROS-N）上载的微波探测仪（MSU[10]），并在随后NOAA-14 以前的9 颗卫星上都搭载了该设备，获得了大量的观测数据（见表1）。在1987 年美国发射的国防气象卫星（DMSP）搭载了特种微波大气垂直探测仪（SSM/T），工作频率为50～60 GHz，使得气象卫星微波遥感仪器有了长足的进步，并在军事气象保障、天气预报、强对流监测和洪涝灾害监测等方面发挥了很大的作用[25]。从1998 年开始的NOAA-15 卫星上，用20 个通道的先进微波探测仪（AMSU，包含15 通道的AMSU-A 和5 通道的AMSU-B）取代了MSU，并在NOAA-16～19 上连续应用，一直工作到NOAA-20 才开始新一代微波大气探测仪AMTS[23]。目前，NOAA-18 和19 的AMSU 仍然在轨工作。此外，2000 年发射的EOS-PM 卫星（Aqua）除了装有AMSR-E，AMSU 外，还搭载一个为巴西研制的大气探测器（MHS），工作频率类似AMSU-B[26]。JPSS 是美国新一代极轨业务环境卫星系统， 2011 年发射第一颗星SNPP，其是在国家极轨业务环境卫星系统（NPOESS）的基础上改建的[23]。JPSS 卫星计划的执行时间为2011—2038 年，还包括另外4 颗卫星系列： NOAA20，JPSS-2，JPSS-3，JPSS-4。这5 颗卫星上都携带一台先进大气微波探测仪（ATMS），共有22 个通道，频率范围从23.8 到183 GHz，合并原AMSU-A，B 两个载荷为一体，并增加了2 个通道，几乎涵盖了现在所有现在星上运行的大气探测通道，用来实现近全天候的大气温度、湿度廓线测量，还可以测量降水，进一步提升了业务天气预报和气候应用的水平[22,27]。

表1 美国、欧洲和中国的典型大气微波探测仪的比较Table 1 Comparison of typical atmospheric microwave sounders in the United States, Europe and China

欧空局ESA 于2006 年发射的Metop 系列卫星是Envisat 的后继卫星。Metop 系列全称是业务气象卫星，包括三颗卫星：Metop-A，Metop-B 和Metop-C，分别于2006，2012 和2018 年发射。这个系列卫星上都搭载了两个微波载荷：一个载荷是延续载荷AMSU-A，另外一个是微波湿度计（MHS），包括89，157，183±1，183±3 和190.31 GHz 五个通道[28]。

中国风云三号01 批包括FY-3A 和3B 星。FY-3A 星于2008 年成功发射，其上装载微波温度计-1 和微波湿度计-1。风云三号02 批包括FY-3C 和3D星，星载大气探测系统进一步发展升级为由二代微波温度计（MWTS-2）、二代微波湿度计（MWHS-2）。风云三号03 批包括4 颗卫星，微波温度计升级为（MWTS-3）。微波湿度计的150 GHz 更改为166 GHz，其他通道没有改变，因此代号仍为MWHS-2，但是由于系统全部采用低噪声技术，其灵敏度已经大幅度提升[18]。表1 比较了美国、欧洲和中国几台典型大气微波探测仪的技术参数。图3 给出了FY-3 卫星效果和微波湿度计MWHS-2。

图3 FY-3C 卫星效果（a）与微波湿度计MWHS-2（b）Fig. 3 FY-3C satellite （a） and MWHS-2 （b）

欧洲下一代极轨气象卫星系列为Metop-SG，包括A 系列和B 系列[28]。其中Metop-SG-A 卫星系列有三颗，分别是Metop-SG-A1，Metop-SG-A2 和Metop-SG-A3，Metop-SG-B 系列有三颗微波遥感卫星，分别是Metop-SG-B1，Metop-SG-B2 和Metop-SG-B3[22,29]。在Metop-SG-A 系列卫星上，都包括一台微波探测仪（MWS）（见表1）。MWS 包括24 个通道，频率从23～229 GHz，覆盖50～60 GHz 的氧气吸收峰和183 GHz 的水汽吸收峰[22,30]。

除上述极轨气象卫星的进展外，静止轨道由于其优秀的重复观测能力，被动微波遥感技术的应用也越来越受到重视。由于静止轨道气象卫星轨道比较高，要获得一定的空间分辨率，必须采用较高频段或者较大口径天线来实现。中国在2016 年底发射的FY-4 A 星上搭载了一台辐射计覆盖到太赫兹频段（183，425 GHz），实现静止轨道被动微波载荷首次试验验证。2018 年静止轨道大气微波探测仪（GIMS）完成测试验收，为静止轨道大气微波探测奠定坚实技术基础[31]。图4 给出的是GIMS 地面样机及其亮温成像效果。GIMS 工作于50～56 GHz 和183 GHz，用于静止轨道大气温度和湿度垂直分布探测。GIMS 采用70 个天线单元的组成的稀疏圆环天线阵列，圆环匀速自旋实现空间频率域采样[29]，最长基线超过3.5 m，以实现优于50 km 的空间分辨率。目前中国正在进行静止轨道微波遥感卫星的型号研制，预计两到三年内首颗星将完成发射，到那时中国将实现静止轨道业务化被动微波载荷零的突破。

图4 静止轨道大气微波探测仪地面样机。（a）第一代样机，（b）第二代样机，（c）（e）光学照片，（d）（f）对应的微波成像亮温Fig. 4 Ground prototype of the geostationary atmospheric microwave sounder. （a） First-generation prototype,（b） second-generation prototype, （c）（e） optics images, （d）（f） corresponding microwave brightness temperature

1.2 圆锥扫描辐射计

1.2.1 气象卫星微波成像仪

微波成像仪在气象卫星和海洋卫星上的技术特点不同。气象卫星成像仪的最低频率通常在K 波段，后来逐渐降低到X 波段。而海洋卫星的微波成像仪通常最低频率为C 波段，用来实现海面温度等参数的高精度观测。下面分别对两类成像仪进行分析。

气象卫星的微波成像仪的真正发展开始于1987年美国发射的国防气象卫星（DMSP-F08）特种微波成像仪（SSMI），用来遥感地球表面和大气参数。SSMI 采用偏置抛物面加多馈源一体化圆锥扫描、冷空和外部黑体定标的技术体制[32]，这是世界上第一台采用这种扫描方式的星载微波辐射计（见表2）。此后12 年期间（1987—1999 年）陆续发射6 颗（F10～F15 卫星）载有这个载荷的卫星。从2003 年开始的DMSP-F16～F19 卫星上，成功运行了新一代综合微波成像探测仪（SSMIS），增加了大气温度和湿度综合探测能力[33]，这是世界上首台集微波成像和探测于一体的圆锥扫描微波辐射计。

表2 美国SSMI，SSMIS，TMI，GMI 与中国FY-3 的MWRI 系列微波成像仪比较Table 2 Comparison of American SSMI, SSMIS, TMI, and GMI with China’s FY-3 MWRI series microwave imagers

1997 年11 月日本同美国合作在热带降雨卫星（TRMM）上搭载了微波成像仪（TMI），该成像仪是一台先进的全功率微波辐射计，用于测量热带和亚热带的降水和能量交换[34]。TMI 是在SSMI 基础上发展起来的更先进的微波辐射计，有9 个通道，覆盖10.7～85.5 GHz 五个频段，其提供的雨率数据被广泛应用。基于TRMM 卫星在降水探测方面所取得的巨大成功，美国和日本联合提出的新一代全球卫星降水观测计划（GPM）[34,35]，能够提供全球范围内的降水（包括雨雪）数据，其观测范围可延伸至南北极圈。GPM 计划由GPM 主卫星和搭载微波辐射计的多颗星座卫星组成。GPM 主卫星是GPM 计划最核心的部分，已于2014 年2 月发射，其上搭载了一个多波段微波成像仪 （GMI），这个仪器除了包含TMI 的频率外，还包含四个位于166 和183 GHz 毫米波频段附近的通道，通道数达到13 个，性能有了巨大的改进，提升了降水的观测能力[36]。图5（a）为GMI 的整体结构图。这代表了自SSMI 以来星载微波成像仪的通用外形结构。一个大的抛物面反射面和一组馈源组成天线接收系统。不同馈源对应相应频段的接收机。不同极化方式通过正交模耦合器（OMT）进行分离进入接收机。在馈源口面有定标参考源：定标黑体（热源）和冷空。定标黑体直接对准馈源，冷空通过一个小的抛物面天线反射进入馈源。天线和接收机整体旋转。定标参考源固定在静止底板上保持不动。每旋转一周定标一次。GMI 定标黑体进行特殊的热处理，减少了空间杂闪辐射对于热源表面的影响并减小了表面温度梯度[36]，提升了定标源的稳定性和准确度。

图5 气象卫星微波成像仪比较。（a）GMI，（b）MWRI-2Fig. 5 Comparison of meteorological satellite microwave imagers. （a） GMI, （b） MWRI-2

中国风云三号A 装载的第一代微波成像仪（MWRI-1）实现了圆锥扫描微波辐射计的首次在轨运行。该载荷在风云三号01 批（3A 和3B）和02 批（3C 和3D）上持续运行，在03 批的FY-3F 和FY-3H 卫星上，微波成像仪升级为第二代微波成像仪（MWRI-2），增加了大气温度探测能力[18,36]，具体指标见表2。图5 给出MWRI-2 及其与GMI 的对比。

另外，于2023 年发射的中国首颗降雨卫星FY-3G 星搭载了微波成像仪（MWRI-RM），在MWRI-2 的参数配置基础上，增加了166 和183.31 GHz 附近的四个通道，用来同步获取大气的湿度信息。第二代微波成像仪天线口径达到180 cm[22]，空间分辨率大大提升，通道探测范围甚至超过GMI 和SSMIS。表2给出了大气探测卫星典型微波成像仪的比较。

在未来Metop-SG-B 系列卫星上，计划搭载两种新型微波辐射计载荷：微波成像仪（MWI）和冰云成像仪（ICI）。其中MWI 是一台圆锥扫描微波辐射计[37,38]，包括18 个频率，26 个通道，频率范围是18.7～183 GHz，主要用于测量降水和温湿度廓线，还可以测量海面风速、海冰和冰云总量，表2 给出MWI 与同类圆锥扫描大气成像探测仪的比较。ICI 是一台新型的圆锥扫描辐射计，安装在卫星底部，频率范围从183 到664 GHz，用于测量大气的冰云参数和大气湿度[39,40]。ICI 的主要参数见表3。

表3 ICI 的主要技术指标Table 3 ICI’s main specifications

1.2.2 海洋卫星微波成像仪

海洋卫星区别于气象卫星微波成像仪主要在于是否有低频通道，主要体现在是否具有C 波段测量海面温度的通道，通常使用中心频率为6.6，6.8 或者6.9 GHz 的双极化辐射计。另外海洋微波成像仪的天线尺寸通常较大，空间分辨率较高。这种类型的辐射计主要有俄罗斯、日本和中国的微波成像仪。美国在SMMR 以后除了WindSat 全极化微波辐射计的试验卫星以外，一直没有独立发射具有C 波段的海洋微波成像仪，未来的计划见2.2 节。

俄罗斯在1999 年发射的海洋卫星Okean-O-1，载有三台微波辐射计，分别是扫描辐射计Delta-2D、被动微波辐射计R225 和R600。Delta-2 D 采用圆锥扫描方式，包括6.9，13，22.3，37.5 GHz 四个频率8 个双极化通道，用于观测海面温度、海冰、土壤湿度、可降水，同时配合13.3 GHz 双极化的R225 观测海面风速和海冰，5 GHz 双极化的R600 观测海面温度[22]。

日本研制的高级微波扫描辐射计-E （AMSR-E）搭载NASA 的EOS-Aqua 卫星于2002 年5 月4 日发射成功，是ADEOS-II 的后续卫星，在轨工作长达9 年。微波辐射计AMSR-E 大大提高了空间分辨率，89 GHz 频率的星下点分辨率可达3.0 km，而且加大了扫描宽度（1450 km），这是目前为止最为成功的微波成像仪之一，其数据广泛用于大气海洋和陆表应用研究，其数据包括雨率、水汽和液水总量、海面温度、风速、冰、雪和土壤湿度等参数[41]。在2002 年12 月发射先进地球观测卫星（ADEOS-II）装有高级微波扫描辐射计（AMSR，2003 年10 月失败），该辐射计可以提供6.9～89 GHz 范围内的8 个频段亮温数据，可以直接测量海面温度、风、水汽含量、降雨率和温度廓线等参数[3]，但遗憾的是AMSR 在轨仅工作100 天就停止了。 2012 年5 月18 日发射了GCOM-W1 卫星，其搭载的微波扫描辐射计（AMSR2），如图6（a）所示，可对地表和大气进行多波段、多极化方式的观测[42]。作为比较，图6（b）给出用于海洋风场遥感的第一颗星载全极化微波辐射计（WindSat）的照片。关于WindSat 的介绍将在2.2 节全极化遥感技术的发展中介绍。

图6 国外海洋卫星微波成像仪比较。（a）AMSR2，（b）WindSatFig. 6 Comparison of oversea ocean microwave imager. （a） AMSR2, （b） WindSat

AMSR2 有效刈幅宽度大于1600 km，天线口径从AMSR-E 的1.6 m 提升到2 m，空间分辨率比AMSR-E 有所提高。该辐射计到目前仍然正常运行。表4 给出3 台AMSR 辐射计的主要技术参数的比较。

表4 日本AMSR，AMSR-E，ASMR2 与中国海洋卫星微波成像仪RM 比较Table 4 Comparison between Japan’s AMSR, AMSR-E, ASMR2 and China’s oceanic satellite microwave imager RM

中国第一颗海洋微波遥感卫星是2011 年8 月发射的海洋动力环境卫星（HY-2A）。该星配置了两台被动微波载荷：扫描微波辐射计（RM）、校正辐射计（ACMR）。其中RM 采用圆锥扫描方式，频率和通道配置见表4。载荷的天线口径为1.2 m，因此其空间分辨率与表4 中的其他载荷差异较大。但HY-2A 卫星填补了中国实时获取海洋动力环境要素的空白[43]。2018 年10 月，HY-2B 卫星成功发射，其被动微波载荷与HY-2A 相同，但性能更加稳定。RM 计划在于2024 年发射的HY-2E 卫星上继续装载，其他卫星上没有安装计划。表4 中最后一行为中国的海洋卫星微波成像仪RM 的主要技术参数，可见其与AMSR，AMSRE，ASMR2 还存在一定差距，尤其体现在天线口径尺寸带来的空间分辨率的不足。另外其通道设置上缺乏对云和降雨较为敏感的高分辨率89 GHz 的通道，23.8 GHz 还沿用了SMMR 和SSMI 等以前成像仪的设置，只有一个V 极化通道，从原理上来讲，其带来由于交叉极化校正误差引起的探测能力不高。

此处与天葬院隔着百余丈，并无明显的道路，到处都是荒草灌木和岩石。蜘蛛精一路直行，逢木便踏，遇石便踩，似乎没有什么能够挡住它的脚步。青辰从地上爬起来，捡起一根粗木棍，悄悄跟在它的身后，借着沿途的障碍物掩藏身形。

1.3 不扫描微波辐射计

不扫描辐射计一般包括天底点观测微波辐射计、推帚式微波辐射计和综合孔径辐射计。这类辐射计有的是不需要扫描，例如HY-2 校正辐射计载荷，有的是由于某种限制使得卫星不能承受扫描带来的问题，如卫星转动惯量的要求非常高，例如重力卫星、宽幅成像高度计卫星的校正辐射计，还有的是由于载荷天线口径过大，无法适应安装需求等例如SMOS，Aquarius。中国的海洋盐度卫星包含两台微波辐射计：一台一维综合孔径辐射计MICAP[44]和一台L 波段二维综合孔径辐射计。

大气校正辐射计是一类天底指向的微波辐射计，目的是给同程观测的星下点卫星高度计提供大气湿对流层的路径延迟校正。这类辐射计典型的有：中国的HY-2 卫星系列校正辐射计ACMR[4]（见图7）[4]，美国T/P 卫星上的TMR[45]，欧洲ERS-2 卫星和Envisat 卫星的校正辐射计MWR，Jason-1 卫星的JMR[46]，Jason-2 和3 的AMR[47]，哨兵3 号（Sentinel-3A～3D）系列卫星的校正辐射计MWR[48]。校正辐射计通常包括2 个或者3 个频段，三个频段一般包括Ku（一般是18.7 GHz），K（一般是23.8 GHz）和Ka（一般是34～37 GHz）三个波段，极化方式是水平或者垂直极化。这三个频段对大气水汽和液态水较为敏感，对海面风也很敏感，因此通过三个频段的亮温可以对水汽和液水引起的路径延迟进行校正，并很好地消除风的影响。采用二频段的校正辐射计通常采用后两个波段，风影响的消除需要借助其他的数据源。校正辐射计对于大气湿路径延迟校正的精度通常在1 cm 量级，这样就很好地保障了雷达高度计海面高测量精度在几个厘米的水平以内。

图7 HY-2 校正辐射计的实验室折叠状态（左侧是折叠的反射面天线，右侧是三个定标天线）Fig. 7 Folded state of the HY-2 calibration radiometer （the left side is the folded reflector antenna, and the right side is the three calibration antennas）

综合孔径微波辐射计的代表是2009 年欧空局发射的SMOS 海洋盐度和土壤湿度卫星。该卫星是为了验证综合孔径技术，特别是二维综合孔径技术而发射的专题卫星。通过采用二维综合孔径技术可以实现多入射角的海面辐射观测，进而用于海面盐度的反演[49]。

由于不扫描辐射计观测的范围取决于波束宽度和入射角，因此难以实现宽刈幅的观测，这样在一些特殊的观测，需要采用多波束并排观测，这类观测方式称为推帚式观测。代表性的辐射计是NASA 发射的SAC-D 卫星盐度辐射计Aquarius，其采用不同入射角的3 个波束推帚式观测，实现390 km 的观测刈幅[7]。在这个卫星上的另外一台微波辐射计MWR，也是采用推帚式观测方式，MWR 是2 个频段3 个通道的辐射计（23.8 V，36.5 VH），利用8 个平行波束实现380 km 刈幅的观测，用来同步获得海面水汽含量、雨率、风速、海冰等参数信息。

2 星载微波辐射计技术发展趋势

2.1 功能综合化与一体化

空间微波辐射计的发展正朝着频率更多、功能更加全面的方向发展。前面提到的下一代欧洲气象卫星、美国的ATMS 以及中国的风云五号卫星，都在对星载微波辐射计的发展进行规划和论证。首先能够确定的是，未来空间微波辐射计技术发展首先是综合化、集成像和探测于一体的技术体制。下面以俄罗斯的微波成像探测仪的发展为例，介绍综合发展的考虑。

俄罗斯在被动微波遥感技术发展上独树一帜。俄罗斯于1974 年在其气象卫星Meteor-P1 上运行的被动微波辐射计（SHF）是目前已知最早的星载圆锥扫描辐射计[22]，比SMMR 早4 年发射，随后在1976，1977，1981 年的Meteor-P2，P3 和P6 三颗卫星均载有此种辐射计进行地球表面的遥感观测，刈幅宽度900 km[22]。俄罗斯的第三代气象卫星在第二代气象卫星的基础上，载荷数量进一步提升，其包含11 颗卫星，其中第一颗为试验星Meteor-3 M，8 颗Meteor-M 和2 颗Meteor-MP，其中Meteor-3 M 于2001 发射，其上搭载一台20 个频率26 个通道的微波成像仪（MTVZA），频率范围从18.7 到183.31 GHz，用于获取地表亮温图像、温湿度廓线和降水[22]。在随后2009 年开始的业务星Meteor-M 上，搭载了改进型微波成像仪（MTVZA-GY），增加了海面温度和风速遥感的10.6 GHz 双极化通道，而计划2025 年发射的增强型微波成像仪（MTVZA-GY-MP）进一步把频率扩展到6.9 GHz，以实现海面温度的同步观测[22]。表5给出俄罗斯3 台微波成像探测仪的比较。从时间上看，俄罗斯的MTVZA 是一台比SSMIS（见表2 和表5）更早的、集成像和探测于一体的圆锥扫描辐射计。表5 中最后一列括号中为SSMIS 不同于前三个载荷的极化方式。可以看出，这些成像仪探测最高频率都包括183.31 GHz 的水汽吸收通道，而且两台载荷的天线口径也近似相同（俄罗斯的都为61 cm×66 cm，而美国的65 cm）。表5 中的瞬时视场和像元对应的是俄罗斯成像仪的口径，SSMIS 的瞬时视场和像元与表中所列参数有所不同，主要是入射角和轨道高度不同导致的，具体数值这里省略。比较表1 和表2 可以看出，在空间分辨率上，气象卫星的微波成像仪或者微波成像探测仪总体偏低，分辨率差。而中国微波成像仪的空间分辨率逐步提升，未来的天线口径是目前的2 倍，183.31 GHz 的IFOV 可以达到4 km×7 km，这可能导致地面覆盖率的下降。因此空间分辨率和地面覆盖率这两个参数需要权衡折中考虑，以满足不同的应用需求，这个问题在下面还将进一步讨论。

表5 俄罗斯3 代微波成像探测仪与美国SSMIS 的比较Table 5 Comparison of 3 Russian Microwave Imaging sounders with the American SSMIS

从国内外发展历程以及未来规划可以看出，气象卫星微波成像仪融合了表面成像和大气探测技术，减小不同载荷或者卫星之间时空匹配引起的误差和不确定性，提升数值天气预报等应用对多个地球物理参数同步获取的能力。

2.2 全极化遥感能力

传统的微波辐射计只使用微波辐射的两个正交极化，即水平极化和垂直极化。随着微波遥感技术的发展，特别是海面风场遥感需求的发展，全部四个斯托克斯（Stokes）极化参数的测量成为被动微波遥感的一个新的发展方向。美国2003 年发射的WindSat 卫星是一种新型的海洋遥感卫星--全极化微波辐射计试验星。WindSat 是由美国海军研究实验室（NRL）开发的全球第一个试验性质的星载全极化微波成像仪，如图6（b）所示，该卫星成功在轨运行到2020 年[50]， 主要目的是验证星载全极化微波辐射计的可靠性，建立相应的海面风速、风向反演算法，为将来全极化微波辐射计的业务化运行提供依据。工作高度为830 km 的太阳同步轨道，有效刈幅为1025 km，包含6.8，10.7，18.7，23.8 和37 GHz 5 个频率，共计22 个通道，采用11 个分立的双极化喇叭馈源进行接收。其中10.7，18.7 和37 GHz 三个频率分别使用3 个馈源接收6 个全极化通道（垂直极化V，水平极化H，+45°线极化，-45°线极化，左圆极化LC 和右圆极化RC），通过极化组合实现海面辐射亮温四个Stokes 参量测量，从而提取海面的风矢量信息。6.8 和23.8 GHz 是传统的两个正交通道辐射计，各采用一个馈源喇叭接收，并通过正交模耦合器（OMT）进行V 和H 极化分离，获取水平和垂直极化亮温，其中23.8 GHz 通道用来进行大气水汽校正，6.8 GHz 通道主要用于提供海表面温度的信息。表6 列出了WindSat 各个通道的具体参数。Wind-Sat 与AMSR-E 或者AMSR2 的主要区别在于全极化通道的交叉极化电平小于-30 dB，为此馈源喇叭的长度更大。这也导致了不同馈源的安装位置不在一个水平圆弧上，因此不同频段和极化的入射角存在差异（AMSR-E 或者AMSR2 的入射角除了89 GHz 的B-scan 以外都为55°），需要在数据处理时进行地面像元的匹配。

表6 全极化微波辐射计的比较Table 6 Comparison of fully polarized microwave radiometers

WindSat 卫星推动中国全极化微波辐射计FPMR（Full Polarized Microwave Radiometer）遥感技术的发展，2016 年FPMR 开始成功在轨运行。最近，2022 年美国发射了小型化的全极化微波辐射计（COWVR），包含了18.7，23.8 和33.9 GHz 三个频率18 个通道，每个频率都具有V，H，+45°，-45°，LC和RC 六个极化状态，以验证这种小型化的全极化辐射计的测量风场的能力[51,52]。COWVR 天线口径75 cm，设计寿命3 年。在美国WindSat 后续业务卫星（WSF-M）中，计划有两台全极化微波辐射计MWI[22,53]，频率范围10～89 GHz，仍然采用180 cm的偏置抛物面天线。在10，18 和37 GHz 频率仍然采用全极化接收方式，但是他们把接收类型从极化组合型辐射计变为极化相关型辐射计，通过直接测量H 和V 极化的相关系数进行第三和第四斯托克斯参数亮温的测量，这与中国的FPMR 的10.7 和19.35 GHz 的接收类型相同。此外在ESA 正在研制的哥白尼哨兵扩展卫星计划（Copernicus Sentinel Expansion Missions）中的哥白尼成像微波辐射计（CIMR）是一台新型综合微波成像仪，5 个频率分别为1.4，6.9，10.7，18.7 和36.5 GHz，全部采用全极化的形式[54]。表6 给出几个主要全极化微波辐射计参数的比较。采用全极化辐射计的形式不但可以反演海面的风速和风向，同时还能提高其他参数（如海面温度、盐度等参数）的反演精度，减小反演误差。原则上讲，任何频段海面发射率都包含风向的调制，如果忽略必然使得海面发射率的误差增大，进而导致反演的海面参数误差增大。

2.3 应用频率不断扩展

2.3.1 电磁波频率的拓展应用

空间微波遥感经过50 多年的发展，对地球表面的观测电磁波频段主要集中在微波波段，频率范围0.3～3000 GHz（经典文献到300 GHz，对应波长1 mm），对应的波长1 m～0.1 mm。目前通用的微波波段划分及其名称见表7。需要说明的是，40 GHz 以上的频率范围，不同的文献略有不同，更高频段的名称及其划分目前没有统一说法。

表7 微波波段的名称及频率范围Table 7 Microwave band name and frequency range

观测频率和通道的选择取决于探测目标的需求，本质上取决于表面发射率和大气透过率。表面发射率决定了表面辐射的强度。图8[55]分别给出40 GHz以下陆表和海表参数对于亮温的相对敏感性[55]。大气透过率决定了大气在接收的辐亮度中所占的比例，如图9 所示。由于大气和地球表面的作用是耦合在一起的，因此通道的选择需要根据遥感参数对于亮温的敏感性来确定。目前海面发射率模型已经有较为成熟的发展[56]。陆地表面由于混合像元的问题导致发射率模型还不够完善[57]，有待建立适应不同地表类型和空间分辨率的微波陆表发射率模型，提升微波辐射计陆地遥感数据的应用能力[57-60]。

图8 40 GHz 以下陆地表面（a）和海洋表面（b）参数对于亮温的敏感性Fig. 8 Sensitivity of land surface （a） and ocean surface （b） parameters below 40 GHz to brightness temperatures

图9 利用美国空军地球物理实验室提供的亚北极地区冬天廓线计算的透过率（a）和不同大气成分（水汽、氧气、臭氧）的光学厚度（b）Fig. 9 Transmittance （a） and optical depth （b） calculated using a subarctic winter atmosphere profile from ARGL

图9 给出利用美国空军地球物理实验室（AFGL）提供的亚北极地区冬天（subarctic-winter）廓线计算的透过率和不同大气成分（水汽、氧气、臭氧）的光学厚度在1000 GHz 以下随着频率的变化，可见频率越低大气的影响越小，频率越高大气对于空间遥感的作用越大。频率越低表面（陆地和海洋）的作用越强，频率越高表面的作用越弱。在100 GHz 以上大气的吸收和辐射起主要作用，而表面的作用很小。地球大气的主要吸收气体包括水汽和氧气。在微波范围这两个吸收气体提供大气湿度和温度廓线的探测手段，而在THz 波段，很多大气成分，例如臭氧等对于卫星观测的辐亮度都有贡献。

根据国际电联（ITU）对被动微波遥感频率的带宽的推荐[61]，1～1000 GHz 范围内可用于遥感的参数见表8[61]。从表8 可以看出，这些频段中700 GHz 以下频段已经有所应用，而在更高频率（包括1 THz 以上频段），由于硬件技术发展水平不足的限制，尚未得到充分应用。这些是未来空间地球遥感的发展方向之一。主要应用方向包括中高层大气成分和痕量气体、风场等参数的遥感。这些应用可以拓展到天文学和行星遥感探测的应用上。

表8 国际电联ITU 推荐的被动微波遥感通道Table 8 Passive microwave remote sensing channels recommended by ITU

随着被动微波遥感技术的发展及其应用需求的深入，空间被动微波遥感向电磁波谱的两侧发展。一是向更高频率-THz 波段发展，主要用于中高层大气成分和参数的遥感，例如由戈达德太空飞行中心（GSFC）向NASA 提议的用于热层风、温度和密度探测的太赫兹临边探测仪（TLS）[62]，其包括两台辐射计，工作频率分别为1.12 和2.06 THz；二是向更低频率-L 和P 波段发展，主要利用低频电磁波更大的穿透深度，可以获得次表层和一定深度以内的地物参数信息，例如探测极地冰川的厚度和温度分布等[63]。这两个发展方向的实施需要配合硬件技术的发展，THz 技术需要THz 辐射计技术，特别是低噪声技术的发展，使得探测灵敏度符合探测的需求；低频微波和无线电遥感技术的发展需要大口径天线技术和复杂抗RFI 干扰技术的实现。

表8 给出了1000 GHz 以下的被动频段应用的选取需求，如前所述，空间微波辐射遥感技术探测频率达到几个THz，因此对于频率使用的规范性需要特别重视。一方面频率的使用有利于不同遥感手段（主被动微波遥感、通信等）的多元化，从而丰富对目标和场景特性的识别和参数获取。另一方面频率的使用一定优先保证重要的被动微波载荷通道的需求，例如L，C 波段海面温度和盐度的探测通道，K 和Ka 波段大气水汽和液水探测通道需求，50～60 GHz，176～192 GHz 大气温度和水汽廓线的通道需求。因为这些通道已经广泛用于数值天气预报等重要领域，而且发挥了不可替代的作用。所以表8 既是一个被动微波遥感通道及其应用的需求表，也是一个通道保护的频段设置表，应该得到有关管理部门的特别重视。

2.3.2 星载THz 辐射计遥感技术

星载THz 辐射计遥感通常是指利用THz 频段（通常频率范围是0.1～10 THz）的辐射计对地球或者行星大气进行探测的技术手段。THz 辐射计技术在很早就已经用于空间遥感了。表9 给出了已经在轨的THz 辐射计遥感卫星参数及其相关描述。这里没有包括表1、表2 和表5 中的对地观测的工作频率大于100 GHz 的辐射计。THz 辐射计观测通常采用临边观测的方式，以减小背景辐射（如地球背景）的影响，提高探测灵敏度和垂直分辨率。THz 是目前广受关注的电磁波频段，其在一定程度上可以穿透云雨、不依赖太阳作为辐射源、可以全天时全天候工作的特点使得太赫兹遥感在大气遥感探测中相比可见光、红外、紫外遥感具有独特的优势。

表9 已经完成的星载THz 辐射计卫星Table 9 Completed spaceborne THz radiometer satellites

太赫兹临边探测技术可以用来监测大气温度、臭氧、温室气体以及其他影响对流层和平流层臭氧化学的痕量气体（例如：NO2，BrO，ClO，SO2等）的全球时空分布。通过大量的观测数据，分析大气痕量气体的含量变化及其对辐射收支和大气状态参数的影响，可以更好地了解污染物的输送特性及其复杂性，为研究平流层臭氧与大气的物理和化学过程提供新的认识途径。此外，太赫兹临边探测仪对于中高层大气动力过程的研究具有非常大的应用潜力。例如，热层动力学和电离层状态取决于中层大气向上传播的重力波、行星波和潮汐，对全球大气特别是风矢量和温度进行观测将有助于评估这些影响[64]。目前中高层大气风场的测量尚缺少有效的测量手段，特别是对于对流层顶到中间层的大气中层风场的观测非常稀少。这项技术自20 世纪90 年代以来得到了充分的发展，获得了关于大气成分变化的宝贵的历史数据，对于地球气候和环境变化的研究起到重要的作用。

对于地球大气太赫兹临边探测，迄今为止的星载载荷只有4 个：UARS 卫星上的MLS[65]，Odin 卫星上的SMR[66]，Aura 卫星上的MLS[67]和 国际空间站（ISS）上的 SMILES[68]。其中Aura/MLS 和Odin/SMR 工作至今，频率已经达到2.5 THz[67]（见表9），为大气模式提供了高精度的温度、臭氧观测数据，已有大量研究使用了MLS 的观测数据。得益于太赫兹器件和技术的进步，特别是基于量子级联激光器（Quantum Cascade Laser，QCL）、超导SIS 混频器、HEB 混频器和高分辨率数字光谱仪等新技术[69-71]，可以使仪器在0.1～4.7 THz 的频率范围内以较高的谱分辨率和较低的系统噪声工作，在0～160 km 进行关键大气要素的高精度观测，特别是中高层大气风场已经成为一个全新的、有潜力的探测要素[64]。尽管国际上已提出多个太赫兹临边探测载荷，但高昂的成本使得目前还没有新的载荷在轨运行，而 NASA 正在研制小型化的临边探测仪（Continuity-MLS）来接替已经工作近20 年的Aura/MLS[72]。随着紧凑型、外差式接收机的发展，使得小卫星搭载小型化、低功耗的太赫兹临边探测仪成为可能[73]。

从技术的发展来看，由于THz 硬件技术的发展，探测频率逐步提升，对于探测的成分种类也是越来越丰富。同时THz 大气临边探测还能够提供大气风场测量的能力，填补了这个范围测量能力缺乏的空白。同时由于接收机技术的发展，使得探测频率不断提高，对于遥感器的天线尺寸要求也随之降低，因此降低了对于卫星安装条件的限制。目前400 GHz 以上的小型化探测仪不但可以用于常规的大气探测卫星上，还可以用于小卫星或者行星大气探测卫星上。这个频段大气的各种成分谱线分布非常广泛，至少延伸到1～3 THz，可以选用的频段极大地增多，因此探测的成分也随之增加。当接收机噪声能够满足灵敏度指标要求的时候，利用更高频率探测技术将大大提高大气谱线的探测能力。

目前国际上已经确定在未来几年有发射计划，正在研制中的仪器项目包括：瑞典的微型亚毫米波临边探测器（SIW）[74]和日本的SMILES 的后续型号SMILES-2[75]。SIW 是一个计划安装在一颗小卫星上的小型探测仪，采用一对垂直正交（45°和135°）的辐射计天线用于测量中高层大气的二维风场和痕量气体，采用制冷到比环境温度低70 K 的方式将638 GHz 双边带外差式接收机的系统噪声温度控制在1000 ～1200 K。后端包括一个8 GHz 带宽、1 MHz 分辨率的自相关谱仪，垂直扫描范围为10～90 km，垂直分辨率为5 km[74]。SIW 的工作频率范围为619.1～627.1 GHz 和649.05～657.05 GHz，除了655 GHz 频段主要用于测风，还包含了O3及其同位素，H2O，HDO，HCl，ClO，N2O，HNO3，NO，NO2，HCN，CH3CN 和HO2等成分的吸收谱线探测。图10[68]给出了SIW 的载荷结构。

图10 SIW 载荷Fig. 10 SIW payload

SMILES-2 也采用了与SIW 类似的一对正交方向的天线用于测量二维风场和痕量气体，并在638 GHz 频段的基础上增加了763 GHz，1.83 THz 和2.06 THz 辐射计。763 GHz 频段用于测量O2和H2O的吸收谱线，1.83 THz 用于测量OH，而2.06 THz 可以将大气风场的观测范围拓展到160 km。计划采用与SMILES 一样的4 K 制冷的SIS 混频器，可以将GHz 频段辐射计的系统噪声温度控制在150 K 左右，THz 频段辐射计的系统温度控制在990 K 左右。其中GHz 辐射计的频谱带宽为6 GHz，THz 辐射计的频谱带宽为1 GHz，频谱分辨率为0.5 MHz。主要探测目标包括了30 km 以上的水平风场，20 km 以上的大气温度，90 km 以上的基态原子氧，中间层顶的大气密度以及15 种大气成分的含量[76]。表10 给出了上述国外临边探测载荷的指标对比。

表10 地球大气临边探测仪指标对比Table 10 Comparison of specifications of spaceborne limb detectors of the Earth

国内对THz 临边探测仪的研究起步较晚，还没有在轨的临边探测器。目前在民用航天技术预先研究项目的支持下，中国科学院国家空间科学中心开展了太赫兹中高层大气临边垂直探测仪（TALIS）的研制[77]。TALIS 是一台用于大气临边探测的太赫兹辐射计，工作频段包括118，190，240，640 GHz，后端采用了自研的快速傅里叶变换（FFT）数字频谱仪，具有2 GHz 频谱带宽和2.3 MHz 频谱分辨率，天线投影口径1.6 m。测试结果表明，TALIS 的原理样机在640 GHz 频段系统噪声温度可以达到2300 K，可以反演的大气参数达到16 种，如图11 所示[78]。

图11 TALIS 可以观测的参数及其高度范围分布Fig. 11 Parameters that may be observed by TALIS and their height range distributions

2.3.3 低频微波被动遥感技术

低频微波遥感使用最多的L 波段的微波辐射计。L～S 波段对于土壤湿度和海面盐度的变化非常敏感，因此从很早的时候就用于机载或者地面的遥感应用。星载的应用开始于2009 年欧洲的SMOS 卫星，其搭载了第一台二维综合孔径微波辐射计MIRAS，用于全球的土壤湿度和海洋盐度的遥感。美国2015 年发射了一颗L 波段土壤湿度卫星SMAP，采用6 m 口径的网面天线（见图12），通过圆锥扫描实现1000 km 刈幅的全球土壤湿度和冻融的观测[79]。表6 中欧洲正在研制的哥白尼成像微波辐射计CIMR 天线口径达到7 m，有效提升了L 波段空间分辨率，进而提高对于海面盐度、土壤湿度和冰的监测能力[54]，减少综合孔径辐射计中的系统噪声和各种干扰的影响。

图12 SMAP 卫星观测。6 m 轻量可展开网面反射面，雷达和辐射计共用一个馈源，天线和接收机同时旋转实现圆锥扫描Fig. 12 SMAP satellite observation. 6 m lightweight deployable mesh reflector, radar and radiometer share a feed source, the antenna and receiver rotate simultaneously to achieve conical scanning

低频电磁波遥感的最大优势是其可以探测到一定深度（取决于穿透深度）的场景或者目标，其接收到的亮温中包括这个深度内温度和介电特性的分布特征。SMOS 辐射计可以提供极地边缘冰厚的遥感数据[5]。Jezek 等[63]利用机载低频微波谱仪进行格陵兰冰厚飞行试验，初步验证了遥感观测极冰的可行性。低频遥感不但面临天线口径巨大的工程安装问题，还需要考虑RFI、宇宙背景噪声的干扰等对于观测数据质量的影响。例如银河噪声的时间变化的影响[6]。

中国正在研制的海洋盐度卫星包含了一个类似SMOS 卫星的L 波段二维综合孔径辐射计和一个三波段一维综合孔径辐射计MICAP。MICAP 采用大口径一维柱面天线在飞行方向是真实孔径，在垂直飞行方向通过多基线干涉实现多入射角的大刈幅观测，工作频率为L，C 和K 波段[44]。图13 是海洋盐度卫星的官方效果图。左上方是MICAP，下方的Y 型天线的是二维综合孔径辐射计。

图13 海洋盐度卫星的官方效果Fig. 13 Ocean salinity satellite rendering

微波辐射计通过接收目标或者场景的微弱的自然辐射来获得相关的地物参数信息，因此不但参数的反演精度受到其自身探测灵敏度的影响，而且参数的空间分辨率也受到天线口径的限制。即使是综合孔径辐射计也同样有物理尺寸、硬件规模等方面的限制。空间微波辐射计的显著优势是其快速的全球覆盖和多参数同时观测的能力，其劣势就是其空间分辨率相对较差。因此其无法实现主动微波遥感器如SAR 高清晰的观测能力。当然SAR 也很难实现类似辐射计的快速全球覆盖能力。因此空间分辨率和空间覆盖率需要一个权衡。空间分辨率越高，地面完全覆盖越困难，所以，空间微波辐射计不可能以高空间分辨率实现快速全球覆盖，空间微波辐射计的大尺度快速全球观测能力是其重要特色和能力。空间分辨率的提升还需要权衡考虑系统灵敏度指标的需求。因为空间分辨率提升会进一步缩短每个像元的观测时间，因此留给接收机硬件的积分时间就更短。根据辐射计灵敏度的计算公式，辐射计系统的灵敏度与积分时间的平方根成反比，因此积分时间越短，灵敏度越差。

当然在特殊的应用场合，或者是不需要全球覆盖或者高空间覆盖率的应用场景，可以在牺牲空间覆盖性要求的情况下，通过增大天线口径提升空间分辨率（例如采用推帚式观测模式[7]），一些低频通道也可以采用综合孔径的体制提升图像的空间分辨率。例如对于近岸海水温度和盐度的观测、冰雪的观测、海洋亚中尺度现象如流场的遥感观测[80]，以及部分云雨的观测（台风、热带气旋时云雨结构），可以采用这种方式提升空间分辨率。例如大气成分、温度、风场等的临边遥感观测，通过增大天线口径提升垂直分辨率，进而提高对于大气垂直结构的精细化研究水平。

此外，可以通过小卫星组网观测的方式，同时提升时间和空间分辨率。每颗小卫星的微波辐射计载荷可以实现传统微波辐射计的探测能力[81]，多颗卫星相同载荷的组网，可以提升时空覆盖率。再通过数据处理的新技术，例如同化技术或者人工智能（AI）技术，提升辐射计处理能力，满足多方位的用户需求。

3 中国空间微波辐射计数据处理及其应用的思考

3.1 数据处理及规范化

空间微波辐射计数据定义需要遵守基本规范，以利于更多用户使用，提升数据效能。NASA 的地球观测数据和信息系统 （EOSDIS）对于数据级别给出如下定义[82]。

0 级数据（L0）： 重新构建的、原始分辨率的、未处理的仪器/平台的数据包。文件中去掉了人工附加的任何通信信息，例如帧同步数据、通信的头文件等。

1 A 级数据（L1 A）：原始分辨率的、未处理的仪器数据、参考时间和一些辅助注释信息在一起重新构建的数据包。辅助信息包括：辐射计定标、几何定标系数、大地参考面的参数等。这些数据有的通过计算给出，有的直接附加在后面，但是没有应用于L0 数据。

1 B 级数据（L1 B）：L1 A 数据转换为传感器的单位（工程单位）。并不是所有仪器都有对应的L1 B数据。

2 级数据（L2）：根据L1 数据提取的、相同分辨率和地理位置下的亮温和反演的地物参数数据。

3 级数据（L3）：在一致的时空网格下的亮温和参数的图像，通常具有完整性和一致性。

4 级数据（L4）：指对低级别数据分析而由相应模式得出的输出结果。

作为例子，表11 给出AMSR/AMSR-E 的标准数据定义[83]。AMSR 的地物参数由L2 和L3 标准数据给出。AMSR 数据流程如图14 所示[83]。

表11 AMSR/AMSR-E 的标准数据定义Table 11 Standard product definition for AMSR/AMSR-E

图14 AMSR 标准数据流程（一级数据由仪器研制方NASDA 产生）Fig. 14 AMSR standard product flow chart （Level 1 was produced by NASDA）

下面主要分析L1 和L2 级数据的内容及其基本要求。

L1 A 数据用来作为后续定标和数据处理的输入。在这个过程中，要加入表示数据好坏、仪器工作状态是否正常、数据是否缺失等的质量标记。数据除了不同波段的数码值以外，至少应该包括扫描时间、空间分辨率、频率、数据级别、数据类型、数据大小和数据获取方式等数据项。AMSR-E 的L1 A 数据[83]以半轨为单位，在极点分界（为了重采样，在分界点左右各重复保留一定扫描周期的数据），这样一个轨道就包括升轨和降轨两个文件。每个文件中包括时间序列的天线温度数码值和相关的辅助数据，以层状数据格式（HDF）存储。L1 A 数据包括时间、经度、纬度、天线温度、定标公式的斜率和截距（用于计算天线视在温度）、各种定标源温度数码值、陆地/海洋标识、导航信息等。

L1 B 数据是经过定标、定位以后的各个通道的亮温值，以各自的空间分辨率保存。同时包括工程、定标、卫星等的辅助数据。这些数据包括所有通道、所有观测目标的数码值，即观测地球、冷空和定标源的数码值。同时还包括工程和平台的辅助数据、数据质量、误差估计、定标系数等。这里包括一系列的处理过程，例如源数据包的解码、应用特征数据和定标数据、计算UTC 表示的时间码、计算工程单位表示的仪器测量结果等。

L2 数据包括空间分辨率重采样后的亮温数据和反演的地物参数标准数据。使用共同天线的微波辐射计，通常情况下不同频率在地球表面产生的增益模式并不相同。这样对于这些测量结果的直接比对是很复杂的，因为观测的位置不尽相同。L2 A 数据由不同频率对应的不同地面足印内的、空间一致的亮温组成。在每个对应的空间分辨率内，都有对应的不同波段的亮温。L2 A 的输出的亮温数据用来作为微波辐射计L2 参数反演算法的输入数据。

L2 A 数据的主要内容包括：覆盖范围、时空特征、数据用途和级别、数据大小、数据格式等。AMSR-E L2 A 的定义与L1 A 相同，也是以半轨为一个文件。该文件中包含按时间顺序重采样的亮温。L2 A 重采样亮温和相应数据（原始分辨率亮温数据）使用HDF 格式存储为一个文件。

L2 A 辅助数据包括内部辅助数据和外部辅助数据。内部辅助数据是指用于微波辐射计数据处理但又不包括在辐射计数据包之内的数据，例如导航系统的轨道信息、平台姿态和特征数据、辐射计特征数据等。外部辅助数据是指外部提供的数据模式，这些数据不是来自卫星平台本身，其主要用来进行地理定位和仪器测量结果的地球物理校正，主要包括：轨道数据、初始轨道、精确定轨、时间关系、闰秒等。此外，还有L1 A 数据得出的、对某些用户感兴趣的数据，例如起始轨道数、终止轨道数、升交点经度、升交点日期和时间、轨道方向、扫描数目、轨道半长轴、轨道离心率、轨道近地点角矩、轨道倾角、轨道周期、椭球体名称、地球半主轴、地球的扁率等。在L2 A 阶段的辅助数据还包括权重系数表和通道表。权重系数表以单独文件保存，每个文件对应一种频率组合的权重系数。通道表给出了不同通道数对应的频率[83]。

3.2 数据处理算法及其流程的规范化

空间微波辐射计数据处理应包含图15 流程中的算法[84]。地面处理系统提供原始数据文件（通常对应L0 数据，也称为RDR）。然后应用热参考负载和冷空定标负载的数据对馈源处的天线温度（TA）辐射计计数值进行定标。TA可以直接输出产生天线温度数据（简称TDR）。另外，通过对进入天线馈源能量溢出的校正（馈源旁瓣和反射面截获效率的影响），获得地面目标的天线温度（），再经过天线方向图校正，获得观测场景的亮温TB（简称SDR）。地理定位模块计算辐射计的观测角、入射角、方位角和经纬度位置，用于天线方向图校正模块进行交叉极化校正、天线极化旋转校正、大气的法拉第旋转校正等，此外由于天线像元内在地表的入射角存在差异（尤其是天线波束宽度较大的通道），所以需要对像元内进行入射角校正，这样才能得到准确的亮温数据。在天线温度之前和地理定位之前都要进行数据质量检测，以确保所有的RDR 在预期的范围之内。在TDR 和SDR 数据文件中包括适当的数据质量标志。传感器常数文件（SCF）为所有处理模块提供传感器特定的信息，主要包括频率、极化、通道响应函数、天线方向图、测温电阻的定标系数等。

图15 空间微波数据处理算法流程Fig. 15 Spaceborne microwave radiometer data processing algorithm

图15 包含的主要算法有以下5 类。

第1 类数据处理和定标算法。

主要包括对于定标源温度和亮温的误差分析和校正，对定标源观测电压的稳定性分析和加权平均策略确定，两点定标方程计算，非线性修正系数计算及非线性偏差的计算等，最终得到天线温度的定标结果[13,85,86]。

第2 类天线溢出校正算法。

馈源口面定标需要校正馈源方向图的影响；如果是包括天线反射面的整体定标，需要考虑馈源与反射面截获效率（边瓣电平）的影响。这两种情况都体现为天线周围环境温度对于接收到的天线温度TA的贡献[36,84]。因此在仪器研制过程中，馈源的天线方向图和截获效率等参数需要测量并提供给数据处理系统。

第3 类天线方向图校正算法。

天线方向图校正包括交叉极化校正、极化旋转校正、法拉第旋转校正、入射角校正等[36,84]。这里所需要的遥感器常数包括不同频段的同极化和交叉极化方向图、载荷姿态、地理位置等[87]。

第4 类地理定位算法。

通过卫星姿态和GPS 信息，利用传感器的观测角度信息和安装矩阵，计算在测地坐标系下的经纬度、入射角和方位角。经典算法可以参考MODIS 的地理定位算法[88]。此外还有其他算法，例如基于定位和轨道参数的算法、基于数学模型的算法等。

第5 类空间分辨率匹配算法。

空间分辨率重新采样包括两个方向：空间分辨率匹配和空间分辨率增强。空间分辨率重新采样的基本算法是GBI 算法[89]。空间分辨率匹配是把不同空间分辨率观测数据匹配到相同的空间分辨率，也就是把空间分辨率高的观测数据匹配到空间分辨率低的数据[90-93]，例如AMSR-E 数据中5 个不同空间分辨率的重采样亮温数据集，对应于 6.9，10.7，18.7，36.5和 89 GHz 5 个不同的空间分辨率[92]。由于星载辐射计的不同探测频点观测波束在地球表面投影足迹大小不同，对地分辨率差距较大。而在被动微波遥感中，大部分的地表参数及气象参数例如土壤湿度，雪覆盖，降水，是需要多通道探测信息协同反演的，并且有时需要多天长时间的观测数据。在进行不同频率探测通道的协同参数反演过程中，各通道足迹的空间分辨率不一致若不经过重采样会导致反演误差。因此必须考虑不同的分辨率引起的误差。为提高反演精度，仪器原始数据需要通过重采样使空间分辨率一致。当然并不是所有参数的反演，例如大气反演，都需要严格的相同空间分辨率的不同波段亮温。其反演可能直接从测量的L1 B 亮温开始。从L1 B 数据到L2 A 数据，需要使用处理算法，都会人为引入算法误差。一般来讲，L1 数据由载荷的研制单位或生产厂家处理，因为处理过程包括地面定标和质量测试过程中的一些与仪器有关的数据。

空间分辨率重新采样的另外一个方向是空间分辨率增强[94,95]，这个算法通常在L3 及其以上数据中使用，例如降雨、海冰数据等。被动微波遥感最主要的缺点是空间分辨率较低，因为空间分辨率既依赖于天线的尺寸又依赖于频率。由于受到卫星对有效载荷体积和重量的限制，星载微波辐射计无法装配大型天线，所以星载微波辐射计的固有空间分辨率比较低，通常都在几十千米量级，限制了其在陆地、海洋和冰川等许多研究领域的应用。目前提高星载微波辐射计空间分辨率的方法可大致分为数据融合方法和基于天线方向图反演的方法。数据融合方法主要是通过引入互补观测的额外信息来提高空间分辨率[96]。基于天线方向图反演的方法是根据辐射计本身的过采样测量机制来重建更高分辨率的数据[90-93]。

将高分辨率降低至低分辨率很容易做到，但会导致小尺度信息的平滑。因此，通过增强低空间分辨率去匹配高空间分辨率是一种更好的方法。然而，在不放大噪声的前提下依靠辐射计本身观测信息不足以将低频通道空间分辨率增强至与高频通道匹配。但是如果适当放宽对噪声的限制将会获得更好的分辨率增强效果。在选择合适的采样重叠率与噪声放大策略的前提下，通过空间分辨率增强来匹配通道间的空间分辨率是可以实现的[97]。这方面的研究具有重要的应用价值，其可以通过在一定限度下的硬件提升空间采样和空间分辨率的情况下，结合软件处理技术使空间分辨率和辐射分辨率达到优化。换个角度讲，在满足一定的空间分辨率和采样的条件下，可以通过软件优化技术，实现在一定程度上空间分辨率增强，同时降低观测噪声，从而间接提高灵敏度。这为星载微波辐射计在特定区域或者特殊需求的高分辨率观测，例如近岸海洋参数、极冰、降雨等的高分辨率观测提供了一种新的技术途径。

3.3 定标与真实性检验的标准化

空间微波辐射计要实现对观测目标辐亮度或亮温的精确测量，就需要对其进行定标[4,86,98-100]。微波辐射计定标就是用辐射计系统接收微波辐射特性（辐亮度或亮温）精确已知的定标源的辐射信号，构造出系统输出信号与接收到的辐射量值之间的定量关系。因此，定标技术是微波辐射计系统研究与应用的关键技术之一，是微波辐射计系统数据定量化应用的基础，是获得高质量数据的依据和保障[18,86]。

图16 给出了微波辐射计定标的总流程，为了对辐射计进行完全定标，包括以下四个部分。

图16 星载微波辐射计定标总流程Fig. 16 Overall flow chart of calibration of spaceborne microwave radiometer

第一部分是数据质量控制。包括对辐射计在正常范围的输出的评估（例如热源和冷空温度及其输出的读数的均匀性和稳定性）、像元场景干扰（例如RFI）分析和判别，以及接收机的工作状态（例如辐射计射频和中频传输路径的温度稳定性）的分析等。

第二部分是发射前定标。发射前定标在实验室进行，利用准确已知的辐射源在可控条件下进行。在发射前对所有仪器状态和压力因素进行测试是非常重要的，因为其是在辐射计暴露到严苛的轨道环境之前对仪器特性准确建模的唯一手段。发射前定标主要目的是通过模拟微波辐射计在轨运行环境来评价其性能，建立系统的输出电压与已知输入辐射量的关系，并获得在轨定标所需的不同工作温度下的非线性系数[85,86,101]。发射前定标需要地面定标基准作为参照，获得定标参数，同时地面定标基准也为星上定标提供参考基准。但是由于目前微波辐射基准体系尚未建立，所以图16 中地面定标基准和亮温真值都是相对值，还不能进行传递和比较。未来期望能够在规范定标技术流程和定标方法的基础上，进一步梳理和建立定标辐射基准，至少建立一个国家级的传递体系，为地面和空间被动微波遥感提供一个公共的、但不一定绝对的定标参考基准，提高空间微波辐射计的数据之间的一致性[102]。

第三部分是在轨定标。在线性定标基础上，利用发射前定标获取的非线性系数，实时修正系统非线性，从而获得准确的输出亮温。同时开展天线方向图修正和月球污染修正[98,99]。

第四部分是发射后数据的定标/检验。微波辐射计定标检验是利用外部的亮温的真值和星载微波辐射计的亮温测量值进行比较，以确定定标系数/偏差的过程。通过待定标/检验亮温数据（图16 中“卫星微波辐射计原始数据”）与一个等效真值（图17[103]中“亮温真值”）进行比较（例如利用其他卫星TB 值的交叉定标、确定TB 偏差的替代定标、利用辐射传输模型结合背景场的绝对定标（例如OMB 方法）得到的定标结果），计算亮温的偏差和精度。当发现被检验的辐射计亮温/辐亮度数据与亮温真值存在差异超过设定的门限值的时候，需要对当前辐射计的传感器定标（图17[103]中“星上定标”（天线温度定标与天线方向图定标）和定位）进行重新分析，确定误差分布特性，并进行校正，直到重新定标结果与真值具有很好的一致性。最后还需要对定标的稳定性和一致性进行评价，以生成定标后的亮温和定标的结果[100,102]。发射后定标/检验的标准流程已经由国际标准化组织（ISO）发布，流程如图17 所示[103]。图17[103]中天线温度定标是指对图16 中天线温度定标中定标源偏差和非线性偏差的在轨校正，天线方向图定标是指利用在轨的实际观测几何、亮温数据（来自模拟或者其他亮温真值）对天线方向图的影响进行校正。辅助数据包括传感器常数文件和卫星相关的辅助信息。

图17 星载微波辐射计数据定标/检验流程Fig. 17 Spaceborne microwave radiometer data calibration/validation

4 结语

空间被动微波遥感技术经过50 多年的发展，已经成为空间地球科学的重要数据来源之一。以微波辐射计的观测几何作为分类依据，从气象和海洋两大应用方向，系统总结了微波探测仪和微波成像仪技术及应用的发展，对比了中国与国外相关国家和机构的载荷性能，分析总结空间微波辐射计技术发展的趋势，对中国空间微波辐射计数据处理及其应用提出了一些思考，对卫星数据处理及规范化、数据处理算法及其流程的规范化、定标和真实性检验的标准化等方面的内容进行了深入分析，以提升中国卫星微波辐射计的质量和业务化水平，拓展数据的应用范围，产生更大的社会经济效益。

本文只针对空间地球科学应用的星载微波辐射计进行分析，其实微波辐射计的发展得益于早期的射电天文学方面的应用，由于篇幅限制不再赘述。另外由于50 多年的发展，空间载荷形式和技术特点多样，这里不能完全覆盖全部内容。主要目的是通过对国内外对地星载被动微波遥感技术及其应用发展的分析，为未来该技术在空间应用提供参考，尤其是不同类型载荷需要服务不同应用方向，在载荷的时间、空间、辐射分辨率指标上需要进行折中考虑，对于特殊需求的遥感需求，突出要重点解决的应用方向及其关键技术问题，注重数据标准化和数据的应用，推动这项微波遥感技术发挥最大应用效能。