天宫二号三维成像微波高度计取得系列成果

随着2月20日新一轮对地观测周期的结束，天宫二号三维成像高度计已在轨运行888天。迄今为止，天宫二号高度计已经获得大量重点海区和典型陆地区域的观测数据。在海洋观测中，在进行海平面高度测量的同时，观测到了大量海面雨团、强降雨、内波、海洋锋面、涌浪、溢油、涡旋、浅海地形调制等典型海洋现象，这些观测数据将在海洋环境和海洋科学研究中发挥独特作用。在陆地观测中，天宫二号三维成像高度计成功获取了我国青藏高原湖泊以及大量的内陆湖泊、江河水体、典型沙漠、亚马逊热带雨林等典型地表的观测数据。初步研究表明，其对较大湖泊水位高度变化的监测能力强于在轨的雷达高度计。由于对水体高度敏感，天宫二号高度计展现了对海岸带的独特观测能力。

近日，国家海洋局第二海洋研究所、国家卫星海洋应用中心和中国科学院国家空间科学中心研究人员在天宫二号高度计海面风速反演方法研究中取得进展，实现了海面风速的高精度反演，研究成果最近在遥感领域期刊IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN APPLIED EARTH OBSERVATIONS AND REMOTE SENSING上发表。

星载雷达高度计是一种能够以厘米级的精度精确测量海平面高度的微波遥感器，是海洋动力环境观测的主要遥感器之一，其在海洋科学、海洋环境观测和预报、全球气候变化研究中发挥着不可替代的作用。

2016年9月15日22:04分，由中科院空间中心微波遥感技术重点实验室研制的天宫二号三维成像微波高度计随天宫二号空间实验室在酒泉卫星发射基地发射升空，成为国际上第一个突破传统星载高度计只能进行星下点沿飞行方向一维线观测、刈幅只有数公里的局限，单侧幅宽达到数十公里、海平面高度相对测量精度达到厘米级、绝对测量精度达到分米级的宽刈幅雷达高度计（如果轨道高度800公里以上则能够实现单侧100公里以上的观测幅宽）。天宫二号高度计在实现宽刈幅海面测高的同时，可对海面三维形态以及海洋内波进行观测，还可对海面风速和海面有效波和波向进行测量。天宫二号高度计以前所未有的1-8度视角从太空对地球海洋和陆地进行雷达干涉成像观测，以这一独特的视角所获取的观测数据呈现了许多独特现象，例如对海面和陆表水体呈现强散射，有利于对地球水体的观测，对沙漠的干涉观测数据呈现出很好的相干性。

天宫二号高度计是继美国NASA奋进号航天干涉SAR（SRTM）试验（2000年）、欧空局测冰卫星Cryosat-2（2010年）的SIRAL之后国际上第三个星载双天线干涉雷达，同时也是迄今对地球进行成像观测的电磁波频率最高的雷达。

天宫二号高度计自2016年9月22日首次开机以来，设备工作状态良好，性能稳定，先后经历了在轨测试阶段和拓展试验阶段。在轨测试结果表明所有工程指标和仪器性能指标均达到或超过任务要求，观测刈幅超过了35公里，在没有搭载用于湿大气路径时延校正的微波辐射计的条件下，利用大气数值模型进行路径试验估计，使海平面相对测高精度达到8.2厘米，在定轨精度为分米量级的情况下绝对测高精度达到21厘米，海面风速测量精度约1.65米/秒，波向测量精度优于15度。

天宫二号高度计实现了多方面的技术突破和创新：

在总体技术方面，在国际上首次试验验证了采用小入射角和短基线干涉测量技术以及新型高度跟踪技术实现宽刈幅海平面高度厘米级测量精度的工作机理，并在国际上首次获得了三维海面形态观测结果；在高相干雷达系统的设计、仿真、研制技术以及高精度信号处理技术方面，雷达系统的干涉相位测量精度达到0.02度。所研制的高度跟踪器和自动增益控制算法实现了全球海陆观测的自动切换和自适应跟踪与控制。

在单项技术方面，在国际上首次星载应用Ku 波段超过100W 大功率脉冲固态功放；凭借Ku 波段高增益波导缝隙阵天线技术，实现了一体化设计，加工和焊接的单体电尺寸达到国内最大；推动实现了高保相成像算法、高精度定位算法以及高精度干涉基线校正方法等信号处理方法和算法。

图1. 天宫二号高度计与欧空局ASCAT风速反演精度对比。色标图中的数字代表入射角。

图2. 天宫二号高度计与欧空局ASCAT风速反演精度散点图对比。对比的误差范围用黑色直线标出。色标图中的数字代表入射角。

图3至图9给出了天宫二号成像高度计所观测到的部分典型的海洋现象以及陆表水体和沙漠的观测结果。

图3. 某海域的海面观测结果。上图：幅度图像，下图：三维海面。幅度图像清楚反演了海浪的信息，而三维图像更加清楚地反映了涌浪的信息。三维海面原始的空间分辨率约为100m，可经多视处理成公里量级以消除海浪对海面测高的影响，得到厘米级精度的海平面高度。

图4. 某海域的内波和海面溢油（上）、孤立波（左下）以及浅海地形调制现象（右下）的观测结果。结果表明，在小入射角情况下，内波和孤立波以及浅海地形对海面后向散射的调制仍可得到清楚地反映。

图5. 菲律宾东的多个处于不同生长期的雨团：有的处于快速生长期，有的处于成熟期，有的处于消亡期。由于小入射角观测的特点，雨团的后向散射系数随入射角的变化不再敏感，同时后向散射系数一般都大于10dB。雨团空洞区域的后向散射系数比其它区域的后向散射系数一般低10-20dB。雨团是一种在热带和亚热带海域经常出现的反映大气与海洋相互作用过程的现象。通过对雨团的观测，有助于对海面强降雨形成机制的研究。

图6. 黄海海域不同大小船只的尾迹观测结果。四种船只尾迹，即开尔文、窄V、内波、湍流尾迹均在此场景中观察到。尤其是所观察到的窄V 和内波尾迹与理论模型高度一致。船只尾迹不仅在后向散射系数较弱的背景（低风速区）中，而且在后向散射系数较强的高风速区均能得到反映。说明在小入射角情况下，尾迹对海面粗糙度的调制作用仍可清楚地反映到后向散射系数的变化中。

图7. 上图是武汉地区长江以及多个湖泊的成像结果。下图是将天宫二号高度计的幅度图像和三维高程图像与谷歌光学图像（上图）融合后的伪彩色图像。对比光学图像，融合后的图像中水体的颜色更加鲜明，地表信息更加丰富。

图8. 江苏如东沿海海岸带的天宫二号高度计图像与哨兵1号光学图像的对比。天宫二号高度计图像中的水体呈现强散射，所反映的海岸带层次更加丰富。（图片来源：Google Earth）

图9. 上图是澳大利亚Great Victoria 沙漠的成像结果：下图是将天宫二号高度计的幅度图像和三维高程图像与谷歌光学图像（上图）融合后的伪彩色图像。对比光学图像，融合后的图像沙漠纹理更加清晰，特征更加鲜明。