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让中国科学家用上自己的数据 |
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微波遥感技术“引领”中国海洋卫星翱翔太空 |
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［科学时报 祝魏玮 周瑶报道］2009岁末，北半球中高纬地区遭遇寒流和暴风雪袭击，我国多个地区的降雪量和积雪深度突破历史同期极值。气象和海洋环境专家一方面怀疑这和厄尔尼诺现象有关，一面抱怨拿不到一手数据，不能很快对一些特殊的天气现象和海洋环境变化作出及时的反应。连国家海洋局局长孙志辉也曾撰文说：“我们还没有自己的动力环境监测卫星。”
近日有关我国第一颗海洋动力环境卫星——海洋二号卫星将于今年年底发射的消息令专家们非常振奋。日前，中科院空间科学与应用研究中心的科研人员在南海海域圆满完成了该卫星有效载荷的航空校飞任务。
中科院空间中心微波遥感与信息技术研究部主任、海洋二号卫星副总工程师刘和光介绍说：“该卫星是一颗获取海洋动力环境信息的专用对地遥感卫星，它的使命是监测和调查海洋动力环境变化，探测海面风场、浪场、海流、温度、海上风暴和潮汐等海况的重要参数，为灾害性海况的监测、预报，为海洋环境和天气的数值预报模型提供数据，直接服务于国民经济建设，同时也可为海洋科学研究提供实测数据来源。”
微波载荷
精确把握海洋细小变化
海洋二号卫星上装载的微波有效载荷之一就是雷达高度计，它是用来测量海面高度、有效波高及海面风速等海洋参数的主要仪器。
刘和光表示：“这些数据的进一步反演结果可直接应用于海洋气候与环境的监测、预报当中，如对台风、海啸以及厄尔尼诺、拉尼娜现象的监测，这将有利于我国在全球气候演变过程中的研究，提高对灾害性气候的预测能力。”
据介绍，判定厄尔尼诺现象是否出现的主要依据是赤道太平洋中东部海域的海水温度持续6个月比常年平均高出0.5℃以上。另外在厄尔尼诺现象发生前，西太平洋赤道地区的海面高度会异常偏高，并出现较强的西风。
星载微波载荷能否抓住海水温度这“0.5℃”的细微变化和海面高度的厘米级的变化？
对此，中科院空间中心参与载荷设计的研究人员非常自信。刘和光表示：“正常情况下，由于赤道附近两侧东北和东南信风及大洋固有环流的影响，西太平洋赤道附近的海水温度比东太平洋可以高出4℃～5℃，西太平洋赤道地区的热水聚集和海面高度抬高，形成强大的能量积聚。当维持这种热水聚集和海面高度的大气环流条件发生变化，西太平洋的热水就会东流，从而形成赤道附近中东太平洋海水温度的升高，并影响全球气候发生明显变化。厄尔尼诺现象是温度较高的西太平洋海水东移的结果，表现为海平面高度的变化，这个变化很小，在厘米级，如果我们能够测出这个厘米级的变化，就能够通过数据反演，监测厄尔尼诺现象。据估算，当我们的载荷测量精度在5个厘米左右的时候，就能够判断出海平面高度的变化，进而反演出海温的变化。而在此系统中，雷达高度计仪器的测量精度为4厘米，完全满足这种需求。”
“不仅如此，雷达高度计系统还采取了双频测量体制，这使该系统可以消除测量时电离层对高度测量的影响。”刘和光一语道破高精度背后的玄机。
由于雷达高度计在测海平面高度的时候，电波要穿过电离层，因此，其传播速度和相位都要发生变化，从而影响外测精度。“但海洋二号星载雷达高度计通过Ku波段和C波段的双频测量体制有效消除了电离层对高度测量的影响。采用大时带积线性调频信号，提高了系统的压缩比；采用全去斜坡技术来实现脉冲压缩；同时增强了高度计的跟踪能力。这种综合的保障体系，可使雷达高度计在波高1～20米范围环境下工作时，其高度测量误差不超过4厘米。”刘和光表示。
海洋二号微波载荷中另一个有特色的设计就是中科院空间中心自主设计的校正辐射计。这是为雷达高度计提供大气路径延时校正的微波辐射计。它可通过对大气中液态水和水汽含量的测量，向雷达高度计提供大气校正数据，具有在轨定标、修正仪器漂移等功能。
“通过校正辐射计，我们连包括云雨在内有可能影响测量精度的因素也剔除了。”刘和光表示，“校正辐射计接收机采用全功率微波辐射计方案，其特点是结构简单、易于实现、可靠性高，且由于全功率微波辐射计工作时在整个积分时间内都是对观测目标进行测量，因而也是目前全球灵敏度最高的辐射计之一。”
用自己的数据解决未知的问题
“在海洋动力环境卫星上的雷达高度计可用于海洋重力场的测量，这无疑对了解海底地质构造和油气储藏区域是有益的；微波辐射计可用于海上的油田探测，这也有助于判别该海区是否存在含油构造，这是寻找海底资源的重要线索。”刘和光说。
在全球变暖的趋势下，南极半岛巨型冰架坍塌，监测到这一现象的仍是欧空局的“Envisat”遥感卫星，我国科学家的相关研究也多数引用这一卫星获取的数据。
“现在极冰的监测甚至我国海洋油气资源的勘探用的多数是国外卫星的数据，但是人家的高密度的数据一般不给你。即使给你，也要求你花大量的钱去购买。”专家指出。
“海洋二号搭载的微波载荷有望改变这一局面，雷达高度计不仅可用于监测极冰，还可以进行全球海洋浪场的测量和海面风速的测量。这对于气候变化的研究和远洋轮船全球航线的选择非常有用。如果频率再高一点的话，我们还可以作临边探测，探测空气中微量的气体成分，这对碳排放的监测是很有意义的。”刘和光说，“现在的气象和海洋预报除了预报晴雨状况外，还会预报浪高、海面风速和大洋环流的情况，但用的还是国外的数据，今后可以用上自己的数据。”
精准校飞确保卫星数据安全获取
航空校飞是新型遥感器上天前所要完成的一项重要试验内容，可为卫星取得最为有效的试验数据和确保卫星上天后各种观测仪器的科学数据精度提供保证。2009年末的海洋二号卫星有效载荷的航空校飞几乎可以用完美来形容。
2009年12月9日14点，随着运八型多用途运输机在海南陵水机场安全降落，中科院空间中心顺利完成了第二个架次的微波载荷飞行试验。雷达高度计分系统Ku通道、C通道均工作正常并取得了很好的数据，校正辐射计分系统各通道工作正常，获得有效数据。
自2009年12月上旬开始，航空校飞试验队共飞行5个架次，每次约240分钟，以海南陵水机场周边的海域为飞行目标，携卫星雷达高度计、校正辐射计获取了海岸周边、大陆架海域等多种地面目标的海域情况数据。
“校飞过程中采用折尺型航线，以获取更多同一区域的有效校验数据。此外，校飞获得的数据还与同步飞过的JASON-1高度计卫星、‘Envisat’遥感卫星等同类卫星获得的数据进行对比，以保障载荷运行的可靠。”刘和光说。
“在同步观测实验期间，雷达高度计、校正辐射计测量了海面有效波高、温度、盐度，以及大气温、湿、压剖面数据，并进行现场数据处理，数据结果良好。”这使研究团队获得了卫星用户单位——国家海洋局卫星海洋应用中心的肯定。
“一切都是为了数据安全和精确。不管怎么样，卫星还没有上去，数据还没有反演出来，尽管我们是按照国际最高水平来设计的，但最后达到的效果还有待卫星发射以后来验证。”一向严谨的空间中心微波载荷的研制人员表示不会放松任何一个可能漏过的环节。
以实力打造世界领先的微波遥感事业
“不敢说绝对领先，但从回收的数据质量上来看，这次海洋二号上搭载的雷达高度计、校正辐射计和国际上最先进的同类仪器起码是站在同一量级之上。”信心来自实力，空间中心微波遥感技术研究团队的科研人员如是说。
中科院空间中心微波遥感与信息技术研究部的前身系中国工程院院士姜景山在上世纪70年代创建的微波遥感技术实验室，是我国最早开展微波遥感技术研究的单位之一。研制出了我国第一个陆基微波散射计、第一个机载微波散射计、第一个机载雷达高度计……近年来，该部又参与了神舟四号载人飞船、嫦娥一号探月卫星、风云三号气象卫星等航天器有效载荷的研制，并出色地完成了各个项目的要求。
刘和光表示：“技术源自积累，载荷回收的数据怎么处理，怎么反演，参数怎么取舍，没有前期的积累是不可能做到的。”空间中心还将协助海洋二号卫星的用户单位——国家卫星海洋应用研究中心完成卫星数据反演的任务。
我国微波遥感的开山人姜景山院士曾在风云三号微波载荷成功运行一周年的时候欣慰地表示：“2002年，我国神舟四号飞船成功发射，经过我们的努力，实现了我国航天微波遥感技术零的突破，从这里开始，我们有了自己的航天微波遥感技术。高灵敏度的微波遥感技术使我们有了在这个大家庭立足的条件。”
此外，空间中心的研究人员还透露，更高精度的星载微波遥感载荷也正在研制之中，会在未来的各种应用卫星上崭露头角。“我们瞄准的就是世界领先，更高精度的微波载荷不仅能把握海平面的细微变化，还可以准确监测陆地上的湖泊、河流水面高度的变化……”刘和光介绍。
“要摘取人类探索空间的下一面金牌，我们现在必须作好规划，如果能找到好的切入点，那么国家的投入就会有很好的收获，空间科学会有更大的发展。”中科院空间中心主任吴季表示。
《科学时报》 (2010-2-12 A1 要闻)
