空間微波輻射基準傳遞溯源展望*

何杰穎 董曉龍 盧乃錳

1（中國科學院國家空間科學中心 北京 100190）

2（中國科學院大學 北京 100049）

3（國家衛星氣象中心 北京 100081）

0 引言

過去30 年間，地球氣候系統以每10 年0.17 K的變率在變暖[1]。利用星載微波遙感信息證實，1987—2006 年10 年間，地球大氣系統對流層整層溫度變率達到0.08 K[2]，此結果引起對星載微波歷史資料的高度關注。針對氣候變化過程存在的復雜性，研究地氣系統輻射收支過程需要長期連續和全球覆蓋的衛星遙感觀測數據。同時，中國氣象災害頻發，天氣系統復雜多變，降水天氣系統有明顯的地理、氣候特征，短時間內可造成致災性強降水，其空間覆蓋范圍能從幾公里延伸到幾百公里，生命期從幾分鐘維持到十幾小時，氣象專家和學者在傳統觀測的基礎上，越來越多地依賴衛星觀測資料。

衛星微波遙感是獲取全球變化與人類活動影響、極端天氣過程等重大科學問題的關鍵手段，在氣候研究和天氣預報、災害監測等重大應用領域中發揮著重要作用。星載微波遙感可實現全天時工作，且不受天氣影響，具有穿透云層和雨區的能力，可獲取大氣三維溫濕和云雨結構，實現全天候的對地觀測。這些都體現了微波遙感的優勢，使其在天基氣象探測領域發揮著獨特作用。

準確認知氣候的長期變化趨勢和氣象的短期特征解析需要系列微波遙感載荷提供兼具高準確性、高穩定性以及高一致性的連續觀測，這對單星觀測精度和代際間載荷觀測一致性提出了更高要求（精度優于0.3 K，一致性優于0.1 K）。下一代風云氣象衛星旨在觀測能力上實現質的突破，基于高精度實時觀測、三維立體等新技術，部署了多個全新衛星計劃，將形成由“晨昏星+上午星+下午星”組網運行的綜合觀測衛星和由降水測量衛星等組成的專業測量衛星，并輔以極端天氣應急衛星星座等，形成全要素、高精度、高穩定性的新型低軌氣象衛星體系。

針對上述重大科學和應用需求，需要實現高精度、高穩定、可溯源的空間探測能力和探測數據積累，須在提升微波遙感衛星輻射測量精度和星間觀測一致性方面取得重大突破。國際上建立的“全球空間交叉定標系統”（Global Space-based Inter-Calibration System，GSICS）給用戶提供高質量和可相互比較的在軌運行衛星的數據，但是仍未解決空間輻射測量基準中的高精度傳遞和一致性追溯等問題。因此發展和突破超高精度和穩定性的微波基準載荷，建立空間輻射測量基準是微波遙感技術發展的必然。

1 微波輻射基準傳遞溯源技術研究現狀

中國在過去2008—2022 年的14 年間，衛星微波載荷從研制到數據輻射定標技術均取得了長足發展，風云氣象衛星、海洋氣象衛星均搭載了微波載荷，其觀測數據有效可靠，已被多家預報業務和研究機構采用，初步實現了多星組網，在氣候的長時間序列研究中發揮著重要作用。然而，當前面臨的不足是多星之間數據定標精度存在差異，穩定性和一致性仍有較大改善空間。

“十三五”期間，為改善多星歷史數據一致性問題，國家重點研發計劃“地球觀測與導航”領域批準并立項了“國產多系列遙感衛星歷史資料再定標技術”項目，針對國產衛星開展“微波載荷歷史數據再定標共性技術”，從衛星在軌數據重處理的角度，解決國產氣象海洋衛星上裝載的被動微波輻射計歷史數據再定標共性模型關鍵技術，生成國產衛星微波載荷歷史數據基礎氣候數據集，為地球氣候系統方面的研究做出了貢獻。

歐美相繼提出CLARREO 和TRUTHS 計劃，試圖通過發射超高輻射測量精度的基準衛星，在監測氣候變化的同時，標定其他遙感衛星，提升全球遙感衛星整體定標精度，但沒有涵蓋微波波段。中國也提出了空間輻射測量基準的概念，并開展黑體測量裝置和定標鏈路等相關技術攻關，但針對空間微波輻射測量基準的布局及深入研究，國內國際仍屬于空白。

中國科學院國家空間科學中心在北京建立了大口徑地面基準源支撐基礎平臺，承擔了科技部重點研發計劃“微波黑體發射率計量標課題準裝置”課題[3]（見圖1），實現了6～500 GHz 的1×10-4量級低反射率測定能力，國家衛星氣象中心基于星上數據不斷完善綜合輻射定標技術[4-6]。蘭州空間技術物理研究所圍繞星載定標源實現了國產化突破。北京化工大學圍繞由角域有限散射測值準確推知積分反射率的關鍵問題開展系統性機理研究，由此建立的單雙站積分反射率測定方法實現了實測閉環互驗，圍繞亮溫傳遞的機理建模問題，開展了近距微波熱輻射的正向建模研究，直接模擬近距內天線對目標熱輻射的接收[7-11]?？梢娭袊鴮Ρ粍游⒉ㄟb感領域中的定標基礎設施建設和基礎研究備受重視，并取得了一定進展。

圖1 微波黑體發射率計量標準裝置及其測試曲線Fig. 1 Microwave blackbody emissivity measurement standard device and its test curve

國際標準化組織ISO 于2018 年發布了一項針對星載微波輻射計定標要求的標準，對地面定標、星上定標以及交叉驗證過程進行了初步規范[12]。2019 年美國國家標準與技術研究院（NIST）聯合伯爾尼大學、科羅拉多大學等開始推進微波亮溫傳遞的IEEE標準研究[13]，其目標在于統一和記錄各種微波輻射計定標程序，并定義標準化術語，溯源基本單位與常量。NIST 針對微波亮溫傳遞基礎問題開展研究，包括2011 年的定標源單站回波精確測量方法[14]，2012年的主波束效率提取方法[15]，2013 年對定標源位置因素造成亮溫偏差的分析研究等[16]，2015 和2018 年，分別沿著正向采用相干性傳播理論[17]和沿逆向采用射線追蹤方法[18]，開展亮溫傳遞建模（見圖2[18]）。多型定標源的優化設計工作不斷深入[19-21]，并在2017 年建立了亞毫米波定標源到反射面天線口徑的亮溫建模方法[22]，提出了任意溫度分布下定標源定向亮溫輻射的計算方法，之后有研究的亮溫建模也遵循類似思路[23]?？梢妵H上已經從正、逆兩個角度嘗試突破亮溫傳遞建模，標志著圍繞輻射計定標技術已從局部（例如定標源）向鏈路（定標源到天線）進展，但是逆向亮溫傳遞建模中用遠場概念求解近場問題的矛盾還有待進一步研究并解決。

圖2 NIST 2018 年報道的亮溫傳遞建模計算場景Fig. 2 Brightness temperature transfer modeling calculation scenario reported by NIST in 2018

國內外相關機構在不斷進行技術迭代和提升黑體指標，體現在黑體結構精細化程度更高，黑體的發射率不斷提高，應用頻率范圍更寬等，同時積極推進標準化工作。2006 年NIST 提議建立美國國家微波亮溫標準，旨在實現微波亮溫量值的可溯源性和統一量值，提高微波遙感的定量化水平[24]。2018 年NIST聯合英國TK 公司研制了2 個錐腔型標準黑體，采用雙層吸波涂層，頻率覆蓋18～220 GHz，發射率達到0.9995 以上[25]。歐洲氣象衛星組織極軌衛星（MetOP-SG）微波探測儀和冰云成像儀高溫定標黑體經過吸波涂層和尖錐結構的精細化設計，具有更優異的電磁和熱性能。2019 年Houtz 等[13]向IEEE 標準協會（IEEE-SA）提交了一份項目授權申請（PAR），開始有關覆蓋到太赫茲頻段的微波輻射計校準的程序、術語和量化標準制定。中國計量科學研究院建立并維護了數十項無線電國家基準/標準，在國際比對中，部分不確定度水平和國際一致性居于世界領先水平，“十三五”期間，建立了100 MHz～110 GHz 材料介電常數計量裝置，形成了國際互認的校準與測量能力。

在微波探測器方面，制冷是需要突破的技術瓶頸。2009 年入軌的日本國際空間站亞毫米波臨邊探測儀（SMILES）使用斯特林制冷機和節流的復合制冷方式達到了4.5 K 的性能要求。2021 年發射的“詹姆斯韋伯太空望遠鏡（JWST）”，采用最新的高頻脈沖管制冷機耦合節流制冷的復合制冷技術，獲得了6 K 的工作溫度。歐空局正在研制的Athena X 射線望遠鏡在4 K 溫區也使用“高頻脈沖管制冷機+節流制冷機”的制冷方式為絕熱去磁制冷機提供預冷。鑒于空間運行的可靠性，多級脈沖管制冷機+節流制冷機已成為國際上空間4 K 溫區制冷的趨勢。中國雖已獲得4 K 溫區的制冷原理樣機，但仍存在一定差距，同時發達國家對中國實行禁運政策，亟需自主掌握空間4 K 溫區長壽命制冷技術。

空間輻射測量基準高精度傳遞需求，對衛星平臺溫控能力、在軌變形控制、隨動穩態的機動性能、星上幾何定位和數據處理等提出了更高要求。NASA下一代空間望遠鏡（NGST）對力熱耦合控制進行探索，熱設計采用外部包多層和多路輕型加熱器，內部采用三層恒溫控制，以保證內部溫度穩定性。為減小星上擾動對載荷的影響，詹姆斯韋伯望遠鏡采用兩級隔振系統，隔離飛輪及載荷微振動，同時采用六桿作動器實現曲率調節，將6.6 m 口徑的主鏡變形控制在150 nm 以內。國內上海衛星工程研究所風云四號衛星配置有微振動隔離裝置，采用星敏感器和載荷共基準安裝，減小熱變形傳遞路徑，通過精密控溫降低外熱流影響，實現星上熱變形抑制。國外已陸續出現兼具高分和高敏捷的對地觀測衛星，Pleiades 衛星配置4 個控制力矩陀螺，具備繞滾動、俯仰軸60°/25 s 的機動能力。WorldView-1 配置控制力矩陀螺可實現4.5°· s-1機動能力，后續WorldView-2/3 擴大了相機口徑，具備3.5°· s-1機動能力。中國從事高分敏捷衛星的研制單位已具備繞滾動、俯仰軸每30 s 改變25°的機動能力。

2 空間微波輻射定標發展現狀

截至目前，遙感衛星大多采用獨立定標的方案，意味著每個衛星載荷均有一套用于定標的硬件系統。隨著遙感衛星數量的迅速增加，這種獨立定標的方案所帶來的成本也在迅速上升，定標工程的綜合收益不斷下降。由于不同載荷定標時的氣象條件、定標設備、定標方法不同等因素，觀測數據的絕對值差異將更加明顯，導致不同國家、同一國家不同系列以及同一系列不同衛星之間觀測數據缺乏可比性。

基于穩定通用的參考源，微波遙感測量值溯源至主要物理標準，遙感儀器可以直接追溯到相同基本物理量，可以將不同儀器在不同平臺、不同時間的不同測量值進行比較，也意味著可對相隔數年或數十年的衛星數據進行比較，這是研究諸如氣候變化等長期現象的關鍵問題。

精確的輻射定標是微波遙感定量化的基礎，輻射定標精度決定了遙感數據的質量及其應用領域。從定標技術角度看，受傳統的遙感載荷定標系統設計以及地面輻射校正技術理論極限的制約，目前遙感衛星微波輻射定標停留在零點幾K 量級，其精度難以繼續提高，穩定性也因為器件水平受平臺環境的影響，其變化存在不可預估性和不確定性[26]。星載被動微波遙感載荷受地面長時間放置導致響應關系微妙變化、器件性能衰退及發射過程等因素影響，基準溯源鏈路發生斷裂，同時現有在軌輻射定標方法嚴重依賴地面定標參數，缺乏高精度可溯源的輻射定標基準及其鏈路，因此無法滿足日益提高的定量化遙感的迫切需求。

目前圍繞微波遙感儀器定量化所做的工作包括在地面進行定標和在軌利用地面校正目標（青海湖、敦煌、普洱等）對衛星進行輻射定標，可以說是相對獨立地開展對地觀測載荷的定標工作，不能溯源至國際單位制（SI）。隨著衛星觀測儀器種類和數量的急速增加，各種有效載荷的性能越做越精，水平越來越高，數據應用的范圍也越來越廣，但目前已經發射的微波載荷尚無在軌量值直接驗證和溯源相關技術的應用，有效載荷無法校正自身系統的不確定性，使得其數據應用的效果未能充分發揮。

3 空間微波輻射基準傳遞溯源框架

目前，空間微波輻射測量沒有統一參考基準，輻射溯源和基準傳遞的不確定性會引起觀測誤差，提供準確性、高穩定性以及高一致性的連續觀測是亟待提升的關鍵問題。針對空間微波輻射探測資料在高精度、高穩定性、高一致性方面存在的觀測能力不足和缺乏基準溯源鏈的問題，發展空間微波輻射基準及其傳遞的理論、方法、模型和技術具有緊迫性。

空間微波輻射基準及其傳遞的關鍵問題包括：（1）空間微波輻射基準的建立及其評價，包括微波黑體和新體制的微波輻射測量與確定；（2）高靈敏度、高精度的星載微波基準輻射計技術；（3）空間微波輻射測量全鏈路輻射傳遞及其確定；（4）星-地/星-星微波輻射基準傳遞、評價的模型與技術等。通過研究和解決上述關鍵問題，可以實現超高精度和穩定性的微波基準輻射計和星上定標基準；微波基準載荷全鏈路輻射傳輸與測量誤差傳遞模型；輻射基準穩定測量及向各類衛星載荷的高精度匹配傳遞；地-星觀測要素的匹配傳遞與多個載荷之間的輻射量值可靠性溯源；建立空間輻射基準溯源評價體系。

微波輻射基準傳遞溯源總體方案將涵蓋微波基準樣機整體方案、載荷關鍵技術、衛星平臺約束等，分析建立各要素觀測精度對微波成像基準載荷靈敏度、定標精度、長期穩定性的要求；針對高精度、高穩定、高一致性微波成像探測目標，制定微波基準成像輻射計研制總體方案。圍繞高精度探測精度，基于理論分析和數值仿真開展機理研究，攻關包括低溫冷光學、深低溫制冷、高發射率定標黑體等在內的關鍵技術。研制微波基原理樣機并完成系統指標測試，開展空間微波輻射基準驗證和基準體系研究，具體如圖3所示。

圖3 微波輻射基準傳遞溯源框架主要研究內容Fig. 3 Framework and main contents of microwave radiation reference transfer and traceability

依據定標精度跨越式提升實現機理，圍繞構建足夠精確的微波輻射基準，針對亮溫傳遞過程，構建充分和深入的機理分析模型，完成不確定度的分解推導。受限于實際各組件性能的物理局限和非理想性，需要科學結合系統性偏差評估和隨機性偏差控制，合理分配高精度評估和高性能組件的技術投入，進而對基準輻射計的研制形成有效的牽引，實現定標精度的跨越式提升。

基準樣機研制基于微波輻射傳輸理論和電磁場與微波遙感機理。大氣微波輻射傳輸理論用于描述電磁輻射在介質中發生發射、吸收及散射過程的傳輸特性。通過分析大氣分子和地表參數的微波輻射特性（吸收、發射和散射），仿真計算亮溫對大氣參數的敏感性，如雅可比矩陣計算、擾動廓線亮溫差、極化差等，結合目前在軌運行的微波載荷特點，確定微波基準載荷的工作體制和系統指標參數。

高發射率定標黑體將以吸波材料表征為核心，攻克寬頻、高吸收和超薄吸波材料的研制難題，建立吸波材料的寬頻表征模型，為超高發射率微波定標黑體的精細化結構設計提供可靠技術參數。同時建立高精度發射率測量裝置，解決黑體亮溫定標關鍵參數的量值溯源。

針對定標精度跨越性提升的應用需求，采用經正逆對驗的逆向計算方法，討論利用近場方法討論近場問題的原則。為提升定標黑體的亮溫輻射精度，研究定標黑體在典型熱邊界條件下的溫度梯度特性，結合其電磁吸收特性，基于復雜結構定向輻射亮溫計算模型，分析亮溫系統性偏差的規律，為定標鏈路的優化提供必要支撐?；诹翜貍鬟f理論計算方法，針對典型黑體結構和參數，實現高精度亮溫傳遞所需的天線設計參數和位置參數規律。

以基準載荷測量的輻射量為準確輻射量，建立地-星基準傳遞方案及溯源技術，如圖4 所示。將在軌的遙感載荷和基準載荷相聯系，確定遙感載荷輸出信號和輻射量之間的精確定量關系。通過構建基準輻射的內部物理傳輸鏈路刻畫輻射響應和傳遞過程，借助微波輻射傳輸仿真分析開展微波基準輻射計輻射模擬研究，揭示天饋系統、頻譜響應、冷源和熱源輻射等因素對基準輻射定量測量不確定性的影響。

圖4 微波輻射溯源傳遞流程Fig. 4 Flow chart of microwave radiometric benchmark transmission and traceability

微波輻射計在軌定標參數重估研究將針對不同微波載荷通道頻率響應特性以及天饋系統耦合效應的差異，準確提取通道帶寬、中心頻點、天線等載荷個性特性參數導致的微波載荷與空間輻射基準的偏差，回溯定位被校微波載荷參數化定標方案，發展基于空間輻射基準傳遞亮溫的定標參數重估方法。開發跨衛星、跨載荷的像元空間配準方法算法，解決微波基準輻射計與被校輻射計觀測目標空間不一致問題?；谖⒉ɑ鶞瘦椛溆嬇c被校輻射計光譜響應函數，利用輻射傳輸模式，開發光譜訂正算法，解決儀器間光譜不一致問題?；谖⒉v史數據，提取多典型場景下微波基準輻射計與被校輻射計實測數據集，開展典型場景下星-星微波輻射基準傳遞，實現被校微波輻射計向微波基準輻射計的溯源傳遞。綜合分析配準算法，正演仿真算法、載荷內部輻射傳遞模型和輻射定標模型等誤差，構建輻射基準傳遞誤差分析模型。

4 前沿問題與技術突破

4.1 擬解決的前沿問題

（1）超高精度和穩定性的微波基準輻射計和星上定標基準：空間微波輻射探測資料在高精度、高穩定性、高一致性方面存在的觀測能力不足和缺乏基準溯源鏈的問題。

（2）微波基準載荷全鏈路輻射傳輸與測量誤差傳遞模型：微波基準載荷需要設計和論證高精度可溯源的全鏈路微波輻射基準傳遞方案，針對背景輻射、系統響應、光譜特征、參考源、天線特性等因素的耦合觀測誤差開展敏感性分析。

（3）輻射基準穩定測量及向各類衛星載荷的高精度匹配傳遞：針對復雜物理環境下存在的輻射基準測量不穩定性以及向不同衛星載荷的基準傳遞誤差。

（4）地-星觀測要素的匹配傳遞與多個載荷之間的輻射量值可靠性溯源：基準衛星與其他遙感衛星之間的視場匹配誤差和時間匹配誤差依然存在，基準衛星與遙感衛星的光譜匹配偏差、空間分辨率差異等因素也都會影響輻射基準傳遞精度。

4.2 擬突破的顛覆性技術

目前，空間微波輻射基準傳遞溯源的制約主要體現在以下方面：黑體發射率測量手段及表征能力存在欠缺，無法實現黑體亮溫量值的有效溯源；微波載荷系統性能不能滿足基準傳遞要求，例如定標精度、穩定性、一致性等；基準傳遞溯源模型不完善，亟需發展基于天線亮溫生成物理機制的跨平臺觀測像元空間和頻譜匹配技術，微波輻射基準跨平臺傳遞誤差評估技術等。具體可從以下4 個方面進行突破。

（1）基于吸波材料的高精度定量表征，提出以電損耗機制為主（高頻超寬帶）、多機制協同作用（超薄強吸收）的復合型微納米吸波材料體系，研發超高發射率微波定標黑體?；趩握痉瓷錅y量精密標定方法，優化自由空間單端口校準算法，結合時域門技術抑制多徑效應，提高小信號測量精度，準確提取空間誤差模型參數，實現超高發射率的精確測量。

（2）突破毫米波和亞毫米波低溫冷光學技術、低溫電子學技術、深低溫空間制冷技術等微波輻射計性能顯著提升的變革性關鍵技術，設計并研制高精度高穩定性的微波探測和成像機制基準輻射樣機。通過對復合制冷方式的研究，揭示非理想氦氣工質流經節流阻力元件時的不可逆多變過程工作特性以及節流元件阻力特性對節流制冷過程的影響機理，獲得級間耦合溫度變化對各級制冷性能影響的變化趨勢，實現不同制冷溫度的梯級利用。

（3）針對微波基準輻射計定標鏈路形成機理，創新性地提出基于近場方法的近場亮溫傳遞分析方法，突出系統整體性和近場性，實現實際定標鏈路亮傳分析，突破定標鏈路中近場亮溫傳遞中用遠場方法分析近場過程的局限以及由此造成定標鏈路優化機理不清、偏差估計不準的局限，從根本上提高微波輻射定標精度。

（4）構建空間微波輻射基準傳遞規范?；谔旎⒉ɑ鶞瘦椛溆嬢d荷設計特點，利用地球和地外目標等微波穩定目標，發展星-星微波輻射基準傳遞建模技術，構建空間微波輻射基準傳遞誤差分析模型，從而形成完整的空間微波輻射基準傳遞規范。以在軌高精度載荷為替代儀器，借助微波輻射傳輸模擬技術，開展空間微波輻射基準傳遞應用，解決缺乏空間微波輻射基準傳遞流程和評價準則問題。

5 空間微波輻射基準發展規劃

國家高技術研究發展計劃地球觀測與導航領域專家組2006 年提出了空間輻射測量基準衛星的概念?！笆濉蹦┢?，針對空間輻射基準衛星核心技術，部署了前瞻性項目“空間輻射測量基準源研制”，并在“十二五”國家863 計劃和“十三五”重點研發計劃持續支持空間輻射測量基準技術研究，突破了星載超高精度可見光和紅外輻射源研制關鍵技術。

中國衛星微波遙感技術經過數十年的發展，在追趕歐美的同時，微波載荷在軌指標已經與美國和歐洲同類儀器水平相當，甚至部分領先。以風云衛星為例，已形成黎明、上午、下午三條軌道、四星組網觀測，每天可以為天氣預報提供6 個時次寶貴的大氣探測資料，但遙感衛星高精度長期穩定觀測的問題日益突出。

空間微波輻射基準將參考實施“三步走”戰略，“十四五”期間將在科技部地球觀測與導航專項支持下，開展微波基準源攻關、微波原理樣機突破、微波輻射傳遞與溯源頂層方案設計及溯源驗證?！笆逦濉逼陂g，將實現基準衛星平臺關鍵技術攻關、空間工程樣機研制、基準傳遞溯源實施細則與方案優化，發射技術驗證衛星?！笆濉逼陂g發展空間微波輻射基準衛星，利用國際統一可溯源的空間微波輻射參考，實現星-星基準傳遞與溯源，降低微波遙感觀測的不確定性，顯著提升在軌遙感衛星微波輻射測量精度，讓中國從微波遙感衛星大國邁向微波遙感衛星強國。

6 結語

星載微波輻射探測是關鍵氣候變量（ECV）的關鍵獲取手段。由于微波空間輻射測量沒有統一參考基準，輻射溯源和基準傳遞的不確定性會引起觀測誤差，難以提供準確性、高穩定性以及高一致性的連續觀測。因此，空間微波輻射基準方案與關鍵技術研究將從輻射測量的角度填補星載微波基準傳遞和探測高穩定、高一致性技術能力的空白，突破微波基準星定標精度和穩定性等系統級關鍵技術，研制國際領先水平的微波基準輻射計，建立全鏈路系統輻射基準傳遞與評價的模型和體系。

空間微波輻射基準研究符合中國重大戰略需求，將形成以基準原理樣機研制、空間輻射基準傳遞溯源、多場景評估驗證的思路，帶動理論完善、方法創新和技術突破，也是建立中國微波輻射亮溫計量標準、樹立微波輻射國際計量領域地位的重要指標之一，對提高空間對地微波遙感觀測的測量精度、一致性和穩定性具有重大意義。

致謝項目專家組對本文給予了意見和建議，項目牽頭單位中國科學院國家空間科學中心、課題承擔單位中國計量科學研究院、上海航天測控通信研究所、國家衛星氣象中心對研究內容給予了支持，所有參研單位和參研人員對本論文給予了支持。