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微波辐射计:探测海洋大气的“金手指”

—— 微波辐射计探测海洋大气金手指

行业聚焦点中国仪表网2013年12月13日 13:38人气:13440

  导读:星载微波辐射计作为一种高精度的定量微波遥感仪器,系统涉及到天线、微波通道、信号处理、扫描伺服和结构设计等众多专业技术。对比国外同类星载产品的研制情况,我国目前研制水平已经达到了国际先进水平。从目前研制能力来看,微波辐射计已经覆盖了多种接收方式、工作方式和定标方式。
  
  从微波辐射计的应用原理来看,一个物体只要其物理温度大于绝对零度(热力学最低温度),就存在能量的辐射,物体的不同物理特性使其在不同的频率有不同的辐射特性。微波辐射计就是通过接收物体微波频率的辐射,探测物体的微波辐射强度来感知物体的特性。从微波辐射计发挥的作用来看,其更像是探测大气内部状态和海洋动力环境的灵敏“金手指”。
  
  在我国第二代极轨气象卫星风云三号和第一代海洋动力环境卫星海洋二号上,分别安装了由中国空间技术研究院西安分院(以下简称西安分院)承担研制的星载微波辐射计。它是卫星中的主要遥感器,对探测大气的垂直温度和海洋动力环境起到了关键性的作用。目前已经成功应用于中长期数值天气预报和海洋动力环境的预报和监测。
  
  技术积淀——始于艰难的技术攻关
  
  与可见光、红外等其他遥感载荷相比,微波遥感载荷具有全天时、全天候的观测能力,能够穿透云、雨,甚至一定深度的地表或植被,获取其内部物理信息,此外还可以通过多频、多极化、多视角获取多方位的信息。
  
  基于对微波辐射探测技术应用的需求,从1986年开始,西安分院前身五〇四所就已经着手星载微波辐射计的前期预研和技术攻关。由于当时的技术水平和试验条件有限,进展比较缓慢。1994年重新组建了攻关组,在老专家欧祥荣的指导下,以青年技术骨干陈文新为首的攻关组经过努力拼搏,在1996年突破了微波辐射计的关键技术,完成了微波辐射计原理样机的研制。“那时的研制条件非常简陋,基本的测试仪器都没有。”回忆起当时的研制情况,陈文新说。没有满足测试要求的频谱分析仪、网络分析仪、辐射信号源,只有波长计、功率计、衰减器等一些简单的工具来做测试。在简陋的条件下,只能靠大量积累试验数据、靠经验来判断关键环节的工作状态和工作性能。
  
  从1995年到2000年期间,基于技术发展的需要,中国空间技术研究院先后支持当时的五〇四所建立了毫米波的天线测试场等基础设施,陆续配置了毫米波测试仪器,推进了毫米波部件等与微波辐射计相关的关键部件和产品的研制。到2000年,研制人员解决了决定微波辐射计工作的关键技术问题,验证了微波辐射计的系统设计。
  
  工程攻关——打造灵敏的“金手指”
  
  到2000年,我国第二代极轨卫星风云三号研制项目正式立项,作为卫星主要载荷的微波温度计(探测大气垂直温度分布的微波辐射计)进入工程研制。从工作频率来看,微波温度计所使用的微波接收机是目前国内自主研制的工作频率最高的星载接收机。与前期研究阶段解决技术原理问题不同的是,在进入工程研制阶段以后,工作的重点是保证微波温度计长期连续、稳定地工作,并进一步提升仪器的测量灵敏度和测量精度。
  
  为了充分验证产品的工作性能和空间环境适应性,从2000年研制项目立项到2008年风云三号卫星发射,8年间,微波辐射计先后经历了多轮产品的研制过程。为了提高毫米波接收机的性能指标和空间环境适应性,对接收通道的各个环节进行了大量的新技术和新工艺的验证。据研制负责人陈文新回忆,当时为了确保微波辐射计长期连续工作的稳定性,以及微波辐射计在温度变化时工作的稳定性,他们先后进行了多轮设计改进和工艺改进,仅仅是温度试验就进行了3个多月的时间。
  
  2008年,风云三号卫星成功发射,西安分院承担研制的微波温度计获取了高精度的遥感数据,成功应用于数值天气预报中,并在欧洲数值天气预报系统中得到应用。这标志着西安分院在高主波束效率毫米波天线、高稳定低噪声接收机、高精度定标源等关键技术研制方面得到突破。2011年我国第一颗海洋动力环境卫星成功发射,西安分院承担研制的微波辐射计成功应用于卫星之上,为我国海洋防灾减灾、海洋科学研究、海洋环境预报和全球气候变化研究提供卫星遥感信息。
  
  创新引领——技术牵引开拓更广空间
  
  星载微波辐射计作为一种高精度的定量微波遥感仪器,系统涉及到天线、微波通道、信号处理、扫描伺服和结构设计等众多专业技术。对比国外同类星载产品的研制情况,西安分院目前的研制水平已经达到了国际先进水平。从目前的研制能力来看,微波辐射计已经覆盖了多种接收方式、工作方式和定标方式。
  
  目前,对于微波辐射计的研制已经进入较为成熟的阶段。在气象卫星和海洋监测卫星进入业务化应用阶段后,微波辐射计将在卫星应用中发挥着不可或缺的作用。微波辐射计研究过程中所突破的关键技术和形成的研究成果还可应用于其他星载微波辐射计系统中。未来,微波辐射计的研制将向着高测量精度、更高工作频率和更多观测频段的方向发展。同时,微波辐射计技术也将更多地应用于人们日常生活的领域。例如在公共安全领域提供更安全高效的安全检查设备,在医学领域中实现人体肿瘤检测等等。以微波辐射计技术为牵引,人们也在逐步探索新的应用空间。
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