论文总字数：22331字

目 录

1 引言 - 1 -

2 静止轨道微波大气探测的技术现状 - 1 -

3 静止轨道微波大气探测与空间分辨率 - 3 -

3.1 空间分辨率 - 4 -

3.2 影响空间分辨率的因素 - 4 -

4 真实孔径天线机制 - 7 -

5 干涉式综合孔径天线体制 - 8 -

5.1 静止轨道合成孔径探测器GeoSTAR - 9 -

5.2 静止轨道大气探测器GAS - 9 -

5.3 土壤湿度与海水盐度卫星SMOS - 10 -

6 真实孔径天线体制下的静止轨道微波大气探测亮温模拟 - 10 -

6.1 辐射传输模式VDISORT - 11 -

6.1.1 VDISORT模式流程图 - 11 -

6.1.2 VDISORT模式的输入输出 - 12 -

6.2 先进的微波探测器Suomi-NPP/ATMS通道亮温模拟 - 14 -

6.2.1 先进的微波探测器ATMS - 14 -

6.2.2 利用VDISORT模拟ATMS 各通道亮温 - 16 -

7 结语 - 17 -

参考文献 - 18 -

致 谢 - 21 -

静止轨道微波大气探测技术调研与分析

王鹏凯

，China

ABSTRACT：Compared with others geostationary orbit satellite have the advantages of detection with high temporal resolution for the same area and wide observe；and Microwave atmospheric detection technology can realize all-weather, all-day observation，the combination can complement each other.geostationary orbit microwave atmospheric sounding in internal micro physical structure of cloud detection, numerical weather forecast, typhoon thermodynamic structure analysis and forecast，and precipitation detection，all can reach the requirements. This article respectively introduce the development course and current situation of the geostationary orbit real aperture microwave detection technique and the synthetic aperture microwave detection technique. And analyze for which the technology were involved.

Key words: geostationary orbit；microwave atmospheric sounding technology；real aperture；interferometric synthetic aperture

引言

地球静止轨道微波大气探测能够提供包括温度和湿度的探测以及降水探测等气象系统的观察途径与能力[1]。地球静止轨道观测是基于不断观察地球的同一个地方在白天、黑夜等时候的天气状况而完成的，那可以是一个相当大规模的区域，甚至是一整个大陆。而相比于其他轨道气象卫星，比如：极地轨道卫星，地球同步轨道卫星的观测能提供很高的时间分辨率，因而不仅适合通常的数值天气预报,还能适用于特定的短时预报以及即时的天气预报。完整的可视地球圆面从地球同步轨道弧角17.4º,占地球表面积的42% [1]。然而,同步地球轨道的径向距离是平均径向距离800公里的低轨道的45倍,而过大的径向距离注定会使空间分辨率很难达到我们的预期。而若要将微波探测器应用在地球静止轨道卫星上，则足够高的空间分辨率等需求无疑是其不得不攻克的主要难关。

对于短时观测快速演变的气象现象，地球静止轨道微波大气探测是非常重要的，它能为对流系统、云降水等的观测提供足够高的时间分辨率。并且能够获得包括对流云降水率；云中液滴和冰的含量；大气温度和湿度资料以及大气运动矢量等等一系列的观测数据。

静止轨道微波大气探测的技术现状

从上一世纪开始，地球静止轨道微波探测器就开始了其研究与发展。从地球静止轨道的降水测量是基于O₂和H₂O水气吸收波段不同而成像的应用，因波段在不同频率受不同的水汽状态，例如液态水、冰水、液滴尺寸形状以及之后的降水的影响返回不同亮温，而后经过剖析不同亮温返回图像[2-3]。

到目前为止, 像动态垂直探空器TOVS（TIROS Operational Vertical Sounder)等红外与微波组合高分辨率测深器已经得到了充分的应用。在近40年前，1978年发射的TIROS-N上就搭载了半导体存储器；微波探测装置以及高级动态垂直探空器ATOVS(Advanced TOVS)，而在1998年5月13日发射的NOAA-15上第一次搭载高级微波探测装置AMSU-A和AMSU-B(Advanced Microwave Sounding Unit)组合。但是其仅仅搭载在极地轨道气象卫星与近地轨道气象卫星上。在2002年5月4日，美国国家航空航天局NASA(National Aeronautics and Space Administration)发射了Aqua近地轨道卫星，Aqua上搭载了两个不同的微波探测器并且集合了额外的红外探测器，这三个探测器共同构成了先进的动态探测系统[1]。该系统结合了微波探测与红外探测的优势从而可以对温度和湿度垂直分布进行几乎全天候的探测。这样的组合观测会对于尤其是在某些直接观测分布稀疏的地区的天气预报精度产生重大影响。红外探测器本身没有足够的云穿透能力，从而为满足大多数预报需求就需要应用微波探测装置来与之结合。

在1978年，美国的NASA进行了两项有关于静止轨道微波探测的研究，根据这两项研究的基本结论我们得知，静止轨道卫星进行观测需要足够精准的低噪声信号接受来获得足够的空间分辨率，而天线孔径需要足够大是制约提升空间分辨率的最大难题之一[4]。

在1984年，欧洲航天局与欧洲气象卫星组织也将同步轨道微波探测技术定为第二代气象卫星的搭载任务。而第二代气象卫星之后的研究活动则集中在未来的静止轨道微波探测上，但若想实现足够的空间分辨率则理论上需要达到3.5m的天线孔径[5-8]。而同一时期，原本应用于射电天文上天文望远镜的干涉式微波被动成像技术被引入到了对地观测[9-11]。

在1997年，美国国家海洋和大气管理局NOAA(National Oceanic and Atmospheric Administration)与NESDIS GOES（NOAA's Satellite and Information Service GOES）项目办公室“地球同步轨道微波探测器小组”被曝光于专业领域，这也导致了在1998年，地球同步轨道微波探测器GMS（Geostationary Microwave Sounder）提案被提出，GMS提案的内容正是对已于2014年发射的新一代卫星GOES-R的基于NOAA GOES平台的GMS探测理论的演示[12-13]。

在1998年，美国NASA总部发布了一份研究新的探测理念的计划地球观测三号EO-3（Earth Observing-3）任务。而后在1999年的三月份，地球同步轨道合成孔径微波探测器的概念被提出。然而在2000年，这项利用天线阵列实现的合成孔径探测器的提案并没有被通过[14-15]。

在1998年，我国的陈洪滨学者提出了有关使用110 GHz以上高频微波进行大气参量被动遥感方面的简要综述，这是在加大天线孔径与合成孔径之外的又一提高空间分辨率的方法[16]。并且在我国的下一代静止气象卫星风云四号的规划中, 亦是曾明确的提出有关于应用静止轨道微波探测技术的构想[28]。

在2000年，欧洲方面的欧洲气象卫星组织EUMETSAT（European Organization for the Exploitation of Meteorological Satellites）准备了一个新的分析报告[17]。在2002年的1月份，继GMS之后地球静止轨道微波大气探测平台GOMAS (Geostationary Observatory for Microwave Atmospheric Sounding) 被欧洲航天局ESA（European Space Agency）提交在地球探测任务的框架之中[17]。GOMAS的3到3.5米直径天线可以提供降水需求的10公里空间分辨率、水汽云液体以及冰水需求的20公里空间分辨率还有温度需求的30公里的空间分辨率。在2007 - 2009年间GOMAS演示任务被正式提出[17]。而美国的GMS和欧洲的GOMAS都是基于54GHz、118GHz以及425 GHz的氧气吸收带和183GHz、380GHz和424GHz的水汽吸收带对亮温的影响而成像的原理进行观测的。设计考虑6个频段大约总共有40个狭窄的通道可以方便的观察温度和水蒸气的全部资料。同步微波探测器GMS概念则采用2米直径的卡塞格伦反射器天线扫描的双段扫描系统。双阶段的系统包括慢速的动力补偿方位机制和快速覆盖式扫描系统提供广泛的区域天气扫描以功能。GMS最高频率搭配2米天线将提供约16公里的空间分辨率。截至2003年,GMS仍是GOE-R的候选仪器[18-20]。

在2003年，一个新的方案被美国NASA与JPL（Jet Propulsion Laboratory）中心选中，那就是静止轨道合成孔径探测器GeoSTAR (Geostationary Synthetic Thinned Aperture Radiometer)，这个项目的开发工作由戈达德太空飞行中心和密歇根大学赞助而在喷气推进实验室JPL中心进行。截止2007年，GeoSTAR概念仍未被发现根本性错误[21-22]。GeoSTAR原本是一个基于水汽映射能力来应用的大气探测器。它的运作主要集中在在两个毫米波波段。对于对流层温度探测会部分设定在50GHz左右的通道。对于水汽测量它将使用183 GHz左右的通道。除此之外，还有一个介于二者中间的90 GHz通道。同样的配置也被用于AMSU-A和AMSU-B。GeoSTAR还将使用183 GHz水汽探测通道进行降水测量。GeoSTAR的探测原理主要是基于降水的散射效应。近年来GeoSTAR 183 GHz通道探测被应用于的高空飞机。GeoSTAR项目的合成孔径技术首先进行了地面的原型机测试。GeoSTAR设计的概念基于一个二维空间干涉系统的天线和接收器组合, 大量的毫米波辐射计Y形排列组成一个等效大孔径[23]。

在2007年,GeoSTAR概念也被美国宇航局和美国国家海洋和大气管理局认为是对未来的全天候的温度湿度以及降水任务PATH (Precipitation and All-weather Temperature and Humidity) 的一个可行的选择。PATH是2007年1月美国的国家研究委员会NRC(National Research Council)发布的“十年计划”报告提议的17项任务之一。PATH的主要目标任务是一系列微波谱仪监测飓风与严重的风暴还有改进现有的模型。GeoSTAR概念是唯一能够满足PATH任务目标的传感器[23]。

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