微波成像 “天宫”观海

崔馨月

2016年10月29日04:11  来源:人民网-人民日报海外版
 

  三维成像微波高度计测海示意图

  搭载着“天宫二号”升入太空的三维成像微波高度计,是国际上第一次实现宽刈幅海面高度测量并能进行三维成像的微波高度计。在轨运行期间,可为研究全球的海洋动力环境(包括海平面高度、海面风浪和洋流)提供直接的科学观测数据,同时为全球能量交换、气候变化的研究提供不可或缺的科学依据。

  “天宫”观海的必要性

  浩瀚而又神秘的海洋不仅仅是人类最大的资源库,蕴藏着极为丰富的生物、化学、矿产资源和能源,还是自然界水循环系统的重要组成部分,对地球上的气候、水文生态环境有极其重要的影响。

  海平面高度是最基本的海洋水文参数之一,与全球水循环关系最为密切。由于气候变化、海水热容量变化、地球自转等原因,海平面始终处于升降变化之中。升降幅度较小,或按照一定的周期发生有规律的升降变化属于“正常”的升降活动,一般不会引发自然灾害。而“异常”的升降活动是指海平面高度突发性、超常规地上升、下降的现象,往往夹杂在“正常”的升降活动之中不易辨别,这就对高度计精确度提出了更高要求,如“厄尔尼诺现象”中,海平面的变化幅度仅为分米级,只有微波高度计能够敏锐捕捉到。

  “这个三维成像微波高度计能以几厘米到十几厘米的精度精确测量数十公里观测幅宽范围内的海平面高度,并且获得海面的三维形态。”“天宫二号”微波成像高度计分系统主任设计师张云华表示,“国际上还没有能实现这样功能的雷达设备在轨运行。”

  海洋水下环境能反映到海平面的变化上,所以“天宫二号”三维成像微波高度计除感知海平面高度的细微变化外,另一重任就是对海洋水深进行测量。

  全球的海洋水下环境十分复杂,有不同高度的海山和不同深浅的海沟,海底呈现复杂的地形特征。三维成像微波高度计通过对海洋水深的精确测量,进而反演海底地形。张云华表示:“这是实现海洋测绘的重要技术手段之一。”

  人类对水下环境的掌握对保障航海安全至关重要,同时只有深入地、清晰地了解海洋环境,才能更加高效地开发和使用海洋资源。

  测量实验的先进性

  “天宫二号”所搭载的三维成像微波高度计是基于干涉测量技术获得三维海面形态、测量海平面高度的仪器。它是由双天线、双前端、双接收机、双功率放大器功发、发射机、频综器、数控单元以及电源等12台单机组成,其中天线采用波导缝隙阵列天线形式,是中国目前在Ku波段(电磁波通过频率划分的其中一种波段)同类天线整体加工焊接尺寸较大的天线。Ku波段的大功率固态功放也是中国在该波段300W量级功放的首次星载应用。

  在测量海平面高度时,它利用小入射角、一发双收的双天线和双通道接收机获取高相干海面回波,利用高度计的高精度干涉相位测量能力以及波形跟踪能力,精确获得宽刈幅范围内描述海面高度的干涉相位信息。最后,通过对干涉相位信息进行处理、精确、恢复高度计的双天线相位中心与测量海面点的几何关系,从而确定平均海平面的高度值。

  对于什么是“宽刈幅”,张云华解释说,“宽刈幅”是指垂直于飞行方向的观测/测绘范围(即幅宽)达到数十公里。

  相比于传统海洋高度计在海洋观测中只能获得星下点3000米左右观测的范围,即获得沿轨迹方向星下点的一维海平面高度测量,“天宫二号”搭载的这个微波高度计在三维海洋表面观测方面幅宽提高10倍,观测刈幅可以达到几十公里,观测效率和性能得到极大的提升,进而提高了对海洋环境的监测效率和对海洋灾害预报的能力。

  此次三维成像微波高度计的在轨运行,是中国星载微波遥感技术的一次重大突破,可为中国新一代的海洋动力环境观测卫星提供达到国际先进水平的微波载荷。同时,它也是国际上第三个星载双天线微波干涉雷达。

(责编:袁勃、赵竹青)

推荐阅读

航天科技集团董事长:2025年左右建成航天强国国防部第五研究院的成立,标志着中国航天事业正式诞生。经过60年发展,中国航天从无到有、从小到大,目前已经是名副其实的航天大国,并正在向建设航天强国的目标阔步前行。在中国航天事业创建60年纪念日前夕,人民网记者专访了中国航天科技集团公司董事长、党组书记雷凡培。【详细】

2016年9月“科学”流言榜:无籽葡萄抹了避孕药9月“科学”流言榜今天发布,无籽葡萄抹了避孕药、地铁安检后的食品不能吃等十条“科学流言”入榜。流言:时下正值吃葡萄的时节,但近日一段视频在微博、微信上大量传播,让不少人“望葡萄却步”。视频中,一位“果农”模样的男子一边搬运葡萄,一边和拍摄者对话,称无籽葡萄是“蘸了避孕药的”。真相:避孕药只有在进入人体后才能被人的响应识别机制所识别……【详细】