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神舟四号“多模态微波365体育: 遥感器”成功发射十年回顾
时间:2019-05-31 15:23

神舟四号“多模态微波遥感器”成功发射十年回顾 时间:2012-3-6 13:46:48

    2012年我们将迎来神舟四号“多模态微波遥感器”成功发射运行并开拓中国航天微波遥感十周年。在这10年中我国微波遥感取得了令人瞩目的发展,跻身国际先进行列。在我国微波遥感的发展中,中科院微波遥感重点实验室/国家863计划微波遥感技术重点实验室(简称微波遥感实验室)起到了引领作用。

    我国微波遥感发展简要回顾

    我国微波遥感发展起步于20世纪70年代。近40年来,中国微波遥感技术,特别是航天微波遥感技术得到快速发展,已成为对地观测和空间探测的重要手段。微波遥感技术及其应用已形成较完整的技术和理论体系,成为一个重要的科学技术领域。微波遥感的需求越来越广泛,它带动了一系列前沿科技领域的发展,产生了重大的社会、经济效益。

    从20世纪70年代开始,经过概念研究、地基设备研制与机载设备研制与试验,中国在2002年成功发射神舟四号多模态微波遥感系统并获得有效的在轨运行探测数据,实现了中国航天微波遥感零的突破。2006年中国遥感卫星一号成功发射和运行,随后,中国相继发射了探月卫星、风云三号、海洋二号等多种载有微波遥感器的轨道飞行器,中国已实现了包括各种主、被动探测手段的星载微波遥感全模态航天飞行,中国的微波遥感已跻身国际先进行列,在一些应用领域突显出不可替代的作用。

    从1973年开始,在姜景山院士的带领下,中科院微波遥感实验室从事微波遥感技术研究,曾参加制定我国第一个微波遥感发展规划,是我国最早开展微波遥感研究的单位之一。从20世纪80年代中期开始,实验室先后承担了国家重点科技攻关、国家863计划、载人航天计划、探月计划,气象卫星、海洋卫星等应用卫星及国家重大科研和型号任务的微波遥感技术研究和微波遥感有效载荷的研制工作,在微波遥感技术领域填补了多项空白,获得多项全国乃至国际首创的研究成果。其成果达到国际先进水平,部分成果达到国际领先水平。实验室现已具备研制所有类型微波遥感器的能力和经验,并在雷达高度计、微波散射计和微波辐射计的研究方面在国内具有明显优势。实验室具备设计和研制陆基、机载和星载各种平台微波遥感器的技术能力,频率覆盖了从米波到毫米波、亚毫米波段。微波遥感技术实验室已经成为我国微波遥感新机理、新技术、新方法研究和新型微波遥感器系统研发的主要创新基地,是我国微波遥感有效载荷设计、制造的重要基地之一,在国际微波遥感界具有一定影响。实验室在微波遥感探测机理研究和微波遥感器研制方面在国内处于领先地位,是我国目前微波遥感技术领域学科方向明确、研究水平高、研究队伍强、承担国家研究任务多的研究机构之一。

   “多模态”乘“神舟四号”遨游太空,为中国航天微波遥感打下坚实基础

    经过多年863计划的预研,1992年,姜景山院士等专家提出,在神舟四号飞船上装载多模态微波遥感器进行空间探测试验,并得到立项。多模态微波遥感器是一部对地观测微波遥感综合系统,系统包括高度模态、散射模态和辐射模态三种微波遥感工作模态,并经过集中统一控制有机组合成多种复合工作模式,为未来空间微波遥感技术进行前期工作。主要应用目标是海洋、大气兼顾陆地。

    多模态微波遥感器采用了多项当时在国内外领先的技术:散射模态采用的笔形波束圆锥扫描测量体制是姜景山院士与美国同行合作率先提出的新的测量机理;辐射模态采用的四频段共馈波纹喇叭偏置抛物面天线是国内领先的技术;高度模态基于中频仿真模型的中频信号模拟器,获得国家发明专利。在跟踪器的研制中采用的准最大似然跟踪算法是国际上高度计中先进的算法。

    微波遥感技术实验室,经过近10年的努力,多模态微波遥感器按计划于2002年12月30日由“神舟四号”飞船成功送入轨道。三个模态都获取了有效数据并由海洋局相关所和空间中心进行反演,使我国首次在卫星平台上得到了卫星到海平面高度、海洋有效波高、海面风速以及温度等信息;验证了三个模态的技术体制及多模态运行功能和辐射计、高度计、散射计各自的功能;验证了双抛物面天线扫描型风场测量机理及技术;验证了四频道共馈天线技术。

    多模态微波遥感器是我国首次进入太空的微波遥感器,它在轨实验的成功,结束了我国没有航天微波遥感的历史,大大提升了我国对地观测的能力,使我国微波遥感跻身世界的先进行列,为我国气象卫星、海洋卫星及其他微波遥感卫星的研制打下了坚实的基础。

    10年来,在姜景山院士的指导下,微波遥感技术实验室在微波遥感科技研究和空间微波遥感器研制方面取得了一系列重大进展,为我国航天微波遥感作出了重要贡献。

    微波遥感使气象探测如虎添翼

    风云三号卫星是一颗极轨气象卫星。微波湿度计是风云三号卫星中一个非常重要的有效载荷,工作在短毫米波段,可以全天时、全天候地探测全球大气湿度的垂直分布、水汽含量和降雨量等空间气象资料,在大气探测中具有重要作用。

    风云三号卫星01批微波湿度计包含两个探测频率、5个探测通道,其中频率为150GHz、183GHz,探测通道包括150GHz-V(垂直极化)、150GHz-H(水平极化),183±1GHz、183±3 GHz、183±7GHz。其中183GHz辐射计是目前国内在轨运行频率最高的微波遥感器,也达到国际上气象观测频率最高的微波遥感器。

    风云三号卫星01批A/B星分别于2008年5月和2010年11月成功发射,在轨运行获得圆满成功,提供全球、全天候大气湿度廓线,水汽含量和降雨量等空间气象资料,获取全球与台风暴雨等强对流天气现象密切相关的云雨大气参数,为数值天气预报业务和灾害性天气预警预报提供支撑。特别是在2008年,“海鸥”“凤凰”和“森拉克”等台风侵袭的过程中发挥了重大监测作用,为研究和预测及提高数值预报天气的准确性,降低国民生命和经济财产损失提供了有利依据,也为2008年北京奥运会的成功召开提供了有力的气象服务保障。

    微波湿度计实现了我国短毫米波辐射计频率的爬升,使我国气象卫星大气湿度探测与国际水平接轨。风云三号卫星01批微波湿度计在轨运行的结果表明,设备性能指标达到或部分超过国际同类设备,尤其是02星微波湿度计性能指标优于在轨运行的国际同类设备。在此之前,我国气象预报所用的大气湿度探测数据,365体育投注注册会员,主要依靠国外气象卫星的探测数据,微波湿度计填补了国内星载大气微波探测的空白,是风云三号卫星的最大亮点,提高了我国在国际气象组织中的话语权。

    在01批微波湿度计研制成功的基础上,中国气象局对其提出了更高的探测功能和性能需求,而且提出了细分探测通道的需求,设计使用寿命也由3年提高至5年。

    风云三号卫星02批微波湿度计将由原来的两个探测频率、5个探测通道,扩展为4个探测频率、15个探测通道,探测能力也由原来的单一湿度探测扩展为温湿度同步探测,从而成为一台全新的微波温湿度探测器,也将是国际上首次实现由一台微波遥感器同时实现温度和湿度探测功能。

    微波遥感助力海洋动力卫星

    2011年8月16日,中国第一颗以微波遥感为主要探测手段的海洋动力环境监测卫星“海洋二号”卫星发射升空。该卫星以“神舟四号”多模态微波遥感器体制及机理为依据,充分继承和发展“多模态”的成果,集主、被动微波遥感器于一体,装载雷达高度计、微波散射计、扫描微波辐射计和校正微波辐射计4个微波载荷,联合起来监测和调查海洋动力环境。

    海洋二号卫星是一颗海洋动力环境卫星,主要用于海面风场、海面高度、有效波高和海面温度等海洋动力环境要素的监测。海洋二号的应用载荷有:雷达高度计、微波散射计、微波辐射计和校正辐射计。微波遥感技术实验室负责研制雷达高度计、校正辐射计全系统以及微波散射计的部分设备。它的应用载荷是在多模态微波遥感器的基础上发展来的。微波散射计仍然采用笔形波束圆锥扫描测量体制,微波辐射计和校正辐射计采用全功率微波辐射计体制。

    雷达高度计在多模态单频(Ku波段)高度计的基础上,采用双频(C波段和Ku波段)工作体制矫正电离层误差;海洋二号雷达高度计还首次采用具有自主知识产权的新型海陆兼容跟踪器,实现海洋和陆地目标的连续观测;采用的铁氧体微波开关、固态功率放大器、小型化微波组件、DDS信号产生器、高速数字电路及软件等均为自行研制并首次上天使用,365体育投注,这些单项技术的成功也使得这些技术进入国际先进行列;同时采用的抗单粒子、抗辐照等可靠性设计措施获得了成功的验证。雷达高度计在20米有效波高下仪器测高精度为4厘米,在4米有效波高下的仪器测高精度达2厘米,已达到国际先进水平。雷达高度计测量数据的进一步反演结果,可以应用于海洋地球物理学、海洋动力学、海洋气候与环境监测、海冰监测等方面的研究。校正辐射计的在轨灵敏度优于0.2K,达到国际先进水平。校正辐射计对大气水汽和降水的反演结果满足用户要求。

    海洋二号雷达高度计和校正辐射计的成功,标志着我国雷达高度计已具备了在轨业务运行的能力;带动了相关单机技术和可靠性技术的发展,并为其他相关微波载荷的研制提供了成功的经验,在此技术上,也为下一代精度更高的合成孔径雷达高度计奠定了基础。

    中法海洋卫星是由中国和法国联合研制的一颗用于海洋动力环境观测的小卫星。卫星共有两个海洋遥感有效载荷,一个是法国航天中心提供的用于海洋波浪谱测量的散射计,另一个是中国提供的用于海面风场测量的散射计。它通过获取全球海浪谱、有效波高、海面风场等海洋动力参数,更好地了解、认识和掌握海洋动力过程及变化规律;可为海洋预报提供海浪谱、海面风场等多参量的初始场信息,改进海况预报及同化模型,提高对巨浪、热带风暴、风暴潮等灾害性海况预报的精度与时效;并实现海浪、海面风场两种重要的海洋参数的大面积同步监测,为海洋科学研究、全球气候变化提供实测数据和积累长时间序列历史数据。

    中科院微波遥感技术实验室负责研制用于海面风场测量的散射计。该散射计在国际上首次采用扇形波束扫描体制的微波散射计系统方案。与传统的笔形波束扫描的散射计方案相比,具有很多优点。它可以实现较宽的刈幅和固定的脉冲传播时间,以较低的扫描速度减小对平台的扰动,通过增加测量样本提高测量精度;通过扫描速度的设计,实现每个分辨像元多个方位入射角的测量,获得更好的风向反演精度;采用垂直和水平双极化观测,改善风场反演、特别是观测条带中央区域和边缘区域的风场反演精度。扇形波束扫描体制散射计方案的提出,得到中法两国科学家的肯定,是海面风场卫星遥感技术的一个重大突破,受到了国际海洋遥感界的重视。中法海洋卫星将于未来几年内发射,微波散射计作为中国研制的唯一遥感设备,将第一次与航天发达国家的遥感设备同星竞技,体现中国人在微波遥感技术领域的实力。

    “微波探月”开启微波遥感深空探测新的征程

    在中国绕月探测工程中,微波遥感实验室在国际上首次提出用微波探测技术从月球轨道上对月面进行探测的方法并已实现,姜景山院士任该项目的首席科学家。据该系统探测,我国在国际上首次获取了全月微波亮温分布数据,构建了“微波月亮”,展示人类观测月球的一个全新视角。它的提出为月球科学研究、宇宙科学研究、月球资源研究及应用、未来月球基地的建立等带来了全新的数据资源,对月球科学、行星际科学及应用方面都具有重要的意义。

    在嫦娥一号卫星微波探测仪绕月之前,国际上还没有从月球轨道对全月球进行微波探测的活动。微波可以进行次表层探测、厚度探测等研究,所获数据即月球的微波亮温数据,其经过反演,可以用来获得月壤的厚度信息、月球撞击坑及若干元素的分布状态,评估月球的氦三资源量,为国际上几个选定的着月地区、特别是中国选定的预着月候选区状况提供评价依据,对两极及永久暗区亮温异常的分析可推测水或冰存在的可能性等。嫦娥一号微波探测仪是国际上第一个月球轨道上运行的微波探测仪,是嫦娥一号有别于国际上其他探月卫星的特色之一。嫦娥一号在轨运行一年多获得大量的月球表面亮温数据,姜景山院士领导的科学小组根据这些数据创建了“微波月亮”,发表了一系列具有里程碑意义的创新成果,受到国际同行们的关注和肯定,多次应邀在国际会议上作报告,其成果《中国微波探月研究》一书已出版。

    不断开拓创新,推动我国微波遥感迈上更高台阶

    近年来, 微波遥感技术实验室开展了一系列创新性研究工作。

    实验室自1996年开始进行综合孔径辐射计的研制工作,是国内当时在该领域唯一的研究组,国际上少数几个研究组之一。实验室研制出我国第一台综合孔径辐射计,并在该技术领域一直处于国内领先水平,部分研究与国际前沿保持同步。在“九五”和“十五”期间,成功研制了两台C波段及X波段综合孔径微波辐射计系统,基本掌握了干涉式综合孔径微波成像技术的相关关键技术,其中X波段系统是当时世界上空间分辨率最高的综合孔径辐射计系统。实验室还同步开展了对高分辨综合孔径成像机理的前瞻性研究,重点开展了分时采样综合孔径辐射计技术的自主研究,以解决系统复杂度过高的问题。基于此项研究,实验室提出了地球静止轨道微波大气温度探测的系统方案,并在“十一五”863重点项目的支持下成功研制了国际上第一台全尺度地面样机,在54GHz频段实现了近6米的等效观测孔径,能够在36000公里的静止轨道上达到50公里的空间分辨率。现在综合孔径辐射计方面的部分研究已进入工程背景型号预研阶段,综合孔径辐射计技术有望在我国新一代静止轨道气象卫星、新一代海洋盐度卫星以及空间科学领域获得应用。

    实验室从1997年开始进行全极化微波辐射计的研究工作,并取得了一系列进展。完成了数字相关器和模拟相关器的样机研制,其中数字相关器带宽达到2000MHz,量化位数8比特;模拟相关器带宽达到400MHz。研制了6.8、10.7、18.7、23.8和37.0GHz全极化微波辐射计接收机;L波段数字相关和模拟相关极化辐射计。研制了国内首台实验室全极化定标原理样机,并对四个Stokes参数进行了测量和分析。实验室10多年持续开展的微波成像高度计研究也已取得了突破性进展。

    多模态微波遥感器成功发射至今已10年,实验室开展微波遥感研究近40年,走过了不平凡路程。几十年来微波遥感实验室在姜景山院士的带领下,在微波遥感研究方面取得了许多重要成果,已经成为我国航天微波遥感的主要研究基地之一。(臧雪莲 苏丹 韩红叶)

 

(来源:科技日报)