空间微波辐射基准传递溯源展望*

何杰颖 董晓龙 卢乃锰

1（中国科学院国家空间科学中心 北京 100190）

2（中国科学院大学 北京 100049）

3（国家卫星气象中心 北京 100081）

0 引言

过去30 年间，地球气候系统以每10 年0.17 K的变率在变暖[1]。利用星载微波遥感信息证实，1987—2006 年10 年间，地球大气系统对流层整层温度变率达到0.08 K[2]，此结果引起对星载微波历史资料的高度关注。针对气候变化过程存在的复杂性，研究地气系统辐射收支过程需要长期连续和全球覆盖的卫星遥感观测数据。同时，中国气象灾害频发，天气系统复杂多变，降水天气系统有明显的地理、气候特征，短时间内可造成致灾性强降水，其空间覆盖范围能从几公里延伸到几百公里，生命期从几分钟维持到十几小时，气象专家和学者在传统观测的基础上，越来越多地依赖卫星观测资料。

卫星微波遥感是获取全球变化与人类活动影响、极端天气过程等重大科学问题的关键手段，在气候研究和天气预报、灾害监测等重大应用领域中发挥着重要作用。星载微波遥感可实现全天时工作，且不受天气影响，具有穿透云层和雨区的能力，可获取大气三维温湿和云雨结构，实现全天候的对地观测。这些都体现了微波遥感的优势，使其在天基气象探测领域发挥着独特作用。

准确认知气候的长期变化趋势和气象的短期特征解析需要系列微波遥感载荷提供兼具高准确性、高稳定性以及高一致性的连续观测，这对单星观测精度和代际间载荷观测一致性提出了更高要求（精度优于0.3 K，一致性优于0.1 K）。下一代风云气象卫星旨在观测能力上实现质的突破，基于高精度实时观测、三维立体等新技术，部署了多个全新卫星计划，将形成由“晨昏星+上午星+下午星”组网运行的综合观测卫星和由降水测量卫星等组成的专业测量卫星，并辅以极端天气应急卫星星座等，形成全要素、高精度、高稳定性的新型低轨气象卫星体系。

针对上述重大科学和应用需求，需要实现高精度、高稳定、可溯源的空间探测能力和探测数据积累，须在提升微波遥感卫星辐射测量精度和星间观测一致性方面取得重大突破。国际上建立的“全球空间交叉定标系统”（Global Space-based Inter-Calibration System，GSICS）给用户提供高质量和可相互比较的在轨运行卫星的数据，但是仍未解决空间辐射测量基准中的高精度传递和一致性追溯等问题。因此发展和突破超高精度和稳定性的微波基准载荷，建立空间辐射测量基准是微波遥感技术发展的必然。

1 微波辐射基准传递溯源技术研究现状

中国在过去2008—2022 年的14 年间，卫星微波载荷从研制到数据辐射定标技术均取得了长足发展，风云气象卫星、海洋气象卫星均搭载了微波载荷，其观测数据有效可靠，已被多家预报业务和研究机构采用，初步实现了多星组网，在气候的长时间序列研究中发挥着重要作用。然而，当前面临的不足是多星之间数据定标精度存在差异，稳定性和一致性仍有较大改善空间。

“十三五”期间，为改善多星历史数据一致性问题，国家重点研发计划“地球观测与导航”领域批准并立项了“国产多系列遥感卫星历史资料再定标技术”项目，针对国产卫星开展“微波载荷历史数据再定标共性技术”，从卫星在轨数据重处理的角度，解决国产气象海洋卫星上装载的被动微波辐射计历史数据再定标共性模型关键技术，生成国产卫星微波载荷历史数据基础气候数据集，为地球气候系统方面的研究做出了贡献。

欧美相继提出CLARREO 和TRUTHS 计划，试图通过发射超高辐射测量精度的基准卫星，在监测气候变化的同时，标定其他遥感卫星，提升全球遥感卫星整体定标精度，但没有涵盖微波波段。中国也提出了空间辐射测量基准的概念，并开展黑体测量装置和定标链路等相关技术攻关，但针对空间微波辐射测量基准的布局及深入研究，国内国际仍属于空白。

中国科学院国家空间科学中心在北京建立了大口径地面基准源支撑基础平台，承担了科技部重点研发计划“微波黑体发射率计量标课题准装置”课题[3]（见图1），实现了6～500 GHz 的1×10-4量级低反射率测定能力，国家卫星气象中心基于星上数据不断完善综合辐射定标技术[4-6]。兰州空间技术物理研究所围绕星载定标源实现了国产化突破。北京化工大学围绕由角域有限散射测值准确推知积分反射率的关键问题开展系统性机理研究，由此建立的单双站积分反射率测定方法实现了实测闭环互验，围绕亮温传递的机理建模问题，开展了近距微波热辐射的正向建模研究，直接模拟近距内天线对目标热辐射的接收[7-11]。可见中国对被动微波遥感领域中的定标基础设施建设和基础研究备受重视，并取得了一定进展。

图1 微波黑体发射率计量标准装置及其测试曲线Fig. 1 Microwave blackbody emissivity measurement standard device and its test curve

国际标准化组织ISO 于2018 年发布了一项针对星载微波辐射计定标要求的标准，对地面定标、星上定标以及交叉验证过程进行了初步规范[12]。2019 年美国国家标准与技术研究院（NIST）联合伯尔尼大学、科罗拉多大学等开始推进微波亮温传递的IEEE标准研究[13]，其目标在于统一和记录各种微波辐射计定标程序，并定义标准化术语，溯源基本单位与常量。NIST 针对微波亮温传递基础问题开展研究，包括2011 年的定标源单站回波精确测量方法[14]，2012年的主波束效率提取方法[15]，2013 年对定标源位置因素造成亮温偏差的分析研究等[16]，2015 和2018 年，分别沿着正向采用相干性传播理论[17]和沿逆向采用射线追踪方法[18]，开展亮温传递建模（见图2[18]）。多型定标源的优化设计工作不断深入[19-21]，并在2017 年建立了亚毫米波定标源到反射面天线口径的亮温建模方法[22]，提出了任意温度分布下定标源定向亮温辐射的计算方法，之后有研究的亮温建模也遵循类似思路[23]。可见国际上已经从正、逆两个角度尝试突破亮温传递建模，标志着围绕辐射计定标技术已从局部（例如定标源）向链路（定标源到天线）进展，但是逆向亮温传递建模中用远场概念求解近场问题的矛盾还有待进一步研究并解决。

图2 NIST 2018 年报道的亮温传递建模计算场景Fig. 2 Brightness temperature transfer modeling calculation scenario reported by NIST in 2018

国内外相关机构在不断进行技术迭代和提升黑体指标，体现在黑体结构精细化程度更高，黑体的发射率不断提高，应用频率范围更宽等，同时积极推进标准化工作。2006 年NIST 提议建立美国国家微波亮温标准，旨在实现微波亮温量值的可溯源性和统一量值，提高微波遥感的定量化水平[24]。2018 年NIST联合英国TK 公司研制了2 个锥腔型标准黑体，采用双层吸波涂层，频率覆盖18～220 GHz，发射率达到0.9995 以上[25]。欧洲气象卫星组织极轨卫星（MetOP-SG）微波探测仪和冰云成像仪高温定标黑体经过吸波涂层和尖锥结构的精细化设计，具有更优异的电磁和热性能。2019 年Houtz 等[13]向IEEE 标准协会（IEEE-SA）提交了一份项目授权申请（PAR），开始有关覆盖到太赫兹频段的微波辐射计校准的程序、术语和量化标准制定。中国计量科学研究院建立并维护了数十项无线电国家基准/标准，在国际比对中，部分不确定度水平和国际一致性居于世界领先水平，“十三五”期间，建立了100 MHz～110 GHz 材料介电常数计量装置，形成了国际互认的校准与测量能力。

在微波探测器方面，制冷是需要突破的技术瓶颈。2009 年入轨的日本国际空间站亚毫米波临边探测仪（SMILES）使用斯特林制冷机和节流的复合制冷方式达到了4.5 K 的性能要求。2021 年发射的“詹姆斯韦伯太空望远镜（JWST）”，采用最新的高频脉冲管制冷机耦合节流制冷的复合制冷技术，获得了6 K 的工作温度。欧空局正在研制的Athena X 射线望远镜在4 K 温区也使用“高频脉冲管制冷机+节流制冷机”的制冷方式为绝热去磁制冷机提供预冷。鉴于空间运行的可靠性，多级脉冲管制冷机+节流制冷机已成为国际上空间4 K 温区制冷的趋势。中国虽已获得4 K 温区的制冷原理样机，但仍存在一定差距，同时发达国家对中国实行禁运政策，亟需自主掌握空间4 K 温区长寿命制冷技术。

空间辐射测量基准高精度传递需求，对卫星平台温控能力、在轨变形控制、随动稳态的机动性能、星上几何定位和数据处理等提出了更高要求。NASA下一代空间望远镜（NGST）对力热耦合控制进行探索，热设计采用外部包多层和多路轻型加热器，内部采用三层恒温控制，以保证内部温度稳定性。为减小星上扰动对载荷的影响，詹姆斯韦伯望远镜采用两级隔振系统，隔离飞轮及载荷微振动，同时采用六杆作动器实现曲率调节，将6.6 m 口径的主镜变形控制在150 nm 以内。国内上海卫星工程研究所风云四号卫星配置有微振动隔离装置，采用星敏感器和载荷共基准安装，减小热变形传递路径，通过精密控温降低外热流影响，实现星上热变形抑制。国外已陆续出现兼具高分和高敏捷的对地观测卫星，Pleiades 卫星配置4 个控制力矩陀螺，具备绕滚动、俯仰轴60°/25 s 的机动能力。WorldView-1 配置控制力矩陀螺可实现4.5°· s-1机动能力，后续WorldView-2/3 扩大了相机口径，具备3.5°· s-1机动能力。中国从事高分敏捷卫星的研制单位已具备绕滚动、俯仰轴每30 s 改变25°的机动能力。

2 空间微波辐射定标发展现状

截至目前，遥感卫星大多采用独立定标的方案，意味着每个卫星载荷均有一套用于定标的硬件系统。随着遥感卫星数量的迅速增加，这种独立定标的方案所带来的成本也在迅速上升，定标工程的综合收益不断下降。由于不同载荷定标时的气象条件、定标设备、定标方法不同等因素，观测数据的绝对值差异将更加明显，导致不同国家、同一国家不同系列以及同一系列不同卫星之间观测数据缺乏可比性。

基于稳定通用的参考源，微波遥感测量值溯源至主要物理标准，遥感仪器可以直接追溯到相同基本物理量，可以将不同仪器在不同平台、不同时间的不同测量值进行比较，也意味着可对相隔数年或数十年的卫星数据进行比较，这是研究诸如气候变化等长期现象的关键问题。

精确的辐射定标是微波遥感定量化的基础，辐射定标精度决定了遥感数据的质量及其应用领域。从定标技术角度看，受传统的遥感载荷定标系统设计以及地面辐射校正技术理论极限的制约，目前遥感卫星微波辐射定标停留在零点几K 量级，其精度难以继续提高，稳定性也因为器件水平受平台环境的影响，其变化存在不可预估性和不确定性[26]。星载被动微波遥感载荷受地面长时间放置导致响应关系微妙变化、器件性能衰退及发射过程等因素影响，基准溯源链路发生断裂，同时现有在轨辐射定标方法严重依赖地面定标参数，缺乏高精度可溯源的辐射定标基准及其链路，因此无法满足日益提高的定量化遥感的迫切需求。

目前围绕微波遥感仪器定量化所做的工作包括在地面进行定标和在轨利用地面校正目标（青海湖、敦煌、普洱等）对卫星进行辐射定标，可以说是相对独立地开展对地观测载荷的定标工作，不能溯源至国际单位制（SI）。随着卫星观测仪器种类和数量的急速增加，各种有效载荷的性能越做越精，水平越来越高，数据应用的范围也越来越广，但目前已经发射的微波载荷尚无在轨量值直接验证和溯源相关技术的应用，有效载荷无法校正自身系统的不确定性，使得其数据应用的效果未能充分发挥。

3 空间微波辐射基准传递溯源框架

目前，空间微波辐射测量没有统一参考基准，辐射溯源和基准传递的不确定性会引起观测误差，提供准确性、高稳定性以及高一致性的连续观测是亟待提升的关键问题。针对空间微波辐射探测资料在高精度、高稳定性、高一致性方面存在的观测能力不足和缺乏基准溯源链的问题，发展空间微波辐射基准及其传递的理论、方法、模型和技术具有紧迫性。

空间微波辐射基准及其传递的关键问题包括：（1）空间微波辐射基准的建立及其评价，包括微波黑体和新体制的微波辐射测量与确定；（2）高灵敏度、高精度的星载微波基准辐射计技术；（3）空间微波辐射测量全链路辐射传递及其确定；（4）星-地/星-星微波辐射基准传递、评价的模型与技术等。通过研究和解决上述关键问题，可以实现超高精度和稳定性的微波基准辐射计和星上定标基准；微波基准载荷全链路辐射传输与测量误差传递模型；辐射基准稳定测量及向各类卫星载荷的高精度匹配传递；地-星观测要素的匹配传递与多个载荷之间的辐射量值可靠性溯源；建立空间辐射基准溯源评价体系。

微波辐射基准传递溯源总体方案将涵盖微波基准样机整体方案、载荷关键技术、卫星平台约束等，分析建立各要素观测精度对微波成像基准载荷灵敏度、定标精度、长期稳定性的要求；针对高精度、高稳定、高一致性微波成像探测目标，制定微波基准成像辐射计研制总体方案。围绕高精度探测精度，基于理论分析和数值仿真开展机理研究，攻关包括低温冷光学、深低温制冷、高发射率定标黑体等在内的关键技术。研制微波基原理样机并完成系统指标测试，开展空间微波辐射基准验证和基准体系研究，具体如图3所示。

图3 微波辐射基准传递溯源框架主要研究内容Fig. 3 Framework and main contents of microwave radiation reference transfer and traceability

依据定标精度跨越式提升实现机理，围绕构建足够精确的微波辐射基准，针对亮温传递过程，构建充分和深入的机理分析模型，完成不确定度的分解推导。受限于实际各组件性能的物理局限和非理想性，需要科学结合系统性偏差评估和随机性偏差控制，合理分配高精度评估和高性能组件的技术投入，进而对基准辐射计的研制形成有效的牵引，实现定标精度的跨越式提升。

基准样机研制基于微波辐射传输理论和电磁场与微波遥感机理。大气微波辐射传输理论用于描述电磁辐射在介质中发生发射、吸收及散射过程的传输特性。通过分析大气分子和地表参数的微波辐射特性（吸收、发射和散射），仿真计算亮温对大气参数的敏感性，如雅可比矩阵计算、扰动廓线亮温差、极化差等，结合目前在轨运行的微波载荷特点，确定微波基准载荷的工作体制和系统指标参数。

高发射率定标黑体将以吸波材料表征为核心，攻克宽频、高吸收和超薄吸波材料的研制难题，建立吸波材料的宽频表征模型，为超高发射率微波定标黑体的精细化结构设计提供可靠技术参数。同时建立高精度发射率测量装置，解决黑体亮温定标关键参数的量值溯源。

针对定标精度跨越性提升的应用需求，采用经正逆对验的逆向计算方法，讨论利用近场方法讨论近场问题的原则。为提升定标黑体的亮温辐射精度，研究定标黑体在典型热边界条件下的温度梯度特性，结合其电磁吸收特性，基于复杂结构定向辐射亮温计算模型，分析亮温系统性偏差的规律，为定标链路的优化提供必要支撑。基于亮温传递理论计算方法，针对典型黑体结构和参数，实现高精度亮温传递所需的天线设计参数和位置参数规律。

以基准载荷测量的辐射量为准确辐射量，建立地-星基准传递方案及溯源技术，如图4 所示。将在轨的遥感载荷和基准载荷相联系，确定遥感载荷输出信号和辐射量之间的精确定量关系。通过构建基准辐射的内部物理传输链路刻画辐射响应和传递过程，借助微波辐射传输仿真分析开展微波基准辐射计辐射模拟研究，揭示天馈系统、频谱响应、冷源和热源辐射等因素对基准辐射定量测量不确定性的影响。

图4 微波辐射溯源传递流程Fig. 4 Flow chart of microwave radiometric benchmark transmission and traceability

微波辐射计在轨定标参数重估研究将针对不同微波载荷通道频率响应特性以及天馈系统耦合效应的差异，准确提取通道带宽、中心频点、天线等载荷个性特性参数导致的微波载荷与空间辐射基准的偏差，回溯定位被校微波载荷参数化定标方案，发展基于空间辐射基准传递亮温的定标参数重估方法。开发跨卫星、跨载荷的像元空间配准方法算法，解决微波基准辐射计与被校辐射计观测目标空间不一致问题。基于微波基准辐射计与被校辐射计光谱响应函数，利用辐射传输模式，开发光谱订正算法，解决仪器间光谱不一致问题。基于微波历史数据，提取多典型场景下微波基准辐射计与被校辐射计实测数据集，开展典型场景下星-星微波辐射基准传递，实现被校微波辐射计向微波基准辐射计的溯源传递。综合分析配准算法，正演仿真算法、载荷内部辐射传递模型和辐射定标模型等误差，构建辐射基准传递误差分析模型。

4 前沿问题与技术突破

4.1 拟解决的前沿问题

（1）超高精度和稳定性的微波基准辐射计和星上定标基准：空间微波辐射探测资料在高精度、高稳定性、高一致性方面存在的观测能力不足和缺乏基准溯源链的问题。

（2）微波基准载荷全链路辐射传输与测量误差传递模型：微波基准载荷需要设计和论证高精度可溯源的全链路微波辐射基准传递方案，针对背景辐射、系统响应、光谱特征、参考源、天线特性等因素的耦合观测误差开展敏感性分析。

（3）辐射基准稳定测量及向各类卫星载荷的高精度匹配传递：针对复杂物理环境下存在的辐射基准测量不稳定性以及向不同卫星载荷的基准传递误差。

（4）地-星观测要素的匹配传递与多个载荷之间的辐射量值可靠性溯源：基准卫星与其他遥感卫星之间的视场匹配误差和时间匹配误差依然存在，基准卫星与遥感卫星的光谱匹配偏差、空间分辨率差异等因素也都会影响辐射基准传递精度。

4.2 拟突破的颠覆性技术

目前，空间微波辐射基准传递溯源的制约主要体现在以下方面：黑体发射率测量手段及表征能力存在欠缺，无法实现黑体亮温量值的有效溯源；微波载荷系统性能不能满足基准传递要求，例如定标精度、稳定性、一致性等；基准传递溯源模型不完善，亟需发展基于天线亮温生成物理机制的跨平台观测像元空间和频谱匹配技术，微波辐射基准跨平台传递误差评估技术等。具体可从以下4 个方面进行突破。

（1）基于吸波材料的高精度定量表征，提出以电损耗机制为主（高频超宽带）、多机制协同作用（超薄强吸收）的复合型微纳米吸波材料体系，研发超高发射率微波定标黑体。基于单站反射测量精密标定方法，优化自由空间单端口校准算法，结合时域门技术抑制多径效应，提高小信号测量精度，准确提取空间误差模型参数，实现超高发射率的精确测量。

（2）突破毫米波和亚毫米波低温冷光学技术、低温电子学技术、深低温空间制冷技术等微波辐射计性能显著提升的变革性关键技术，设计并研制高精度高稳定性的微波探测和成像机制基准辐射样机。通过对复合制冷方式的研究，揭示非理想氦气工质流经节流阻力元件时的不可逆多变过程工作特性以及节流元件阻力特性对节流制冷过程的影响机理，获得级间耦合温度变化对各级制冷性能影响的变化趋势，实现不同制冷温度的梯级利用。

（3）针对微波基准辐射计定标链路形成机理，创新性地提出基于近场方法的近场亮温传递分析方法，突出系统整体性和近场性，实现实际定标链路亮传分析，突破定标链路中近场亮温传递中用远场方法分析近场过程的局限以及由此造成定标链路优化机理不清、偏差估计不准的局限，从根本上提高微波辐射定标精度。

（4）构建空间微波辐射基准传递规范。基于天基微波基准辐射计载荷设计特点，利用地球和地外目标等微波稳定目标，发展星-星微波辐射基准传递建模技术，构建空间微波辐射基准传递误差分析模型，从而形成完整的空间微波辐射基准传递规范。以在轨高精度载荷为替代仪器，借助微波辐射传输模拟技术，开展空间微波辐射基准传递应用，解决缺乏空间微波辐射基准传递流程和评价准则问题。

5 空间微波辐射基准发展规划

国家高技术研究发展计划地球观测与导航领域专家组2006 年提出了空间辐射测量基准卫星的概念。“十二五”末期，针对空间辐射基准卫星核心技术，部署了前瞻性项目“空间辐射测量基准源研制”，并在“十二五”国家863 计划和“十三五”重点研发计划持续支持空间辐射测量基准技术研究，突破了星载超高精度可见光和红外辐射源研制关键技术。

中国卫星微波遥感技术经过数十年的发展，在追赶欧美的同时，微波载荷在轨指标已经与美国和欧洲同类仪器水平相当，甚至部分领先。以风云卫星为例，已形成黎明、上午、下午三条轨道、四星组网观测，每天可以为天气预报提供6 个时次宝贵的大气探测资料，但遥感卫星高精度长期稳定观测的问题日益突出。

空间微波辐射基准将参考实施“三步走”战略，“十四五”期间将在科技部地球观测与导航专项支持下，开展微波基准源攻关、微波原理样机突破、微波辐射传递与溯源顶层方案设计及溯源验证。“十五五”期间，将实现基准卫星平台关键技术攻关、空间工程样机研制、基准传递溯源实施细则与方案优化，发射技术验证卫星。“十六五”期间发展空间微波辐射基准卫星，利用国际统一可溯源的空间微波辐射参考，实现星-星基准传递与溯源，降低微波遥感观测的不确定性，显著提升在轨遥感卫星微波辐射测量精度，让中国从微波遥感卫星大国迈向微波遥感卫星强国。

6 结语

星载微波辐射探测是关键气候变量（ECV）的关键获取手段。由于微波空间辐射测量没有统一参考基准，辐射溯源和基准传递的不确定性会引起观测误差，难以提供准确性、高稳定性以及高一致性的连续观测。因此，空间微波辐射基准方案与关键技术研究将从辐射测量的角度填补星载微波基准传递和探测高稳定、高一致性技术能力的空白，突破微波基准星定标精度和稳定性等系统级关键技术，研制国际领先水平的微波基准辐射计，建立全链路系统辐射基准传递与评价的模型和体系。

空间微波辐射基准研究符合中国重大战略需求，将形成以基准原理样机研制、空间辐射基准传递溯源、多场景评估验证的思路，带动理论完善、方法创新和技术突破，也是建立中国微波辐射亮温计量标准、树立微波辐射国际计量领域地位的重要指标之一，对提高空间对地微波遥感观测的测量精度、一致性和稳定性具有重大意义。

致谢项目专家组对本文给予了意见和建议，项目牵头单位中国科学院国家空间科学中心、课题承担单位中国计量科学研究院、上海航天测控通信研究所、国家卫星气象中心对研究内容给予了支持，所有参研单位和参研人员对本论文给予了支持。