中国科学院国家空间科学中心王振占团队对机载全极化微波辐射计展开研究，相关成果以“机载全极化微波辐射计系统设计及海面亮温的提取方法”（Design of airborne full polarization microwave radiometer system and extraction method of sea surface brightness temperature）为题，发表在《电子学报》2023年第2期。

内容简介

机载全极化微波辐射计是国家重大科技基础设施航空遥感系统的主要载荷之一，用于获取来自地球表面和大气的微波辐射电场的极化信息，从而反演地球表面和大气的物理参数。APMR(Airborne full polarization microwave radiometer)是一个5频点的被动微波遥感器，中心频点分别为10.7、18.7、23.8、37.0和90GHz。其中，23.8和90GHz采用水平和垂直极化接收方式；10.7、18.7和37.0GHz采用全极化接收方式，同时接收观测场景辐射的四个Stokes参数亮温。

该文在介绍我国第一台机载全极化微波辐射计APMR系统主要技术特点和基本性能指标的基础上，提出了由辐射计输出参数进行全极化定标、再进行海面亮温提取的二级数据处理方法，从而得到海面亮温的四个Stokes参数信息，其可用于海面风向、风速等参数的反演。APMR于2020年6月在东营进行了海上的搭载飞行试验，从实验结果中提取到的海面亮温与预期情况一致，这使仪器的工作性能以及海面亮温的提取方法得到验证，为未来机载平台获得海洋表面参数提供了新的技术手段。

APMR是一台5频段的被动微波辐射计，中心频点分别为10.7、18.7、23.8、37.0和90GHz。其中，23.8和90GHz采用水平和垂直极化接收方式；10.7、18.7和37.0GHz采用全极化接收方式，同时接收观测场景辐射的四个Stokes亮温。图1是APMR系统构成示意图，包括扫描头部(辐射计)、控制器、俯仰支臂(分别用于驱动和编码)、方位组合扫描装置和支撑框架。框架安装在飞机非气密舱内，辐射计安装在新舟60飞机后部的非气密开口处。采用直接计算垂直极化电场和水平极化水平极化电场的复相关技术体制，通过数字相关器的自相关和互相关计算，实现全部四个Stokes参数的测量。

图1 APMR系统总体构成示意图

海面风场信息的反演工作是根据海面亮温等参数来进行的。但是由于机载试验设备尺寸的限制，天线的波束宽度较大、上扫描角度也较小，天线波束覆盖范围内的海面亮温信息差异很大。这样的天线亮温不能被当成海面亮温直接用于海面风矢量参数的反演。为了提取海面亮温，需要建立天线亮温和该扫描角度(交轨扫描)下海面亮温的对应关系，这个过程称为天线方向图校正(Antenna pattern calibration——APC)或海面亮温的提取。

本文针对机载全极化微波辐射计交轨扫描的特点——不同扫描角度下的第三和第四斯托克斯参数均近似为不变参量。利用天线积分模型对目标范围内海面亮温积分，寻求积分结果与天线波束中心亮温的对应关系，并将此关系应用到实际试验时的天线积分亮温，从而提取得到目标亮温。关系函数与风向有关，在不同假设风向求解关系函数，并应用到亮温提取，最后验证。该方法不仅可以得到天线中心波束位置对应亮温还可以得到海面风向，因此称之为风向匹配方法。

机载飞行试验当日，天气状况良好。查阅ERA5模型数据，飞行时段海洋表面温度296.2197K，10米处风速5.4495m/s，相对风向59.7386度。将天线风向匹配方法应用于飞行试验所得到的X波段的天线亮温，提取出校正后的的海面亮温。由风向匹配方法得出当时风向为68度，这与实际风向59.7386度的误差为8.2614度。此误差与windSat10~20度(随风速变化)的设计风向精度相比，在可接受范围。利用该风向对应的拟合系数，得到飞行试验对应的校正结果，其X波段天线亮温和校正后的海面亮温如图2所示。

图2 X波段飞行数据天线亮温和对应海面亮温

该文系统介绍了国家重大科技基础设施航空遥感系统的主要载荷之一的APMR的系统组成以及性能参数。所得数据采取全极化定标和海面亮温提取的二级数据处理方法。飞行试验数据结果证明仪器工作正常，定标灵敏度以及系统稳定性的参数符合预期，数据处理最终结果与理论结果一致，这反映出APMR系统设计的正确性，为机载辐射计海面亮温的准确获取提供了切实可行的方案。

作者简介

王振占 男，1969年出生，河北秦皇岛人。研究员，博士生导师，中国科学院“百人计划”引进人才。曾承担风云三号微波湿度计定标和数据处理算法研究、嫦娥二号微波探测仪月壤辐射传输理论和应用方法研究、海洋二号微波辐射计定标、数据处理及应用研究、全极化微波辐射计定标、数字相关器及应用技术研究等科研任务。现主要从事微波遥感新技术及应用技术研究，重点包括全极化微波辐射测量技术研究、海洋大气参数的反演应用研究、微波遥感器的定标/检验技术研究以及太赫兹大气探测机理研究等。

丁甲（通讯作者） 男，1996年出生，山东枣庄人。2019年本科毕业于山东科技大学通信工程专业并获省优秀毕业生，同年保研至中国科学院大学，现于国家空间科学中心中国科学院微波遥感技术重点实验室攻读博士学位。主要研究方向为全极化辐射计的天线方向图校正、全极化辐射计的数字孪生系统仿真、全极化定标方法的研究。

论文信息

机载全极化微波辐射计系统设计及海面亮温的提取方法

王振占, 丁甲, 陆浩, 刘璟怡, 佟晓林, 李彬, 董帅, 王特, 霍长兴, 叶云华, 张祥坤, 董晓龙

电子学报, 2023, 51 (2): 275-285.

DOI: 10.12263/DZXB.20220439