微波遥感技术：给大气做“CT”

9月30日13时34分，中国极轨气象卫星"风云三号"C星携带的新一代微波湿度计向地面接收站传回首批大气监测数据。这标志着我国成为国际上首个利用同一台设备实现大气湿度与温度探测的国家。

这台微波湿度计是中科院国家空间科学中心微波遥感技术院重点实验室研究员张升伟、王振占团队历时两年的研究成果。面对《中国科学报》记者的提问，两人谈起了这台仪器的创新之处。

"这台微波湿度计每2.667秒就可以扫描2700公里的地表宽度，约一个半小时就可以围绕地球转一圈。"担任此次微波湿度计主任设计师的张升伟向记者介绍说，"作为卫星主载荷之一，与‘风云三号’A、B星相比，C星微波湿度计的探测频率从原来的两个增加到四个，探测通道数量也由原来的五个增加到十五个，这是C星微波湿度计区别于A、B星的最大特点。"

据了解，"风云三号"A、B星微波湿度计包括183GHz和150GHz两个探测频率，主要负责对大气垂直高度的水汽分布进行层析探测。C星在原有基础上增加了89GHz和118GHz两个探测频，是国际上首次在极轨气象卫星上搭载118GHz辐射计，该频段能够测量大气温度的垂直分布，使C星可以实时获取大气同一时间、同一地区的温度和湿度廓线。

"而利用多个探测通道可以对大气垂直层面进行类似于‘CT扫描’式的分层探测。通道越多，分层就越精细，探测精度也就越高，有利于提高中长期数值天气预报的准确性。"微波湿度计副主任设计师王振占告诉记者。

然而，通道多了两倍，问题也随之而来。如何在20兆赫的带宽下实现高灵敏度指标具有很大挑战，项目组技术人员通过反复计算、多次设计，终于高标准完成任务；同时，由于仪器在真空定标过程中真空罐每打开一次要耗费上百万元，为了节省费用，负责定标工作的王振占等人还设计了一款自动升降机，减少了原来定标过程中重复开启真空罐的花费。

从2003年"风云三号"A星微波湿度计开始研制到2013年C星微波湿度计的升级换代，十年来，我国微波湿度计实现了从无到有以及技术攀升的过程，推动了我国气象卫星微波遥感技术走向国际领先水平，也为未来"风云四号"卫星以及其他型号的亚毫米波、太赫兹辐射计研发提供了技术基础。

"我国微波湿度计虽然比美、欧起步晚了近20年，但起点却很高，具体表现为‘三高’：高频率、高精度、高分辨率。"张升伟说。而这中间无不浸透着该实验室老中青三代科研人员的心血。

作为我国微波遥感技术领域创始人之一，中国工程院院士姜景山以战略发展的眼光，在2000年布置了微波湿度计的预先研究和技术攻关，并且A星微波湿度计在国际上首次实施垂直极化和水平极化双通道探测方案，提高了降雨预报的准确性。

同时，在A星微波湿度计之前，国内星载微波辐射计尚无真空定标的先例，王振占带领的真空定标小组"摸着石头过河"，通过多次摸底试验，形成了一套规范的操作方法，在国内首次实现了星载微波辐射计上天前的真空定标，为我国其他航天工程型号，如探月工程嫦娥卫星、"海洋二号"等微波辐射计的真空定标提供了成熟的经验。

从2008年至今，通过全天时、全天候地探测全球大气水汽含量，"风云三号"A、B星的两台微波湿度计为预测预报台风、暴雨等灾害性天气发挥了重要作用。事实上，正是由于"风云三号"A、B星微波湿度计的出色表现，其科学数据已被同化进欧洲中长期数值预报模式。随着第三台微波湿度计在轨组网运行，我国气象监测水平和天气预报能力将进一步提升。

谈起微波湿度计创新成功的"秘诀"，张升伟告诉记者："航天仪器要拿产品说话，务实求真、周到细致的航天精神就是我们的工作理念。"

"1×X=Y。在这个函数公式中，地面上工作是1，上天后的工作是X，如果X=0，所有的工作结果就是零。因此我们一切地面工作的目标就是确保‘X=1’。"王振占说。

十年来，中国科学院微波遥感技术重点实验室已经为我国航天任务培养了一批年轻的科研骨干人才。发稿前夕，王振占荣获2013年度"赵九章优秀中青年科学奖"。面对未来，两位研究员表示，中科院的目标是引领创新，而国际航天领域的竞争归根结底是人才的竞争，因此人才队伍的建设将是未来实验室发展重点之一。

两位研究员还向记者透露，尽管当前我国微波湿度计等仪器整体已可以实现创新，但鉴于当前我国工业技术水平与国外差距较大，一些关键微波部组件，尤其是100GHz以上频率的部组件国内尚无航天级产品。因此，要实现整个国产仪器设备的创新任重而道远，还需要从根本上实现我国高频率微波元器件的国产化，高精密组装、测试等生产、工艺水平还需进一步提高