天基海表精細探測微波載荷性能分析與展望

崔新東，王 洋，郭海龍，翟宇梅，磨禮平

（1.北京應用氣象研究所，北京 100029；2.國防科技大學 氣象海洋學院，長沙 410199）

0 引言

近年來，人類利用海洋、開發(fā)海洋的需求越來越迫切，海洋科學持續(xù)受到重視。對于海洋研究和應用具有重要意義的海洋衛(wèi)星遙感不斷取得新的進展，并且正日益成為各海洋強國重點發(fā)展方向［1］。

隨著海洋科學研究的不斷深入，對于高時空分辨率觀測數(shù)據(jù)的需求越來越高，特別是能夠實現(xiàn)全球海洋觀測的衛(wèi)星數(shù)據(jù)［2-5］。目前在軌的氣象海洋衛(wèi)星能夠實現(xiàn)對海表溫度、海表高度和海表鹽度等多要素的有效探測，其中單星全球海表溫度時空分辨率可實現(xiàn)～0.5 d（紅外）和～1 d（微波）、～1 km（紅外）和～50 km（微波）［2］，海表高度可實現(xiàn)3～10 d、100～150 km［3，6-7］，海表鹽度可實現(xiàn)3～8 d、40～150 km［5，8］。通過多星協(xié)同觀測，可進一步提高全球覆蓋時間分辨率，并減小無效或缺測數(shù)據(jù)造成的全球區(qū)域占比［8-10］。但是多星組網(wǎng)也存在數(shù)據(jù)基準不一致［11-13］、空間分辨率難以有效提高［8］等問題。

針對上述情況，目前歐美均已開展新一代星載海洋探測任務/載荷論證工作，重點在于提高空間分辨率和觀測幅寬（相應提高時間分辨率），并對探測精度提出了更高的要求。其中歐洲主要開展用于海表溫度和鹽度探測的哥白尼成像微波輻射計（Copernicus Imaging Microwave Radiometer，CIMR）、土壤濕度和海洋鹽度后續(xù)應用任務（Soil Moisture and Ocean Salinity Operational Follow-on Mission，SMOSops）和高分辨率土壤濕度和海洋鹽度任務（Soil Moisture and Ocean Salinity High Resolution，SMOS-HR）論證［14-15］，美國主要開展用于寬幅海表高度測量的地表水與海洋地形衛(wèi)星（Surface Water and Ocean Topography，SWOT）論證及研制［16］。

盡管各國在高時空分辨率星載探測載荷研究方面已經(jīng)進行了大量的工作，但是基于海表要素物理約束的高時空分辨率星載微波載荷探測性能分析研究較少。因此，本文首先分析現(xiàn)有星載海表要素微波探測載荷發(fā)展現(xiàn)狀；其次，通過分析海表溫度、高度和鹽度時空變化特性，提出高時空分辨率星載微波探測載荷性能需求；再次，針對美國和歐洲相關衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展計劃，分析了高時空分辨率、高精度星載微波探測載荷可實現(xiàn)性；最后，針對星載載荷探測性能提升提出發(fā)展建議。

1 星載海表要素探測載荷現(xiàn)狀

1.1 海表溫度探測載荷

目前在軌運行的海表溫度探測載荷（包含6.9 GHz 波段［17］）主要有先進微波掃描輻射儀（AMSR 2）［18］、全極化微波輻射計（WindSat）［19］和微波輻射計（RM）［20］。AMSR 2 搭載在COM-W1（Global Change Observation Mission-Water/Wind）衛(wèi)星于2012 年5 月發(fā)射升空，相較于上一代AMSRE（Advanced MicroWave Scanning Radiometer-EOS）載荷，天線主反射面由1.6 m 增為2 m，用于提高載荷空間分辨率。AMSR 2 能夠提供全球每天～50 km 分辨率的海表溫度數(shù)據(jù)，其海表溫度反演精度～0.6 K［21］。WindSat搭載在Coriolis衛(wèi)星于2003年1 月6 日發(fā)射升空，由于其能夠探測多通道全極化輻射信息，因此不僅可以探測海表溫度和風速，還可以獲取海表風向信息；其海表溫度反演精度～0.9 K［22］。RM 為中國海洋二號衛(wèi)星（HY-2）搭載的微波輻射計，主要用于獲取海表溫度、海表風速等參數(shù)，海表溫度反演精度～1 K（國家衛(wèi)星海洋應用中心官網(wǎng)http：//www.nsoas.org.cn/）。為滿足重訪周期（～1 d）、空間分辨率（50～100 km）和靈敏度（0.3～0.6 K）的要求，上述載荷均采用圓錐掃描體制。表1～3 分別為AMSR 2、WindSat、RM 性能參數(shù)。

表1 AMSR 2 性能參數(shù)Tab.1 Performance parameters of the AMSR 2

表2 WindSat 全極化微波輻射計性能指標Tab.2 Performance indices of the WindSat full-polarized microwave radiometer

表3 微波輻射計（RM）性能指標Tab.3 Performance indices of the microwave radiometer（RM）

1.2 海表高度探測載荷

目前在軌運行的海表高度計衛(wèi)星主要有Jason-2/3，Crysat-2，HY-2B/2C/2D，Saral，Sentinel-3A/3B，Jason-CS/Sentinel-6。Jason-2/3 為TOPEX/Poseidon 和Jason-1 的后繼衛(wèi)星，重訪周期約為10 d，搭載的Poseidon-3/3B 高度計測高精度分別為～5 cm、～2 cm［23］。Cryosat-2 衛(wèi)星搭載的SIRAL高度計是歐空局（ESA）采用干涉技術和合成孔徑技術的新型雷達高度計，水平分辨率和垂直精度分別為250 m 和2.6 cm［24］，衛(wèi)星軌道傾角為92°，可有效探測極地區(qū)域，其測高精度～5 cm［23］。HY-2B/2C/2D 為中國海洋動力環(huán)境衛(wèi)星，采用不同軌道高度和軌道傾角的3 顆衛(wèi)星組網(wǎng)，可以實現(xiàn)全球海表高度的有效探測，搭載的高度計測高精度～5 cm（國家衛(wèi)星海洋應用中心官網(wǎng)http：//www.nsoas.org.cn/）。Saral 衛(wèi)星為法國和印度聯(lián)合研制，搭載的AltiKa 高度計采用Ka 波段，可以提高垂直和水平 分辨 率［25］，其測高精度～5 cm［23］。Sentinel-3A/3B 為歐洲研制用于地球監(jiān)測和海洋學研究衛(wèi)星，其搭載的合成孔徑雷達高度計（SRAL）采用雙頻體制（Ku 和C 波段）［26］，測高精度分別為～5 cm、～2 cm［23］。Jason-CS/Sentinel-6 為美國和歐洲聯(lián)合研制衛(wèi)星，用于提供與之前Jason 衛(wèi)星探測數(shù)據(jù)質量相當或更優(yōu)的海表高度數(shù)據(jù)。為滿足高精度海表測高（2～5 cm）要求，上述載荷均采用底視高度計，使得探測數(shù)據(jù)在交軌方向空間間隔較大、重訪周期較長。表4 為目前在軌雷達高度計衛(wèi)星性能指標。

表4 雷達高度計衛(wèi)星性能指標Tab.4 Performance indices of the radar altimeter satellite

1.3 海表鹽度探測載荷

目前在軌運行的海表鹽度衛(wèi)星（采用L 波段［17］）主要有土壤濕度和海洋鹽度衛(wèi)星（SMOS）、土壤濕度主被動探測衛(wèi)星（SMAP）。SMOS 衛(wèi)星由歐洲研制，其海表鹽度探測載荷MIRAS 為全球首臺二維綜合孔徑微波輻射計；衛(wèi)星重訪周期為3 d、空間分辨率為40 km［27］，開闊洋面（南北緯40°）海表鹽度反演精度～0.2 psu@1 月［28］。SMAP 衛(wèi)星由美國研制，可對海表鹽度進行探測；衛(wèi)星搭載L 波段輻射計和散射計各一臺，可實現(xiàn)1 000 km 觀測刈幅、40 km 分辨率和1 K 靈敏度，中低緯度寬闊海域月平均反演誤差～0.2 psu［28］。為滿足重訪周期（2～3 d）、空間分辨率（～40 km）和靈敏度（1～2 K）要求，SMOS 衛(wèi)星、SMAP 衛(wèi)星分別采用帶有大口徑天線的綜合孔徑體制和圓錐掃描體制，但是相應的帶來了指標可實現(xiàn)性（SMOS 衛(wèi)星）和大口徑天線旋轉掃描（SMAP 衛(wèi) 星）［17］等難題。表5 為SMOS 和SMAP性能參數(shù)。

表5 SMOS 和SMAP 微波輻射計性能參數(shù)［29-30］Tab.5 Microwave radiometer performance parameters of the SMOS and SMAP［29-30］

2 海表溫度、高度和鹽度高時空變化特性

由于海洋是隨時空不斷變化的系統(tǒng)，不同時空尺度其變化特征顯著不同［1，7，23］。隨著人類對海洋研究和應用的不斷深入，現(xiàn)有長時間間隔、粗空間分辨率的探測產(chǎn)品已經(jīng)難以滿足相應需求，迫切需要獲取高時空分辨率海洋要素探測產(chǎn)品，用以研究三維（平面+時間）空間內高時空分辨率相鄰觀測像元間定量變化［23］。而為使探測性能有效滿足應用需求，必須對海洋要素時空變化特性進行分析，從而為載荷探測性能的確定提供支撐。

2.1 海表溫度

海表溫度作為海洋重要要素，在全球海洋研究和應用領域發(fā)揮著重要的作用。目前星載微波海表溫度探測空間分辨率<100 km、時間分辨率<24 h，未來其空間分辨率將達到～10 km［31］、時間分辨率達到～6 h［32］，時空變化對應著小時級和亞中尺度范圍。

海洋中尺度范圍內主要包括海洋鋒面、海洋內波、中尺度渦等現(xiàn)象，對于海表溫度變化最顯著的是海洋鋒面［33］。海洋鋒面是兩個水團的分界面，鋒面區(qū)域的水文要素（如溫度、鹽度）具有較大的水平梯 度［33］，其海表溫度梯度判斷標準>3 ℃/100 km［34-35］。對于平靜海表，其海表溫度梯度判斷標準～1 ℃/100 km［36］。海表溫度受太陽輻射和海表風速等多種因素影響，每日會存在近周期性變化，海表日增溫于早上～8 點開始、下午～3 點時達到峰值［37-38］，日變化平均幅度0.2～0.6 ℃［37，39-40］。因此對于探測小時級、亞中尺度海表溫度的載荷需要具 備0.1～0.3 ℃/10 km、0.1～0.3 ℃/6 h 的探測能力。

2.2 海表高度

海表高度變化能夠表征海洋動力過程，對于海洋物質輸送和能量傳遞具有重要作用。通過衛(wèi)星高度計和浮標等多種探測手段，對于大尺度（>100 km）海表高度變化已經(jīng)有了相對清晰的認知［41］，但受限于觀測手段及能力，對于亞中尺度（10～100 km）海表高度變化還知之甚少［23］。目前，星載海表高度探測空間分辨率為100～150 km［7］、時間分辨率10～30 d［7］，未來其空間分辨率將達到～10 km［23］、時間分辨率達 到～7 d［1，23］，時空變化對應著單周級和亞中尺度范圍。

針對海洋中尺度范圍，目前海表高度探測產(chǎn)品主要用于對中尺度渦等海洋動力過程進行研究［7，23，43］，通過采用新型探測體制［1，23］將實現(xiàn)對亞中尺度渦的有效探測［42］。對于中尺度渦（半徑O為100 km）平均振幅、半徑、生命周期分別為8 cm、90 km 和32 周［44］，對于亞中尺度渦（半徑O為10 km）其振幅比中尺度渦小2.5 倍［44］，其平均振幅、半徑、生命周期分別 為～3 cm、～40 km［44］和～2 周［1，23］。因此，對于探測單周、亞中尺度海表高度的載荷需要具備～1 cm/10 km、～1.5 cm/1 周的探測能力。

2.3 海表鹽度

海表鹽度作為海洋物理化學關鍵變量，對于全球海洋循環(huán)和氣候變化發(fā)揮著關鍵作用［45］。通過衛(wèi)星鹽度計（SMOS、SMAP）和浮標等多種探測手段，能夠獲取～100 km、月平均尺度海表鹽度［46］，但受限于工程可實現(xiàn)性及探測靈敏度，還無法獲取月平均、中尺度（～50 km）的海表鹽度有效值（0.1～0.2 psu）［46-47］。目前星載海表鹽度單次探測空間分辨率為40～100 km、時間分辨率2～3 d［46］，可提供～100 km、～1 月、～0.2 psu 海面鹽度產(chǎn)品；未來其空間分辨率可達到～50 km、時間分辨率達到～1 d［48］，從而提供～50 km、～1 月、≤0.2 psu 海面鹽度產(chǎn)品，時空變化對應著單月和中尺度范圍。

目前海表鹽度探測產(chǎn)品主要用于大尺度海洋擾動和中尺度海洋現(xiàn)象（中尺度渦、海洋鋒面）研究［49-56］。針對大尺度海洋擾動現(xiàn)有衛(wèi)星能夠有效探測，但是對于海洋中尺度現(xiàn)象其時間和空間分辨率還有待提高。中尺度渦變化幅度為0.01～0.1 psu/100 km［52-53］，平均變化0.03～0.05 psu/100 km［53］。海洋緯向鹽度梯度要比徑向梯度小一個數(shù)量級［54］，熱帶海域海洋鋒面最大水平梯度為～0.5 psu/100 km，并且隨季節(jié)變化，平均水平梯度為0.1～0.2 psu/100 km［55-56］。因此對于探測探測單月、中尺度海表鹽度的載荷需要具備0.015～0.1 psu/50 km、0.03～0.2 psu/1 月（中尺度渦、海洋鋒面生命周期大于1月［52-53，55-56］）的探測能力。

3 高時空分辨率星載微波載荷可實現(xiàn)性

海表溫度、海表高度和海表鹽度時空變化特性對于星載載荷探測性能有著明確的需求，考慮到上述要素探測所需的高時空分辨率和高精度特點，而在軌衛(wèi)星和載荷均難以滿足上述需求，因此需要針對上述指標的可實現(xiàn)性進行深入的分析。

3.1 海表溫度

針對未來海表溫度和鹽度對高時空分辨率和高靈敏度探測需求，歐洲提出了哥白尼成像微波輻射計（CIMR），采用雙星組網(wǎng)，計劃于2027 年以后發(fā)射升空。通過采用7 m 拋物面天線圓錐掃描并結合多頻饋源陣列體制，CIMR 將實現(xiàn)～12 h 全球覆蓋，并具備寬刈幅、高時空分辨率、高精度海表溫度和鹽度探測能力［57］。對海表溫度，可實現(xiàn)≤0.2 K/15 km、≤0.2 K/12 h，后續(xù)通過對雙星軌道進行設置，可進一步實現(xiàn)≤0.2 K/6 h；對于海表鹽度，可實現(xiàn)≤0.2 psu/40 km、≤0.2 psu/1 月。CIMR 的具體性能指標見表6。

3.2 海表高度

針對未來海表高度對高時空分辨率和高靈敏度探測需求，美國航空航天局（NASA）和法國航天局（CNES）聯(lián)合提出了地表水與海洋地形衛(wèi)星（Surface Water And Ocean Topography，SWOT）［16，58］，于2022 年發(fā)射升空，實現(xiàn)～8 d 全球覆蓋［1］。SWOT 衛(wèi)星搭載新型Ka 波段干涉成像高度計，通過采用長基線干涉測量體制，可實現(xiàn)120 km觀測幅寬、15 km 空間分辨率和1.168 cm 海面高度測量誤差［58］，對海表高度具備～1.168 cm/15 km、～1.168 cm/8 d 的探測能力。SWOT 的具體性能指標見表7。

表7 SWOT 衛(wèi)星性能指標［1，58］Tab.7 Performance indices of the SWOT satellite［1，58］

3.3 海表鹽度

針對未來海表鹽度對高時空分辨率和高靈敏度探測需求，CNES 提出了SMOS 后續(xù)業(yè)務應用任務（SMOSOps-H），通過采用六邊形陣列的二維綜合孔徑體制，進一步提高了時空分辨率［15，17］；在保證探測精度和觀測幅寬不降的條件下，空間分辨率由40 km 提高到33 km。為有效探測中尺度現(xiàn)象和近岸鹽度，近期又提出高分辨率SMOS 任務（SMOSHR），通過采用不同陣列形式的綜合孔徑體制，將分辨率提高到10 km［59］。目前SMOS-HR 還處于概念驗證階段（Phase 0），預期發(fā)射時間在2027 年以后；根據(jù)現(xiàn)有載荷性能參數(shù)，其海表鹽度產(chǎn)品預期精度為≤0.2 psu/10 km、≤0.2 psu/1 月。SMOSOps-H 和SMOS-HR 的具體性能指標見表8。

表8 SMOSOps-H 和SMOS-HR 性能參數(shù)［15，59］Tab.8 Performance parameters of the SMOSOps-H and SMOS-HR ［15，59］

4 未來發(fā)展趨勢

美國利用其航天整體技術優(yōu)勢，并結合其他國家元器件/單機等技術優(yōu)勢，分別與日本合作探測海面溫度（AMSR 2）、與歐洲合作探測海面高度（Jason-CS/Sentinel-6 等）；利用其大天線制造優(yōu)勢獨立對高時空分辨率海面鹽度（SMAP）進行探測；利用其長基線天線制造優(yōu)勢聯(lián)合法國對寬幅海面高度（SWOT）進行探測。日本利用元器件/單機技術優(yōu)勢，重點開展海面溫度探測（AMSR 2 等）。歐洲利用探測體制、應用處理、載荷技術優(yōu)勢，重點發(fā)展高空間分辨率海面高度（Cryosat-2 等）和高時空分辨率海面鹽度（SMOS）探測能力，并論證高精度、高時空分辨率海面溫度探測載荷（CIMR）。

目前正在論證的CIMR 衛(wèi)星系統(tǒng)和已發(fā)射的SWOT 衛(wèi)星系統(tǒng)基本可以滿足海表溫度和海表高度對高時空分辨率、高探測精度的要求。對于海表鹽度，正在論證的SMOS-HR 衛(wèi)星系統(tǒng)可獲取高時空分辨率探測資料，盡管采用空間平均的方式（由10 km 降至50 km）可以減小隨機誤差（～2 倍），但仍難以滿足海洋中尺度現(xiàn)象對海洋鹽度高精度探測需求（0.015～0.1 psu/50 km、0.03～0.2 psu/1 月）。

為滿足觀測幅寬、空間分辨率和探測精度要求，海表溫度和海表鹽度探測載荷（6.9、1.4 GHz）需采用大口徑天線，海表高度探測載荷需采用長基線，這使得載荷重量、功耗較大。為滿足載荷探測使用需求、經(jīng)費約束和可靠性要求，采用搭載單一主載荷的中型衛(wèi)星平臺成為合理選擇［57-60］。

針對海表溫度和海表鹽度，采用圓錐掃描（CIMR）可以較好的滿足觀測幅寬、空間分辨率和探測精度需求，但是受限于大口徑天線制造及其旋轉所帶來的工程難度，圓錐掃描很難進一步提高空間分辨率［57］。為克服大口徑天線所帶來的工程難度并進一步提高空間分辨率，海表鹽度探測（需要更低探測頻段、更大的天線口徑）采用二維綜合孔徑體制（SMOS-HR），可以大幅提高空間分辨率，受限于多種誤差對綜合孔徑體制探測性能的影響，其觀測幅寬和探測精度難以顯著提高［27，59］。為提高探測精度，還可以采用實孔徑多饋源推掃體制，但該體制需要大口徑天線和大量饋源，并且難以有效提高觀測幅寬和空間分辨率［17，61］。綜合分析，對于海表溫度和海表鹽度探測，圓錐掃描最為成熟，仍然是主要探測方式；綜合孔徑需提高探測精度，可作為低頻微波探測的重要方式［62］、推掃體制需提升觀測幅寬和分辨率，可作為高精度探測的補充方式。

針對海表高度，采用長基線干涉測量體制高度計（SWOT）可滿足高時空分辨率，但是其探測精度還未得到充分驗證。未來5～10 年內，傳統(tǒng)底視高度計仍然會持續(xù)發(fā)展，干涉體制高度計將作為新的、重要的海表高度探測方式。

5 意見與建議

針對美國和歐洲等海洋探測強國提出的新型探測衛(wèi)星計劃，為滿足高時空分辨率、高靈敏度海洋探測需求，建議應關注以下幾點：

1）優(yōu)先提高元器件至單機設備性能（靈敏度）、降低儀器噪聲；對于短期內元器件或單機性能難以顯著提升的載荷，可以采用不同體制（如推掃體制）實現(xiàn)海表要素的高精度探測；對于單次測量精度難以滿足應用需求的要素（如海表鹽度），可采用時空平均的方式提高精度。

2）基于衛(wèi)星系統(tǒng)總體要求、載荷觀測性能和資源保障能力，提高時間分辨率應優(yōu)先選擇增大載荷觀測幅寬，并結合多星編隊飛行的方式；提高空間分辨率應優(yōu)先選擇提高探測載荷性能，并結合降低衛(wèi)星平臺軌道高度的方式。

3）受限于海表溫度和海表鹽度探測波段，獲取高空間分辨率探測數(shù)據(jù)需采用大口徑天線。目前高型面精度大口徑天線研制、生產(chǎn)還需技術攻關，因此必須提前謀劃，提高天線研制能力［63］，結合衛(wèi)星系統(tǒng)整體設計，改善大口徑天線旋轉（觀測/定標）對整星的影響。

4）對于海表高度寬刈幅探測需求，采用干涉測量體制需要安裝較長的基線（SWOT 采用10 m 基線），所需基線需要提前開展輕量化（系統(tǒng)重量要求）、穩(wěn)定性（天線探測要求）、低伸縮性（干涉體制要求）和可折疊性（整星包絡要求）技術攻關。

6 結束語

發(fā)展高時空分辨率海洋微波觀測載荷，能夠實現(xiàn)全天時、全天候觀測，為海洋研究和應用提供新的支撐和保障，對于構建海洋強國具有重要的意義?；诤Ｑ蟮亩嘧冃院蛷碗s性特點，未來的天基微波探測載荷需要具備高時空分辨率、高靈敏度。針對上述要求，本文重點開展（亞）中尺度、快時變的海表溫度、高度和鹽度變化特征分析，并與美國和歐洲規(guī)劃的天基探測衛(wèi)星（載荷）性能進行對比，總結了天基微波載荷未來發(fā)展趨勢，提出相應的意見建議。上述研究將為我國開展相關衛(wèi)星系統(tǒng)論證和建設提供重要的借鑒、指導，對于拓展我國海洋利益和國家安全具有重要的意義。