海洋遥感微波辐射计的发展历程

1962年，美国发射的水手二号（Mariner 2）金星探测器是历史上首个搭载微波辐射计的航天器。半个世纪以来，用于遥感海面温度、风速、盐度等海气参量的微波辐射计相继发射入轨运行，主要包括：多频率扫描微波辐射计SMMR（Scanning Multi-frequency Microwave Radiometer）、专用传感器微波成像仪SSM/I（Special Sensor Microwave/Image）、高级微波扫描辐射计AMSR（Advanced Microwave Scanning Radiometer）、AMSR-E（Advanced Microwave Scanning Radiometer for EOS）和AMSR2、热带降雨测量任务微波成像仪TMI（TRMM Microwave Imager）、GMI（GPM Microwave Imager）、用于风矢量场遥感的全极化微波辐射计WindSat、我国风云三号（FY-3）系列卫星搭载的微波成像仪及海洋二号A（HY-2A）卫星搭载的微波辐射计RM，以及用于海洋盐度遥感的L波段星载盐度辐射计SMOS（Soil Moisture Ocean Salinity）和Aquarius等。

SMMR是美国Seasat-A卫星和Nimbus-7卫星搭载的微波辐射计，于1978年发射升空，工作频段覆盖6～37GHz。由于SMMR 6.6GHz通道的主波束效率较低，波束旁瓣效应导致SMMR无法反演近岸600km内的海表温度SST（Sea Surface Temperature），大大限制了SMMR数据的应用。

SSM/I和SSMIS（Special Sensor Microwave Imager Sounder）是美国国防气象卫星计划DMSP卫星所携带的星载微波辐射计系列，首星分别在1987年和2003年发射入轨。SSM/I工作频段为19～85GHz，共4个通道，SSMIS工作频段覆盖19～183GHz，共24个通道，可实现对海面风速、水汽、云液水和雨率等参量的遥感观测。由于该辐射计未搭载低频C和X工作波段，因此不能测量SST。

TMI为美国热带降雨测量计划搭载的微波成像仪，于1997年发射，2015年4月由于轨道维持的原因而停止工作。由于TMI的主要任务为热带降雨测量，因此其轨道为非太阳同步轨道，空间覆盖范围为纬度±40°，可提供SST、风速、水汽、云液水和雨率数据。

AMSR和AMSR-E为日本研制的高级微波扫描辐射计。其中AMSR搭载在ADEOS-II卫星上，于2003年4月入轨，半年后失效。AMSR-E搭载在EOS-PM（Aqua）卫星上，于2002年5月入轨，在轨运行近10年时间，于2011年10月因天线问题而停止运转。ASMR2是AMSR和AMSR-E的后继星，于2012年5月发射，2012年7月开始发布数据。AMSR系列微波辐射计工作频率覆盖6.9～89GHz，其数据产品包括SST、海冰密集度、风速、水汽、云液水、雨率、地表积雪深度和土壤湿度等，目前仍在JAXA（Japan Aerospace Exploration Agency）和RSS（Remote Sensing System）网站上业务化发布。

Windsat为美国海军实验室NRL（Naval Research Laboratory）研制的世界上第一个全极化星载微波辐射计。Windsat搭载于Coriolis卫星平台，于2003年1月发射入轨，至今仍在轨运行。Windsat的主要目的用于验证全极化微波辐射计监测海面风场的能力。Windsat工作频段为6.8～37GHz，其中10.7、18.7和37GHz为全极化频段。与双极化微波辐射计不同，Windsat利用亮温的第三/四斯托克斯分量实现海面风向信息提取。

GMI是全球降水测量GPM（Global Precipitation Measurement）卫星搭载的微波成像仪，于2014年2月发射入轨，至今在轨运行。GMI工作频段覆盖10.65～183GHz，扫描幅宽931km，数据产品包括SST、海面风速、水汽含量、云液水含量和雨率。

“风云三号”A/B/C星（FY-3A/B/C）分别于2008年5月、2010年11月和2013年9月发射，其搭载的微波成像仪工作频段覆盖10.65～89GHz，FY-3系列微波成像仪没有6.9GHz工作频段。

我国于2011年8月发射的第一颗自主海洋动力卫星HY-2A上也搭载了用于海气参量遥感的扫描微波辐射计。HY-2A扫描微波辐射计的工作频段覆盖6.6～37GHz，刈幅1600km，可实现对SST等主要海气参量的遥感观测。(www.xing528.com)

历史上及目前在轨的微波辐射计详见表4.1。

表4.1　历史上及目前在轨的微波辐射计

续表

2009年以来，ESA和NASA相继发射了星载L波段辐射计SMOS和Aquarius（见表4.2），专门用于海洋表面盐度遥感。SMOS卫星搭载了一个Y型合成孔径成像微波辐射计（Microwave Imaging Radiometer using Aperture Synthesis，MIRAS），可实现对同一海域的多角度观测，且产品的空间分辨率较高。Aquarius则同步搭载了一个L波段散射计，利用主/被动同步观测实现海表盐度信息提取。SMOS和Aquarius两颗卫星可在2～7天内覆盖全球海域，完成对全球海表盐度的监测。据NASA估计，星载盐度计在轨运行的前几个月所获得的观测数据相当于历史上所有盐度数据的总和。SMOS和Aquarius的成功发射，首次实现了从太空对海表盐度这一重要参数的监测，进一步扩展了微波辐射计在海洋遥感领域的应用范围。目前SMOS仍在轨运行，但Aquarius已于2015年6月停止工作。NASA于2015年1月发射了SMAP（Soil Moisture Active Passive）卫星，也搭载了L波段辐射计，但SMAP卫星的主要目的在于土壤湿度遥感，其用于海洋盐度遥感的能力有待进一步验证。

表4.2　SMOS和Aquarius盐度计参数

纵观星载微波辐射计半个世纪的发展历程，有以下几个重要的里程碑：SMMR多通道微波辐射计是首个用于地球观测的星载微波辐射计，其工作频段设置为后续星载微波辐射计提供了范例；AMSR-E是史上最成功的微波辐射计，其在轨时间之长、工作频段之宽、数据产品之丰富，均优于同期的微波辐射计；Windsat作为首个星载全极化微波辐射计，验证了辐射计遥感观测海面风场的能力，为星载辐射计的发展指明了方向；星载盐度计SMOS和Aquarius的成功发射，扩展了微波辐射计的应用范围。