「天宮二號」科普:微波高度計在太空中測量海平面

2020-12-02 騰訊網

即將發射的「天宮二號」空間實驗室安排了地球科學觀測及應用、空間科學實驗及探測、應用新技術等領域的十餘項高精尖的任務，這些實驗有的是在探索宇宙最深處的奧秘，有的是幫助人們更好的認識海洋和大氣，有的甚至是在解決將來星際旅行時食物的問題…

如何「玩轉」這麼多高難度任務並保障它們有序、安全地運行下去呢？代表中國科學院牽頭負責的中國科學院空間應用工程與技術中心，承擔了「天宮二號」任務規劃、總體管理和技術集成工作。

接下來的一段時間裡，科學大院將帶大家一起了解這些「高大上」太空實驗的神奇之處…

今天我們來介紹國際上領先的可以三維成像的微波高度計。

「天宮二號」三維成像微波高度計是國際上第一次實現寬刈幅海面高度測量並能進行三維成像的微波高度計。它採用小角度、高精度幹涉測量技術，能精確獲得海面的幹涉條紋信息，進而獲得三維海面形態，再經過複雜的定標最終獲得寬刈幅範圍內的海平面高度測量。

為啥要用微波高度計測海？

浩瀚而又神秘的海洋是人類最大的資源寶庫，蘊藏極為豐富的生物、化學、礦產資源和能源，是人類擴大生存空間、推動經濟發展的重要領域。

相對於陸地而言，佔地球表面積71%的海洋擁有全球97%的水量，是自然界水循環的重要組成部分，並對地球上的氣候、水文生態環境有著極其重要的影響。

海洋雖然蘊藏著可促進人類社會發展的巨大寶藏，但也是很多重大自然災害發生的源頭。

海洋災害的發生，往往伴隨著海洋環境的異常變化，例如局部海洋區域的海面高度和海面溫度的異常升高。

而海面高度的異常升高，例如「厄爾尼諾現象」，幅度僅為分米級，只有微波高度計能夠敏銳地捕捉到這種細微的變化，同時還需要去除赤潮、海嘯和風暴潮的幹擾。

因此，人類只有深刻地、清晰地了解海洋環境的安全性，才能真正的開發和使用海洋資源。

微波高度計項目的實施可為研究全球的海洋動力環境（包括海平面高度，海面風浪和洋流）提供直接的科學觀測數據，同時也為全球能量交換、氣候變化的研究提供不可或缺的科學依據。

根據高度計觀測獲得的平均海平面圖

根據高度計觀測得到的颶風熱勢場

微波高度計有什麼功能？

這裡，我們以海平面高度和海洋水深測量為例來說明微波高度計的功能。

海平面高度

海平面高度是最基本的海洋水文參數之一，與全球水循環關係最為密切。

海面異常升降是指海平面高度超常規的上升、下降的現象。由於潮汐作用、氣候變化、海水熱容量變化、地球自轉速度變化等原因，海面始終處於複雜的升降變化之中。

如果升降幅度較小，或者按照一定的周期發生有規律的升降變化，則屬於「正常」升降活動，一般不會引發自然災害。相反，如果發生大幅度的異常變化，則往往會給人類社會造成危害，例如海嘯、風暴潮等。

除這些突發性的海面異常升降外，實際中還會發生長期的趨勢性海面上升或下降，這也有可能對人類社會產生嚴重危害。

例如海面如果持續上升，不但會加劇風暴潮災害，還會改變沿海地區的自然地理和生態環境，使廣大低海拔地區出現被海水浸沒的危險，可能引發世界範圍的重大環境問題。

導致海面高度異常變化的主要因素包括：自然原因和「溫室效應」造成的氣候變化；由構造運動和地面沉降活動引起的濱海陸地升降；冰川消融以及河流入海水量變化。

根據NASA/CNES合作的TOPEX/Poseidon衛星以及Jason-1衛星高度計在1993-2008年為期16年的觀測結果，而獲得的全球海平面升高情況（單位為mm）(由University of Colorado 提供)

海洋水深

全球的海洋水下環境十分複雜，有不同高度的海山和不同深淺的海溝，海底呈現複雜的地形特徵，對水下環境的掌握對保障航海安全至關重要。

海洋水下環境往往可反映到海平面的變化上，因此微波高度計擔當的另一個重任就是對海洋的水深進行測量，進而反演海底地形，它是實現海洋測繪的重要技術手段之一。

由高度計觀測數據得到海底地形測量的處理過程

天宮二號微波高度計有多先進？

相比於傳統海洋高度計的觀測刈幅僅為幾公裡，天宮二號微波高度計的觀測刈幅達到幾十公裡，觀測效率和性能得到了極大的提升，進而可提高對海洋環境的監測效率和對海洋災害預報的能力。

國際上已經發射和將要發射的微波高度計衛星

「天宮二號」高度計將成為國際上第一個實現寬刈幅高精度三維海洋觀測的微波高度計。

它的成功在軌運行，將是我國星載微波遙感技術的一次重大突破，可為我國新一代的海洋動力環境觀測衛星提供達到國際先進水平的微波載荷。

「天宮二號」高度計也是國際上第三個星載雙天線微波幹涉雷達（第一個為2000年美國NASA開展的奮進號太空梭SRTM的幹涉SAR，第二個為2010年6月歐空局發射升空的CryoSAT/SIRAL）。

天宮二號微波高度計怎樣工作？

「天宮二號」微波高度計的工作原理如下圖所示。

利用小入射角、一發雙收的雙天線和雙通道接收機獲取高相干海面回波，利用高度計的高精度幹涉相位測量能力以及波形跟蹤能力，精確獲得寬刈幅範圍內描述海面高度的幹涉相位信息，通過對幹涉相位進行處理精確恢復高度計雙天線相位中心與測量海面點的幾何關係，從而確定平均海平面的高度值。

我們可以模擬「天宮二號」高度計在軌獲得的海面幹涉條紋圖，經過反演得到三維海面圖。

從三維海面圖中，我們可以進一步得到海平面高度和海面浪高的測量結果。

高度計所獲得海面幹涉條紋圖（模擬）

經過反演得到的三維海面圖（模擬）

傳統海洋微波高度計在海洋觀測中只能獲得星下點3km左右觀測的範圍，即獲得沿軌跡方向星下點的一維海平面高度測量，「天宮二號」微波高度計在三維海洋表面觀測方面比傳統高度計幅寬提高10倍，極大提高了觀測效率，所獲取的觀測數據，對於研究全球的海洋動力環境（包括海平面高度，海面風浪和洋流）具有非常重要的作用。

天宮二號微波高度計如何組成？

「天宮二號」三維成像微波高度計由雙天線、雙前端、雙接收機、雙功率放大器功放、發射機、頻綜器、數控單元以及電源等12臺單機組成。

其中，天線採用波導縫隙陣列天線形式，是我國目前在Ku波段同類天線整體加工焊接尺寸較大的天線。Ku波段的大功率固態功放也是我國在該波段300W量級功放的首次星載應用。

天宮二號高度計天線

天宮二號高度計大功率固態功率放大器

高度計天線安裝位置示意圖

由誰設計和研製？

「天宮二號」微波高度計的設計和研製工作由中國科學院國家空間科學中心微波遙感技術院重點實驗室姜景山院士擔任首席科學家、張雲華研究員擔任主任設計師的團隊完成。

研製工作得到了中電科技集團第55所、成都天箭科技有限公司、航天科技518所和航天科工23所得大力協作和支持，也得到了中科院空間應用工程與技術中心的重要技術支持。

相關焦點

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