近日，中国科学院国家空间科学中心微波遥感重点实验室雷洋研究员带领团队在国际遥感领域刊物《环境遥感》（Remote Sensing of Environment）上发表最新研究成果，该团队在国际上首次利用星载 L 波段双站单极化、单基线雷达干涉测量技术，实现了多个森林垂直结构信息的同步反演（森林三维垂直剖面、林下地形、树高）。图 1 国产L波段雷达干涉卫星陆探1号双站模式在众多参数中，森林高度作为核心指标，与森林地上生物量存在显著关联。因为，科学界长期期望能在中高空间分辨率（<100 米）上直接获取森林生物物理参数（如高度与生物量）的量值及空间分布。该尺度既可解析热带森林的异质性特征，亦可监测森林干扰动态。而星载L波段双站合成孔径雷达(SAR)干涉测量被广泛认为是一项有潜力实现上述目标的技术，但通常要获得森林三维垂直结构信息（例如森林垂直结构剖面、林下地形、树高等）需要多种极化、多组基线才能实现。这对卫星载荷资源的要求较高，而国内外相关的双站干涉雷达卫星（如德国宇航中心的TanDEM-X、中国的陆探1号）均主要采用单基线和单极化观测模式，这在不同程度上制约了其在林业方面的应用。雷洋团队在研究中以我国海南岛的热带雨林为研究区域，重点聚焦海南热带雨林国家公园。这里拥有丰富的生物多样性，生长着热带雨林、亚热带常绿林等多种植被类型，是研究森林生态系统的理想场所。研究团队借助中国陆探1号卫星任务所获取的星载 L 波段双站雷达干涉（InSAR）数据，采用小视数干涉相位高度直方图方法来获取森林垂直结构剖面。测量得到的小视数干涉相位高度直方图与激光雷达波形高度吻合，均捕捉到了森林垂直结构剖面的相似特征。图 2 星载激光雷达波形与陆探1号森林垂直剖面对比图 3 陆探1号生成的海南尖峰岭区域森林三维垂直剖面产品图 4 本研究技术流程图为了更好地进行校准，团队进一步改进了基于小视数干涉相位高度直方图的林下地形估计方法，整合了美国宇航局（NASA）的全球生态系统动态调查激光雷达（GEDI）和冰、云和陆地高程卫星2号/高级地形激光高度计系统（ICESat-2/ATLAS）的两个星载激光雷达测量数据用做校准。在数字地形模型（DTM）估计方面，研究团队开发了两种地形估计策略：一种是利用充足的星载激光雷达样本（以激光雷达高度为特征），另一种是利用有限的星载激光雷达样本（以小视数雷达干涉相位高度标准差为特征），这两种策略均依赖于将地形高程与小视数干涉相位高度直方图统计特征相关联的统计回归模型。随后，团队利用类似从激光雷达波形导出高度指标的方法，直接从小视数干涉相位高度直方图反演得到了森林高度。最终，生成了覆盖中国海南岛整个热带雨林地区、总面积达 2.74万平方公里的大规模林下地形和森林高度分布图。图 5 陆探1号生成的海南森林高度产品（10 m分辨率）图 6 陆探1号生成的海南林下地形产品（10 m分辨率）经过与机载激光雷达数据验证，对于高度在 45 米的热带森林，其高度估计精度约为 5 米，相对误差在 10% - 15% 之间。而干涉技术估计的林下地形DTM 与机载激光雷达 DTM 相比，偏差可忽略不计，其不确定性（中位数绝对偏差或 MAD）取决于地形表面坡度：坡度小于 2° 时为 3 米，2° - 6° 时为 4 米，6° - 25° 时为 7 米，大于 25° 时为 9 米，均符合我国地形测绘的行业应用标准。相比多极化、多基线星载或机载观测方案，本研究方法为全球森林监测提供了成本效益高的替代方案。研究为结合国产星载 L 波段双站雷达干涉数据（如陆探1号及其后续任务）的升降轨观测，进行大规模森林三维垂直结构剖面、高度指标、生物量、林下地形以及这些森林参数变化的全面测绘开辟了新的道路，对森林碳储量估计、森林资源变化监测、生态环境保护和生物多样性研究具有重要意义。这项研究由中国科学院国家空间科学中心牵头，国家林业和草原局林草调查规划院、中南大学地球科学与信息物理学院、武汉大学资源与环境科学学院、海南大学三亚南繁研究院、自然资源部国土卫星遥感应用中心、中国科学院地理科学与资源研究所等多家单位的学者共同参与，合作完成。研究得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金的资助。论文链接：https://doi.org/10.1016/j.rse.2025.114916（供稿：微波室）原文链接：为森林碳储量估计等提供新方法  我国科学家实现了森林三维垂直结构信息反演

按照自然资源部关于中国第41次南极考察工作部署，在国家海洋局极地考察办公室、中国极地研究中心大力支持下，由中国科学院国家空间中心（以下简称“空间中心”）牵头的国家重点研发计划项目“高分辨率极区冰冻圈主被动微波探测技术”近日完成了国际上首次在南极开展的超宽带高光谱微波辐射计空地联合实验。该实验采用机载航空实验和冰面点测实验相结合的方式，利用超宽带高光谱微波辐射计完成了南极典型区域冰盖内部层辐射亮温的观测，可实现南极冰下温度分布的遥感探测。项目课题单位同济大学设计并实施了此次南极空地联合实验，包括了机载和车载实验：在中山站附近冰盖区域的2次直升机校飞实验，飞行距离300余公里；在中山站至昆仑站1200余公里熊猫计划（PANDA）断面实施的5次车载冰面点测实验。超宽带高光谱微波辐射计由项目牵头单位空间中心微波遥感技术重点实验室科研团队自主研发，如图1、2所示。该辐射计具有瞬时超宽带、实时两点定标、射频干扰（RFI）检测等特点，可以对从超高频（UHF）到L波段的连续电磁波频谱进行同步观测，开关实时切换Cold-FET（在低温条件下工作的场效应晶体管）低温宽带噪声源和匹配负载实现对系统高低温两点定标，高采样率、高精度数字谱仪实现对冰盖内部层辐射亮温的层析测量。图1 机载超宽带高光谱微波辐射计实物图2 车载超宽带高光谱微波辐射计实物为了使辐射计适应机载、车载两种不同的工作场景，发挥设备最佳性能，科研人员研制了两套不同工作体制的超宽带高光谱微波辐射计。其中，图3是机载超宽带高光谱微波辐射计正在执行飞行实验，它配备独立供电和惯导系统，全自动运行，采用悬停方式吊挂在机腹下方，沿着飞行测线对冰盖进行观测；图4是车载超宽带高光谱微波辐射计正在进行地面定点观测，设备主机吊挂在雪地车伸缩臂上，由驾驶室内操作人员远程控制设备工作。图3 机载超宽带辐射计直升机飞行实验图4 车载超宽带辐射计雪地车冰面点测实验本次实验观测数据将与现有的航空和地面冰雷达数据结合，开展模型修正和反演重建，实现冰下温度、结构、密度等多参数的主被动微波联合观测、科学验证与评价。此次空地联合实验为我国未来机载和星载平台的主被动微波极地探测奠定理论和技术基础，进一步提升我国在全球气候变化领域的话语权。（供稿：微波室）    原始链接：空间中心科研团队在国际上首次实现在南极开展超宽带微波辐射计空地联合实验

近日，中国科学院国家空间科学中心微波遥感技术重点实验室徐星欧副研究员与荷兰皇家气象局Ad  Stoffelen研究员合作，在微波散射计高精度风场测量机理研究方面取得了重要进展，相关成果已发表于期刊：IEEE Geoscience and Remote Sensing Magazine（当前影响因子：16.2）。星载微波散射计已具有超过40年的海面风矢量观测历史。在微波散射计观测的空间尺度上，海洋表面风、风切变和对流等信息通常难以通过模型充分解析，因此，微波散射计成为了海气环境观测的重要传感器之一。通常，使用地球物理模型函数（Geophysical  Model Functions ，  GMF）将微波散射计观测的归一化后向散射系数（NRCS）映射到海面风场。然而，真实的海面观测场景非常复杂：风浪特征受风距或波龄调制，并受到长波浪或波浪的非线性相互作用的影响；此外，风浪在整个海浪谱中的特征分布还受到阵风能量输入的影响。现有的GMF未考虑非风浪的长波浪参数和海况的影响。随着微波散射计观测处理算法和硬件的进步，微波散射计测量中的非风浪信号得到了越来越多的关注。该研究对微波散射计观测场景进行了概念性描述，并通过海气边界能量耦合的相关公式推导，提取了场景相关的重要参数。同时，通过与浮标等多源观测数据的时空匹配，结合已有的GMF信息，对微波散射计测量机理进行了详细分析。研究结果表明，现有微波散射计观测的NRCS不受非局部浪和海况的影响，并通过个例分析，展示了在极端海况条件下对飓风的观测效果。研究成果为高风速反演GMF的修正以及下一代能够同时测量海洋表面风场和波浪运动的散射计设计提供了有力的参考。图1 研究涉及的观测场景概念图文章受到重点研发项目的子任务“海洋气象关键要素的空天遥感技术与算法研究”（项目编号2022YFE0204600）和欧洲气象卫星组织（EUMETSAT）海洋与海冰卫星应用设施（OSI SAF）联合资助。文章链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/10811669引文信息：Xingou Xu and Ad Stoffelen, "Wind and Sea State Signatures in Wind  Scatterometry: An analysis,"in IEEE Geoscience and Remote Sensing  Magazine,doi: 10.1109/MGRS.2024.3501472 （供稿：微波室）原始链接：空间中心科研人员在微波散射计观测机理研究中取得进展

多通道雷达系统因其在目标探测、跟踪、成像和识别方面的卓越性能近年来受到了国内外的广泛关注。作为一种新型多通道雷达系统，宽带矢量噪声雷达通过在一组正交极化天线通道上同时发射随机正交电磁信号，然后利用矢量匹配滤波器来并行接收和处理到达每个通道的目标散射回波，从而实现对复杂目标全极化散射信息的高分辨率、快速、精确测量，体现了噪声雷达技术研究的新进展。在宽带矢量噪声雷达系统中，随机发射波形之间良好的正交性能够保证其回波在接收机端得以有效分离，是降低矢量匹配滤波器输出信号间相互干扰的重要前提。特别地，当探测目标处于高速运动状态时，匹配滤波器组的脉冲压缩特性还会受到回波多普勒频移的严重影响。尤其是对随机相位编码、互补序列等波形，目标运动即便引入很小的多普勒频移也会导致脉冲压缩性能下降：旁瓣升高和正交性恶化，严重制约了雷达系统对高动态目标的探测能力。图一 L波段宽带矢量噪声雷达系统为解决这一技术难题，在国家自然科学基金面上项目基金《宽带矢量噪声雷达技术》等支持下，中国科学院国家空间科学中心微波遥感技术重点实验室张云华研究员团队的陈云博士生等以矢量噪声雷达高动态目标高精度极化散射测量为应用背景，深入研究了存在多普勒频移情况下具有较低加权积分旁瓣电平（WISL）的单模离散相位序列与接收滤波器的联合设计问题，重点关注可用于在同极化和交叉极化通道构造分别具有“图钉型”和全零模糊函数形状的序列集和滤波器组的设计方法。为了控制失配滤波引起的信噪比损失，他们在目标函数中以惩罚函数的形式引入信噪比损失约束函数，并通过对序列的每个元素施加离散相位约束来构建联合设计问题。为有效求解此非凸优化问题，他们进一步提出了一种基于优化最小化法（MM）和坐标下降法（CD）的交替迭代算法（WISL-MMCD），解决了传统方法由于离散相位序列自由度受限而引起的多普勒容限降低问题，并通过采用SQUAREM方案和FFT运算极大提高了算法的优化效率。图二 WISL-MMCD与WeBEST-e和WPSL-CD等典型算法设计波形经宽带矢量噪声雷达系统发射-接收链路后在不同极化通道（HH、HV、VH和VV）所得实测波形模糊函数的对比利用课题组前期研发的L波段宽带矢量噪声雷达系统（图一）与WeBEST-e和WPSL-CD等典型设计算法所开展的发射-接收链路实测对比实验表明，所提出的WISL-MMCD算法能以可接受的信噪比损失为代价显著抑制发射波形的加权积分旁瓣电平；基于该算法所设计的互补序列离散相位编码波形同时兼具低旁瓣、高正交性和高多普勒容限等优良性能（图二），具有工程应用价值。以上研究成果发表在信号处理和遥感领域期刊IEEE Transactions on Signal Processing和Remote Sensing上。文章及链接：Yun  Chen, Zixuan Chen, Yunhua Zhang, Jiefang Yang, Dong Li, “Joint Design  of Doppler Resilient Unimodular Discrete Phase Sequence Waveform and  Receiving Filter for Multichannel Radar,” IEEE Transactions on Signal  Processing, vol. 72, pp. 4207-4221, 2024. DOI: 10.1109/TSP.2024.3458175Yun  Chen, Yunhua Zhang, Dong Li, Jiefang Yang. “Joint Design of  Complementary Sequence and Receiving Filter with High Doppler Tolerance  for Simultaneously Polarimetric Radar,” Remote Sensing, vol. 15, no. 15,  pp. 3877 (1-23), 2023. DOI: 10.3390/rs15153877（供稿：微波室）

海洋重力场和海底地形反演是地球物理学、大地测量学、卫星遥感等学科的重要研究方向，其不仅为地球物理学、海洋地质学、海洋生物学、冰川学、水文学等前沿科学研究提供着重要的地球空间基础信息支撑，同时在火山活动监测、地震预报与监测、空间飞行器发射和定轨、水下导航等方面具有重要的实际应用价值。近三十年来，星载雷达高度计海洋观测数据已成为反演高精度、高分辨率海洋重力场和海底地形的重要数据源。然而传统星下点雷达高度计只能测得一维沿轨的海面高度，观测效率低、时空分辨能力受限，且其交轨方向的测高精度难以与沿轨方向保持一致，限制了海洋重力场反演精度的进一步提升。宽刈幅成像雷达高度计以其卓越的宽刈幅测绘能力、高分辨率成像能力和高精度测高能力，有望带来海洋重力场反演技术新的突破。宽刈幅成像高度计采用偏离天顶点的小入射角雷达成像并结合孔径合成和短基线干涉技术，能够在数十至数百公里宽的观测刈幅上对海洋表面进行高精度三维成像测量，沿轨分辨率可达数十米，交轨分辨率可达数十至数百米。天宫二号三维成像高度计是国际上首个进入太空的宽刈幅成像雷达高度计，也是国际上首个星载小入射角成像雷达，由中国科学院国家空间科学中心微波遥感技术重点实验室研制。自2016年9月15日随天宫二号空间实验室发射升空以来，天宫二号高度计获取了海量小入射角雷达图像和宽刈幅海面测高数据，为人类对地观测提供了全新视角，在海洋科学研究和应用研究方面发挥了重要价值。近期，中国科学院国家空间科学中心微波遥感技术重点实验室张云华研究员团队的孙孟博士生等设计并实现了一整套适用于宽刈幅成像高度计数据的重力异常反演方法。具体包括：开阔海域和海陆边界的重采样与景拼接、适用于重力反演的基线误差校正、针对宽刈幅数据的垂线偏差解算方法及GPU实现等，并在南海复杂地形海域开展了基于天宫二号高度计数据的重力反演实验。图一所示为天宫二号高度计和国外Jason-2+SARAL反演所得重力异常和残余重力异常。从定性角度看，二者结果高度一致，均能清晰揭示南海地区海底地形结构。尽管如此，残余重力异常对比表明，天宫二号高度计反演结果在更高的空间分辨率下波动较小。同时从图中放大的菲律宾巴拉望岛（Palawan  Island）附近反演结果也可看出，天宫二号高度计在近岸的表现更优异。图一：南海区域天宫二号高度计与Jason-2+SARAL反演所得重力异常（上）和残余重力异常（下）在定量评估方面，以国际上广泛认可的海洋重力模型SIO   V32.1、DTU17和EGM2008等为参考，天宫二号高度计反演结果的均方根误差比传统高度计结果小1mGal左右；以美国国家环境信息中心（NCEI）的船测重力数据为参考，天宫二号高度计反演结果的均方根误差比传统高度计约小0.6mGal。图一的反演结果采用了191轨的天宫二号高度计数据和3018轨的Jason-2  (1406轨) + SARAL  (1612轨)数据。这些实验结果充分展示和验证了天宫二号雷达高度计具有的更高观测效率、更高垂线偏差东向分量精度、更好的北向和东向分量精度一致性、以及更高的重力异常精度和更高的空间分辨率。图二：重力异常误差随离岸距离变化趋势鉴于南海区域岛屿众多且海岸线复杂，研究团队以离海岸线距离进一步划分实验区域，开展了更精细的对比研究。图二所示结果表明，尽管天宫二号高度计和传统高度计的反演精度都会受到陆地的影响，但得益于垂线偏差东向分量的改善，天宫二号高度计的均方根误差始终小于传统高度计。此外，天宫二号高度计在沿海地区受陆地影响更小，展现出宽刈幅雷达高度计在近岸海面测高和重力反演上的较大提升潜力。图三：天宫二号高度计反演所得西太平洋（左）及中国南海（右）特定区域的海底地形在高精度海洋重力场反演的基础上，研究团队翟文帅副研究员等进一步开展了海底地形反演研究。他们基于天宫二号高度计反演的重力异常数据，应用重力地质法（GGM）和Smith-Sandwell方法（SAS）获得了位于西太平洋和中国南海两处5°×5°大小的海底地形，分辨率为1′×1′，如图三所示，这是首次由宽刈幅成像雷达高度计数据所绘制的海底地形图。以船测水深数据为参考，两个区域的海底地形反演结果均方根误差分别为69.882m和50.110m。与国际上五个权威全球地形模型的最新版本相比较，天宫二号高度计结果优于分辨率同为1′的DTU  21模型和SIO topo  V25.1模型，在南海海域甚至优于分辨率为15″的SRTM15+V2.5.5模型，与ETOPO2022模型和GEBCO2023模型的精度十分接近。以上研究成果发表在地学和遥感领域期刊IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing、Remote Sensing和Marine Geodesy上。文章及链接：Meng  Sun, Yunhua Zhang, Xiao Dong, and Xiaojin Shi, "Performance of  Tiangong-2 Interferometric Imaging Radar Altimeter on Marine Gravity  Recovery Over the South China Sea," IEEE Transactions on Geoscience and  Remote Sensing, vol. 62, pp. 1-13, 2024. DOI: 10.1109/TGRS.2024.3429404.Meng  Sun, Yunhua Zhang, Xiao Dong, and Xiaojin Shi, "Preliminary Results of  Marine Gravity Recovery by Tiangong-2 Interferometric Imaging Radar  Altimeter," Remote Sensing, vol. 15, no. 19, 4759, 2023. DOI:  10.3390/rs15194759.Wenshuai  Zhai, Yunhua Zhang, Meng Sun, Xiao Dong, and Xueyan Kang, "Seafloor  Topography Recovery Using the Observation Data of Tiangong-2  Interferometric Imaging Radar Altimeter," Marine Geodesy, pp. 1-19,  2024. DOI: 10.1080/01490419.2024.2401332.（供稿：微波室）

圆极化天线由于具有抑制法拉第旋转效应、减小雨雾干扰、抗多径干扰等优势，广泛应用于卫星通信、导航和雷达等系统中。在实际应用中高增益天线往往能够满足更多的需求，而阵列技术是实现高增益天线的一种直接有效的方式。与窄带天线相比，宽带天线能使雷达系统具有更好的抗干扰特性，同时提高雷达探测能力。因此，宽带圆极化微带阵列天线凭借其诸多优势成为了近年来的研究热点之一。图 1 新型宽带圆极化超表面阵列天线示意图尽管如此，传统微带圆极化天线设计方法产生的圆极化带宽非常有限。圆极化微带天线的带宽主要受到两个因素的限制：首先，微带天线具有较高的品质因素（Q值），而Q值越高，则意味着天线的储能越多，向外辐射的能量越少。同时，天线的Q值与带宽成反比关系；其次，谐振式天线的特性与其电尺寸密切相关，切角的方式仅能够调节中心频率处的正交模，以满足圆极化相应的相移条件。然而，当工作频率偏离中心频率时，切角结构的电尺寸将发生变化，导致难以保持中心频率时的特性。图 2  阵列天线实物图以及暗室测试环境为了解决这一技术难题，中国科学院国家空间科学中心微波遥感技术重点实验室博士研究生柳海鹏与张云华研究员、赵晓雯副研究员提出了一种新型的宽带圆极化超表面阵列天线，该阵列天线具有宽带化、低成本、和低剖面等优势（图1为设计的新型宽带圆极化超表面阵列天线）。该研究提出的宽带圆极化超表面单元能够结合两层超表面的协同作用共同实现宽带特性。同时，超表面单元天线保证在宽频带范围内满足圆极化所需的相移条件，避免复杂的馈电网络设计。此外，针对宽带阵列在高频段出现较高副瓣电平的问题，基于方向图叠加原理提出的寄生切角方环，能够在不额外增加阵列尺寸且不影响阵列其它辐射特性的前提下，降低了阵列在高频段的副瓣电平。该超表面阵列天线具有宽带化、小型化的优点，在一些需要宽带化的小型化雷达系统中具有良好的应用前景；同时，宽带天线能使雷达系统具有更好的抗干扰特性，同时提高雷达探测能力。图 3  阵列天线|S11|仿真与实测结果图 4  阵列天线的轴比和增益仿真与实测结果该研究成果发表在微波天线领域期刊IEEE Transactions on Antennas and Propagation上。研究得到了中国科学院青年促进会基金（2022148）、国家自然科学基金（61901451）等的支持。文章链接H.  Liu, Y. Zhang and X. Zhao, "A Wideband Circularly Polarized Antenna  Array Loaded With Dual-Layer Metasurface," in IEEE Transactions on  Antennas and Propagation, vol. 72, no. 8, pp. 6717-6722, Aug. 2024, doi:  10.1109/TAP.2024.3365269.https://ieeexplore.ieee.org/document/10440036（供稿：微波室）

金星探测是解答太阳系类地行星形成和演化、地球宜居性形成和未来发展、太阳系外宜居星球搜索策略等行星科学重大前沿问题的关键。已有的金星大气遥感探测任务以可见光、红外至紫外光谱手段为主，由于浓厚硫酸云层的遮蔽，导致这些探测手段穿透大气深度有限，主要获取了中、高层大气和云上信息，对于60km高度以下的低层大气，仍存在诸多观测空白，制约了人类对金星低层大气热力与化学过程、表面和大气交换与耦合、气候演化等科学问题的认识理解。中国科学院国家空间科学中心微波遥感技术重点实验室董晓龙研究员、张子瑾特别研究助理等提出了利用轨道器多波段微波辐射计遥感探测金星低层大气温度和硫化物浓度廓线的新方法。该方法利用低频微波的强穿透能力，穿透金星硫酸云获取表面温度数据，并利用二氧化碳、二氧化硫和硫酸气体吸收导致的不同微波频段穿透特性的差异，通过多波段微波辐射探测，获取金星低层大气温度、二氧化硫和硫酸气体浓度垂直剖面数据，以及它们随时间和经纬度的变化特征。为了证实该方法的可行性，研究人员建立了针对金星大气的被动微波辐射传输模型，利用该模型开展了探测通道配置设计和正演仿真，结果表明，通过低频和高频被动微波探测相结合，能够实现金星低层大气温度、二氧化硫和硫酸气体浓度垂直剖面信息获取。研究人员进一步建立了基于贝叶斯理论的低层大气廓线反演算法，并利用金星国际参考大气（VIRA）和已有就位探测数据等开展了端到端仿真，结果表明，算法对金星低层大气温度、二氧化硫和硫酸气体浓度廓线的反演精度分别优于3.5K、35%  和30%。图1 利用金星大气辐射传输模型仿真的金星圆盘平均观测亮温与地基射电望远镜测量结果的对比（实线表示模型仿真结果，圆圈表示地基射电望远镜观测结果）图2 金星低层大气温度、二氧化硫和硫酸气体浓度垂直剖面反演精度（实线表示低海拔情况，虚线表示高地情况）此项研究通过系统的前向和反演仿真首次证实轨道器多波段微波辐射计能够实现金星低层大气温度、二氧化硫和硫酸气体浓度垂直剖面的精确探测，研究成果为我国空间科学卫星工程候选任务“金星火山与气候探测任务（VOICE）”论证提供了重要的技术支撑，为该任务实现金星全球云下大气成分及热力结构探测能力突破以及金星气候研究等重大科学突破奠定了基础。此项研究得到了国家自然科学基金、中国科协青年人才托举工程、中国科学院空间科学先导专项、空间中心“攀登计划”项目的资助。研究成果近日发表于国际期刊Earth  and Space Science。文章链接：Zhang, Z.,  Dong, X., Xu, J., He, J., & Wang, W. (2024). Frequency channel  selection and performance simulation of a microwave radiometer for  temperature and sulfuric compound profiling of the Venusian lower  atmosphere. Earth and Space Science, 11, e2023EA003429.  https://doi.org/10.1029/2023EA003429（供稿：微波室）

　　冰盖的变化是全球变化的关键要素。冰盖内部温度和密度廓线指的是冰盖内部温度和密度的垂直分布特征，是影响冰盖内部动力和热力过程的主要因素，同时也是冰盖物质平衡与演化等科学问题的重要输入参数。现有的冰芯和钻孔等现场测量方式不能够提供冰盖空间分布观测信息，卫星遥感手段主要获取冰盖覆盖范围和表面状态信息。基于低频微波的穿透特性发展新的主被动低频微波探测技术是冰盖探测的前沿技术和方向。其中，探冰雷达主要提供内部结构信息，低频超宽带微波辐射计具有获取内部温度和状态信息的潜力。探测冰盖内部温度廓线的方法主要受到冰盖内部分层结构、积雪层密度波动特征等因素的影响，克服积雪层密度波动特征的干扰是反演冰盖内部温度廓线时所面临的主要挑战；而目前尚未有研究提出利用遥感探测手段对冰盖积雪层密度波动特征进行有效估计的方法。此外，辐射亮温对冰盖内部温度的约束能力会随深度增加而减弱，深层冰盖温度的反演精度也将受到很大限制。　　为进一步提高冰盖内部温度和密度廓线的探测能力，中国科学院国家空间科学中心微波遥感技术重点实验室董晓龙研究员、白东锦博士生、朱迪研究员提出一种冰盖内部温度和密度廓线的主被动微波联合遥感探测方法，并获得国家发明专利授权。该项技术综合考虑主被动探测通道提供的冰盖内部物理性质分布与冰盖内部结构和反射特征的约束信息，将是实现冰盖内部温度和密度垂直分布特征有效探测的新的技术发展方向。　　近期，白东锦、董晓龙、朱迪等人在中国科学院科研仪器设备研制项目“空基主被动冰川探测仪”、国家重点研发计划“高分辨率极区冰冻圈主被动微波探测技术”等项目的持续支持下，同国外合作者联合研究冰盖内部温度和密度廓线的主被动微波联合遥感探测方法取得重要成果，并利用现有主被动遥感观测数据条件下应用到实际冰盖区域进行了有效性验证。研究人员首次基于物理散射算子架构建立了能够全面考虑分层冰盖媒质中非相干散射作用和层间相干作用的分层媒质综合辐射与散射前向模型，并提出了利用UHF和VHF波段探冰雷达回波剖面测量估计冰盖积雪层密度波动特征的方法。在此基础上，利用发展的积雪层辐射修正模型对辐射亮温中积雪层作用的影响进行了有效估计和修正。进而，联合探冰雷达回波剖面测量估计的冰体介电吸收衰减与P-L波段宽带辐射亮温观测提供的互补约束信息，研究人员基于贝叶斯估计架构提出了冰盖内部温度廓线的主被动联合反演算法，并基于机载主被动遥感探测数据，对格陵兰冰盖测线上的内部温度廓线和积雪层密度随机波动特征进行了反演和验证。研究结果表明，利用主被动联合遥感探测方法能够显著提高冰盖内部温度和密度垂直分布特征的探测能力。在与实际冰芯测量的比较中看到，根据探冰雷达回波剖面估计的密度波动标准差分布是对冰芯测量的密度波动随深度变化特征的有效描述。密度波动参数的估计结果能够用于修正冰盖辐射前向模拟，降低积雪层密度波动特征引入的不确定度。此外，相比于单独利用被动辐射探测通道反演冰盖温度廓线的方式，联合探冰雷达回波衰减特征与宽带辐射亮温观测能够显著提高深层冰盖温度的反演精度，实现冰盖内部温度廓线的有效约束。这将为未来冰盖主被动联合遥感探测的研究和发展打下重要基础。　　在前期关于关于利用探冰雷达回波剖面约束的积雪层密度波动特征提高辐射前向模型对冰盖实测亮温模拟能力的研究成果（IGARSS  2020和IGARSS 2022）的基础上，关于分层媒质综合辐射模型的研究成果已被IEEE Transactions on Geoscience  and Remote Sensing接收（https://doi.org/10.1109/TGRS.2023.3249793）。(a) B29冰芯区域密度估计与测量值比较    (b) GRIP区域辐射亮温中积雪层作用的修正　　图1  格陵兰冰盖积雪层密度波动特征估计及辐射亮温修正结果　　(a) 分析区域测线       (b) 冰盖温度廓线反演    (c) 钻孔区域温度反演结果比较　　图2  冰盖内部温度廓线反演分析区域及反演结果　　（供稿：微波室）

海表流场是关键海洋动力环境要素，对海洋多尺度动量与能量过程、海气耦合、海洋物质能量输运和生化循环过程等研究都具有重要意义。目前全球海表流场的观测主要利用漂流浮标的原位测量数据，以及利用卫星高度计数据反演得到的地转流，在空间分辨率和对流场表征的完整性上都存在不足。基于海面回波多普勒频移测量的多普勒散射计可实现对全球海表全流场矢量全天时、全天候、宽刈幅的连续观测，是卫星海洋学的重要前沿方向。中国科学院国家空间科学中心微波遥感技术院重点实验室董晓龙研究员课题组的苗媛静等人针对海面全流场卫星遥感的多普勒测量和反演，基于海面后向散射多普勒模型分析了不同海浪谱模型对海表流场反演的影响，利用现有星载、机载和岸基观测结果优化了海面后向散射多普勒模型的海浪方向谱模型，对风-浪引起的多普勒频移进行了定量估计和分析。研究结果表明：海面波浪谱模型的选择对于海表流场的反演有较大影响；在海面流场观测时进行同程海浪谱和海面风场的测量，可进一步减小海浪谱模型误差和海面风场误差对流场反演的影响；直接利用后向散射测量数据发展联合反演理论和方法可有效减小海面风场误差引入的流场误差，是提高流场反演精度的重要研究方向。上述结果为未来海面全流场的卫星遥感观测技术发展提供了重要参考。图 基于海面后向散射多普勒模型计算的风-浪引起的多普勒速度与半经验多普勒模型的对比结果该研究得到中国科学院空间科学战略性先导专项背景型号“全球海表流场观测卫星（OSCOM）”预先研究课题的支持，研究成果发表在地学和遥感领域著名期刊IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing （IEEE TGRS ，IF 5.6 ，Scopus CiteScore 11.1）上。Citation: Yuanjing. Miao ,Xiaolong. Dong*,Mark. A. Bourassa and Di. Zhu,"Effects of Ocean Wave Directional Spectra on Doppler Retrievals of Ocean Surface Current,"in IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,vol. 60,pp. 1-12,2022,Art no. 4204812,doi: 10.1109/TGRS.2021.3126327.（供稿：微波室）

空间中心科研人员在微波散射计海面风场测量质量控制基础研究和应用中取得新进展
　　星载微波散射计是获取海面风场的有效传感器。在40余年的海面风场遥感观测历史中，实现微波散射计观测的海面后向散射系数与海面风场映射的经验模型：地球物理模型函数（GMF）得到了长足发展。然而在遥感场景中，与风场相比而言，具有更小空间尺度、更大快变特性的降水（云）的出现，将在观测风场中引入异质特性，扭曲观测的后向散射系数与GMF的映射关系，使得反演的风场偏离真实值。观测偏离模型的程度能通过质量控制因子进行量化表示，而通过假设检验的方法，对质量控制因子数值设定阈值，能实现这类观测的标记与剔除。质量控制的过程是微波散射计数据信息提取的关键环节。微波散射计海面风场反演业务运行系统中，常用的质量控制因子有三种，其中最早提出，也是最有效应用的是基于观测与模型间欧氏距离和的因子“MLE”。
　　空间中心微波室徐星欧副研究员与荷兰皇家气象局（KNMI）进行合作研究，对降水导致风场的空间异质进行定量化，提出了微波散射计海面风场反演的第四种质量控制因子Joss，研究理论成果于2020年正式发表于《IEEE地球科学与遥感》（TGARS）杂志。后续合作研究和分析表明，该因子对降水的表征特性优于已有的质量控制因子，同时，从原理上，与MLE具有互补特性。近日，徐星欧与荷兰皇家气象局合作，完成了该因子用于微波散射计风场反演业务运行的方法确定及结果评估报告，该质量控制因子以数值预报质量控制（NWP-QC）和短临预报质量控制（Nowcasting-QC）的形式，形成业务运行系统中的新型质量标识方法，正式应用于包括中法海洋卫星（CFOSAT）、海洋（HY）系列卫星散射计等的Ku波段散射计降水影响观测的质量标识，纳入欧洲气象卫星组织（EUMETSAT）海洋与海冰卫星应用装置（OSI SAF）中，荷兰皇家气象局承担负责的微波散射计数据处理和反演业务系统。该系统为用户提供准实时的产品和信息，新型质量控制方法的引入，有助于更真实地表达降水存在条件下动力环境；其中，较为保守的NWP-QC替代了原有基于“MLE”的质量控制方法，而较为松弛的Nowcasting-QC则投入短临预报应用，为填补降水条件下短临预报数据缺失的空白做出贡献。
　　以Joss为基准（纵轴），2DVAR风场为横轴，对数据进行排序显示：颜色表示散射计观测风场单元的降水量（左图），对应区域与C波段质量接收风场的矢量差（中图）和对应的考察样本数（右图）。由图可见，Joss对降水具有很好地区分性质。
　　海洋2B星（HY-2B）散射计观测于2021年4月29日UTC20:00，位于北大西洋52° N, 45° W附近的风场（KNMI业务系统反演结果）。左图为使用MLE QC, 中间为使用NWP QC，右图为nowcasting QC质量控制的对应结果。质量剔除的风场以黑色箭头表示。