空间中心研制有效载荷助力“风云三号”系列报道
近日，记者走访了空间中心这三项有效载荷的相关研制单位，从此文起，将分别对这三台有效载荷的技术特点、创新难点、应用与发展前景等情况进行系列报道。
之一：微波湿度计
由国家八六三计划微波遥感技术实验室研制的微波湿度计，是我国首台用于探测大气湿度垂直分布的星载高频率毫米波辐射计。其主要任务是探测大气湿度垂直分布、水汽含量、云中液态水含量、降水等，为数值天气预报提供重要参数，在大气探测中具有重要作用。
微波遥感是利用微波波段电磁波的辐射、散射与传输特性对目标进行探测的一种遥感技术，是空间观测包括对地观测、宇宙空间和行星观测的重要手段。绝对温度在0K以上的所有物体都能发射和吸收微波。
中国于2002年发射神舟四号飞船时，搭载了我国第一台进入太空的多模态微波遥感器，包含了雷达高度计、雷达散射计和微波辐射计三种微波遥感设备。雷达高度计是主动式微波遥感器，通过向海洋表面发射脉冲、电磁波信号，对反射回来的数据进行处理，用于探测海平面高度和海洋波高等参数；雷达散射计也是主动式微波遥感器，通过接收发射信号的海面回波信号，测量海洋风速和风向；而微波辐射计包括五个频率，频率范围为6.6~37GHz，探测海洋表面温度、土壤湿度、海洋和陆地降水、云中液态水含量等要素。
“风云三号”卫星上搭载的微波湿度计则采用被动微波遥感技术，并不向观测目标发射信号，而是直接接收陆地表面、大气中水汽等目标自身的微波辐射，经反演处理得到大气中湿度、降水等气象要素。
“风云三号”卫星微波湿度计由电源单元、控制与数据处理单元和天线与接收机单元等三台独立的单机组成，分别用于供电、数据采集控制以及接收探测数据。
“风云三号”卫星微波湿度计的频率为150GHz和183GHz，其中150 GHz为大气窗区频率，是辅助探测频率；183GHz为主频率，又分为三个不同的吸收频率通道，用以获取大气层不同高度的水汽分布信息。
“风云三号”卫星微波湿度计
采访中记者了解到，“风云三号”卫星上搭载的微波湿度计与以前相比，实现了两个“第一”。
首先，这是国内微波遥感仪器探测频率首次高达183GHz。曾在神舟四号、嫦娥一号上搭载的微波遥感仪器，所采用的最高频率为37GHz，目的在于观测海洋。而由于“风云三号”卫星科学目标之一是探测大气水汽的垂直分布，原有的频率不能满足观测需求，因此微波湿度计的探测频率第一次达到了183 GHz的高频。
其次，这也是国内第一次采用准光学的极化分离技术，大大提高了观测水平。传统的微波器件极化分离技术多适用于低频设备，如果应用于高频率的“风云三号”微波湿度计，可能会导致极化分离器损耗较大，难以达到高精度要求。因此为了满足设计需要，研制人员针对150 GHz的极化分离，第一次采用准光学的创新手段，实现了水平极化和垂直极化的双极化分离，减小了损耗，进一步提高了仪器性能。
“风云三号”卫星微波湿度计频率已经接近亚毫米波段，从设计到调试的复杂性远远超出了低频设备，为了进一步完善系统各功能单元之间工作的协调性与的匹配性，以姜景山院士为首席科学家的全体研制人员付出了大量的心血，其间攻克的技术难关更是超越以往。
性能良好的微波辐射计，其输出电平与输入信号功率强度之间呈线性关系。在卫星上进行工作时，如果系统线性度好，系统定标只需使用两个定标源即可（高温定标源为仪器内部的吸收体，其温度即为微波湿度计所处环境温度，低温定标源为宇宙冷空背景的微波辐射），一个扫描周期观测两个定标源各一次，并把观测到的结果计算目标的亮温；如果线性度不好，会出现较大的非线性误差，造成较大反演误差。频率提高后，系统线性度更难以保证，一开始研制人员用原有低频方式进行调试，发现非线性误差较大，因此及时对系统重新进行设计，经过一个多月的摸索和不断改进，最终找到线性度较好的工作点，成功完成线性度改造。理想状态的线性度数值为1，经过改造后的线性度从原来的0.999精确到0.99999，小数点后的变化，凝聚了研制人员精益求精的刻苦攻关精神。
定标是提高卫星应用水准精确性的重要环节，要实现微波遥感的定量化应用，对定标的精度提出很高的要求。为此，微波湿度计研制人员在卫星总体——上海航天技术研究院申请制作了专门的定标平台，进行了热真空定标试验，这也是国内首次微波辐射计的热真空系统定标。经过最后确认，定标精度达到了1.5K，满足了微波湿度计定标精度的要求。
热真空定标试验
微波遥感手段在气象卫星中的应用，对提高天气预报的准确性，尤其是提高对台风、强降雨等灾害性天气的预报具有重要意义。“风云三号”卫星微波湿度计于6月4号开机后，在轨连续运行，各种参数正常，在今夏我国遭遇“海鸥”、“凤凰”和“森拉克”等台风侵袭的过程中发挥了重大监测作用，成功监测到台风及强降雨对台湾及东南沿海的影响过程，所获微波数据在立体空间结构上也对台风的强度分布、发展趋势提供了有意义的参考信息，为业务人员更好的研究和预测及提高数值预报天气的准确性提供了有利依据。
北京奥运会期间，“风云三号”卫星更是全天24小时对气象环境进行全面监测。微波湿度计等微波遥感仪器，对大气温湿度的垂直分布状况进行监测，为分析大气的运动和变化及提高中长期数值预报能力和天气预报准确率提供支撑，为北京奥运会的成功举办提供了有力的气象服务。
“风云三号”卫星微波湿度计技术已达到国际同类遥感器水平，而空间中心在研制高频率微波辐射计方面具备的强劲综合实力，更是处于国内领先地位。展望未来，空间中心今后微波湿度计的研制将继续向扩展频率、增加通道和提高指标等方向发展，以期进一步提高探测水平，为我国卫星气象事业发展做出更大贡献。
“风云三号”卫星微波湿度计对台风“凤凰”监测的微波亮温图
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