日前，“中欧静止轨道毫米波大气探测仪样机”研制成功，并在北京顺利通过了测试验收。该样机（图1）由两套综合孔径微波辐射计系统构成：其中一套为大气温度探测仪，工作在50~56 GHz氧气吸收频段，是在科技部“863计划”和中国科学院重点方向性项目的支持下，由中国科学院国家空间科学中心负责研制；另一套为大气湿度探测仪，工作在183 GHz水汽吸收频段，是在欧洲空间局空间科学与技术研究中心（ESTEC）预研项目的支持下，由瑞典Omnisys公司负责研制。两套系统在中国科学院国家空间科学中心完成系统的集成和测试。经过现场测试，两套系统的空间分辨率都达到或超过了指标要求，从静止轨道高度（36000 km）上观测时可达到优于50 km的地面分辨率。
图1 中欧静止轨道毫米波大气探测仪样机
微波辐射计的发展历程
回顾历史，1946 年，美国麻省理工大学迪克（Robert Dicke）制造出了世界上第1台真正意义上的微波辐射计，由此开启了被动微波遥感这个重要研究领域。随着卫星技术的发展，微波辐射计很快进入了星载应用阶段，开始在对地观测领域发挥作用。1978 年，美国第1颗搭载圆锥扫描微波辐射计的业务卫星SMMR发射升空，标志着星载微波辐射计真正开始进入业务化应用阶段，此后以微波辐射计为依托的被动微波遥感在大气、海洋、土壤、植被等众多地球科学和环境资源领域发挥着越来越多、越来越不可替代的重要作用。
然而，微波辐射计的空间分辨率严重依赖于天线口径的大小，不能像合成孔径雷达那样通过主动发射相干信号来提高空间分辨率，这是被动遥感器的一个共性。因此大尺寸天线的加工、机械扫描以及折叠运输等技术难题成为制约微波辐射计空间分辨率的主要障碍。20世纪80年代末期，综合孔径干涉测量技术被引入到被动微波遥感领域，这为提高微波辐射计的空间分辨率提供了一条有效途径。综合孔径技术是利用稀疏排列的小口径天线阵来实现等效大孔径天线的观测效果，因此避免了大口径天线所面临的一系列难题。2009 年，欧洲空间局发射的SMOS卫星首次搭载了L波段综合孔径辐射计，其观测数据在土壤湿度和海水盐度探测中发挥了重要作用，充分体现了综合孔径技术在被动微波遥感领域的应用价值。
静止轨道应用需求及发展现状
随着应用需求的不断增长，微波辐射计面临着越来越高的指标要求。静止轨道大气探测是目前微波辐射计面临的一个亟待攻克的应用领域。与极轨卫星相比，静止轨道卫星在观测视场和时间分辨率方面具有绝对优势，可以实现覆盖1/3地球区域的大视场和分钟级的高观测频次，因此静止轨道卫星是对台风、暴雨和强对流等灾害性天气系统监测预警的最佳手段。然而，受限于观测距离远、分辨率要求高等因素，目前静止轨道气象卫星仅能依靠红外和可见光探测。红外和可见光等光学波段虽然容易实现较高的空间分辨率，但却只能探测到云层顶部信息，而微波具有很强的穿透性，既可以透过云雨大气探测云层底部信息，同时又可以通过与云层的相互作用来获取云雨大气的内部信息、反演大气的温度和湿度三维结构以及降水参数，因此微波成为大气探测必不可少的探测频段。发展静止轨道微波探测技术，实现对地球大气全天候、全天时、大区域、高频次的观测，对提高未来天气预报的准确率具有重大意义。
静止轨道微波探测是目前国际对地观测领域最前沿、最迫切，也最具挑战性的课题之一。美国早在20世纪70年代就提出了静止轨道微波探测的构想，20世纪90年代进一步提出了具体概念——GEM，随后欧洲也提出了类似概念——GOMAS。这些概念都是基于传统真实孔径机械扫描的微波辐射计方案。由于真实孔径方案所需天线口径太大、精度要求太高以及难以实现快速二维机械扫描等技术障碍，加之耗资需求巨大，这些概念一直停留在方案设计阶段。进入21世纪后，随着干涉式综合孔径技术的发展和成熟，美国和欧洲又相继提出了采用综合孔径技术的静止轨道微波探测仪方案，例如美国航空航天局（NASA）提出的GeoSTAR概念和欧洲空间局（ESA）提出的GAS概念。这些概念目前都已经历了两代地面样机（图2、图3）研制阶段。
图2 美国GeoSTAR 第1 代（左）和第2 代（右）地面样机
