微波遥感为什么全天候监测？被动微波遥感领域发展的新蓝图

微波遥感为什么全天候监测？被动微波遥感领域发展的新蓝图图5 采用双模式方案的静止轨道大气探测仪卫星构图GIMS第1代样机的成功研制强有力地支持了干涉式综合孔径成像体制在静止轨道大气探测领域的应用，坚定了中国科研人员对GIMS 概念的信心。“十二五”期间，该中心基于GIMS概念进一步提出了的双模式成像系统的概念，将综合孔径和真实孔径两种体制技术优势相结合，在低频段沿用GIMS圆环阵综合孔径方案，在高频段采用传统真实孔径方案（其卫星构图如图5）。基于GIMS的双模式大气探测仪方案继续获得了科技部“863计划”“十二五”专题项目的支持。中国地处东亚季风区，国土辽阔，是气象灾害频发国之一，因此对发展静止轨道微波气象卫星有强烈需求，开展了静止轨道微波探测的规划和论证，并在中国气象卫星发展规划中明确列出了在风云四号卫星平台上搭载微波成像仪的发展方向，即发展静止轨道微波星FY-4M的规划。发展静止轨道微波探测卫星成为目前世界航天大国竞相追逐的战略制高点。在

日前，“中欧静止轨道毫米波大气探测仪样机”研制成功，并在北京顺利通过了测试验收。该样机（图1）由两套综合孔径微波辐射计系统构成：其中一套为大气温度探测仪，工作在50~56 GHz氧气吸收频段，是在科技部“863计划”和中国科学院重点方向性项目的支持下，由中国科学院国家空间科学中心负责研制；另一套为大气湿度探测仪，工作在183 GHz水汽吸收频段，是在欧洲空间局空间科学与技术研究中心（ESTEC）预研项目的支持下，由瑞典Omnisys公司负责研制。两套系统在中国科学院国家空间科学中心完成系统的集成和测试。经过现场测试，两套系统的空间分辨率都达到或超过了指标要求，从静止轨道高度（36000 km）上观测时可达到优于50 km的地面分辨率。

图2 美国GeoSTAR 第1 代（左）和第2 代（右）地面样机

图3 欧洲GAS 第1 代（左）和第2 代（右）地面样机

中国在静止轨道微波探测领域的探索

中国地处东亚季风区，国土辽阔，是气象灾害频发国之一，因此对发展静止轨道微波气象卫星有强烈需求，开展了静止轨道微波探测的规划和论证，并在中国气象卫星发展规划中明确列出了在风云四号卫星平台上搭载微波成像仪的发展方向，即发展静止轨道微波星FY-4M的规划。发展静止轨道微波探测卫星成为目前世界航天大国竞相追逐的战略制高点。

在重大需求的牵引下，中国科学院国家空间科学中心发挥其在微波遥感领域的技术优势，针对静止轨道大气探测需求提出了具有自己特色的GIMS概念。GIMS概念采用了一种新型的、具有自主知识产权的圆环稀疏天线阵列，其在成像效率、系统定标以及风险成本方面均具有明显优势。“十一五”期间，在“863计划”对地观测领域重点项目的支持下，该中心完成了关键技术攻关，成功研制出第1代GIMS功能样机（图4），经过测试各项指标均达到了设计要求，取得了很好的成像效果，成为当时本领域的亮点成果之一。

图4 GIMS 第1 代功能样机及其对建筑的成像结果

GIMS第1代样机的成功研制强有力地支持了干涉式综合孔径成像体制在静止轨道大气探测领域的应用，坚定了中国科研人员对GIMS 概念的信心。“十二五”期间，该中心基于GIMS概念进一步提出了的双模式成像系统的概念，将综合孔径和真实孔径两种体制技术优势相结合，在低频段沿用GIMS圆环阵综合孔径方案，在高频段采用传统真实孔径方案（其卫星构图如图5）。基于GIMS的双模式大气探测仪方案继续获得了科技部“863计划”“十二五”专题项目的支持。

图5 采用双模式方案的静止轨道大气探测仪卫星构图

中欧合作开展新一代样机研制

GIMS第1代样机的成果受到了国际本领域的高度关注。欧洲空间局对GIMS概念产生了浓厚兴趣，积极表达了希望在静止轨道微波遥感领域与中国开展合作的意愿。国家空间科学中心在立足自主研发的前提下，也希望加强与国际一流研究机构的交流与合作，以夯实自身技术基础，实现优势互补，加快推进本领域的技术发展。

在此背景下，中欧双方就合作研发静止轨道毫米波大气探测技术很快达成了一致。根据合作协议，中欧双方遵循信息公开、技术透明的原则，以中国的GIMS概念为框架基础，联合开展静止轨道大气探测星载系统方案设计并分别独立开展地面样机研制。双方充分发挥各自的技术优势，中方继续推进GIMS技术，按照实际卫星载荷的指标要求研制工作在50~60 GHz 的GIMS全尺度样机；欧方则根据GIMS样机的结构特征和工作模式，研制一套与GIMS样机完全兼容的、工作在183 GHz的功能样机；最终中欧双方共同完成两个样机系统的集成及测试，并全面评估其对星载系统方案的技术支撑作用，为未来潜在的中欧卫星合作计划提供技术基础。

以中欧合作为契机，“十三五”期间，该中心在科技部863计划对地观测专题项目、中国科学院重点方向性项目和国际合作项目的联合支持下，再接再厉，以满足更高应用需求为目标，严格按照卫星系统的设计要求，采用了小型化、轻量化、高集成度的新型设计思路，突破了一系列载荷关键技术，成功研制出第2代全尺度、全功能GIMS地面样机（图6）。该样机是世界上第1台静止轨道毫米波大气探测仪全尺度样机，也是世界上迄今为止此波段分辨率最高的微波辐射计。经过一系列的严格测试和外场实验，获得了一批高质量、高清晰度的地物目标毫米波辐射图像（图7）。

图6 GIMS 第2 代全尺度地面模型样机

图7 GIMS 第2 代全尺度样机的成像结果（左侧：光学照片右侧：毫米波图像）

GIMS第2代样机的研制成功意味着中国在综合孔径微波辐射计技术领域已经达到了世界领先水平。这项新技术的诞生既丰富了综合孔径微波辐射计的种类，同时也将微波辐射计的探测能力提高到一个新的高度，这不仅带动了微波辐射计技术的进步，也将促进微波辐射计开辟新的应用领域，从而推动整个被动微波遥感领域的发展。

此次中欧合作开展静止轨道大气探测样机研制是中欧双方在对地观测领域围绕新体制毫米波大气探测技术开展的首次实质性合作，也是中欧双方首次围绕我方重大卫星计划开展的新体制载荷联合技术攻关。这次联合研制的“静止轨道毫米波大气探测仪样机”为未来中国静止轨道气象卫星开展微波成像探测提供了一条新的技术路线，同时也为中国乃至欧洲领跑国际气象卫星发展，实施新一代静止轨道气象卫星奠定了坚实的技术基础。

展 望

目前国际上静止轨道微波大气探测领域还是一片空白，中国虽然起步较晚，但经过不懈努力目前已经走在了世界前列，具有自己特色和优势的GIMS概念可以为多条技术路线提供实施空间。以GIMS为基础的静止轨道大气探测技术目前已经达到转入卫星工程型号任务的技术状态，一旦立项，则可以在短时间内完成卫星载荷的研制，并有望在“十四五”期间随中国新一代静止轨道微波气象卫星FY-4M发射上天，在国际上率先实现对大气温度、湿度和降水分布的实时三维成像观测。届时，中国对台风、强降雨等灾害性天气的监测和预报能力将得到大幅提升，同时中国作为一个气象卫星大国将为世界气象研究以及大气物理研究做出重要贡献。（责任编辑 王丽娜）

参考文献（略）

作者简介：吴季，中国科学院国家空间科学中心，研究员，研究方向微波遥感技术、空间探测技术及空间科学与技术发展政策。

注：本文发表于《科技导报》2018年第4期，敬请关注。