“天宫二号”科普：微波高度计在太空中测量海平面

即将发射的“天宫二号”空间实验室安排了地球科学观测及应用、空间科学实验及探测、应用新技术等领域的十余项高精尖的任务，这些实验有的是在探索宇宙最深处的奥秘，有的是帮助人们更好的认识海洋和大气，有的甚至是在解决将来星际旅行时食物的问题…

如何“玩转”这么多高难度任务并保障它们有序、安全地运行下去呢？代表中国科学院牵头负责的中国科学院空间应用工程与技术中心，承担了“天宫二号”任务规划、总体管理和技术集成工作。

接下来的一段时间里，科学大院将带大家一起了解这些“高大上”太空实验的神奇之处…

今天我们来介绍国际上领先的可以三维成像的微波高度计。

“天宫二号”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。它采用小角度、高精度干涉测量技术，能精确获得海面的干涉条纹信息，进而获得三维海面形态，再经过复杂的定标最终获得宽刈幅范围内的海平面高度测量。

为啥要用微波高度计测海？

浩瀚而又神秘的海洋是人类最大的资源宝库，蕴藏极为丰富的生物、化学、矿产资源和能源，是人类扩大生存空间、推动经济发展的重要领域。

相对于陆地而言，占地球表面积71%的海洋拥有全球97%的水量，是自然界水循环的重要组成部分，并对地球上的气候、水文生态环境有着极其重要的影响。

海洋虽然蕴藏着可促进人类社会发展的巨大宝藏，但也是很多重大自然灾害发生的源头。

海洋灾害的发生，往往伴随着海洋环境的异常变化，例如局部海洋区域的海面高度和海面温度的异常升高。

而海面高度的异常升高，例如“厄尔尼诺现象”，幅度仅为分米级，只有微波高度计能够敏锐地捕捉到这种细微的变化，同时还需要去除赤潮、海啸和风暴潮的干扰。

因此，人类只有深刻地、清晰地了解海洋环境的安全性，才能真正的开发和使用海洋资源。

微波高度计项目的实施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，同时也为全球能量交换、气候变化的研究提供不可或缺的科学依据。

根据高度计观测获得的平均海平面图

根据高度计观测得到的飓风热势场

微波高度计有什么功能？

这里，我们以海平面高度和海洋水深测量为例来说明微波高度计的功能。

海平面高度

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。

海面异常升降是指海平面高度超常规的上升、下降的现象。由于潮汐作用、气候变化、海水热容量变化、地球自转速度变化等原因，海面始终处于复杂的升降变化之中。

如果升降幅度较小，或者按照一定的周期发生有规律的升降变化，则属于“正常”升降活动，一般不会引发自然灾害。相反，如果发生大幅度的异常变化，则往往会给人类社会造成危害，例如海啸、风暴潮等。

除这些突发性的海面异常升降外，实际中还会发生长期的趋势性海面上升或下降，这也有可能对人类社会产生严重危害。

例如海面如果持续上升，不但会加剧风暴潮灾害，还会改变沿海地区的自然地理和生态环境，使广大低海拔地区出现被海水浸没的危险，可能引发世界范围的重大环境问题。

导致海面高度异常变化的主要因素包括：自然原因和“温室效应”造成的气候变化；由构造运动和地面沉降活动引起的滨海陆地升降；冰川消融以及河流入海水量变化。

根据NASA/CNES合作的TOPEX/Poseidon卫星以及Jason-1卫星高度计在1993-2008年为期16年的观测结果，而获得的全球海平面升高情况（单位为mm）(由University of Colorado 提供)

海洋水深

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，对水下环境的掌握对保障航海安全至关重要。

海洋水下环境往往可反映到海平面的变化上，因此微波高度计担当的另一个重任就是对海洋的水深进行测量，进而反演海底地形，它是实现海洋测绘的重要技术手段之一。

由高度计观测数据得到海底地形测量的处理过程

天宫二号微波高度计有多先进？

相比于传统海洋高度计的观测刈幅仅为几公里，天宫二号微波高度计的观测刈幅达到几十公里，观测效率和性能得到了极大的提升，进而可提高对海洋环境的监测效率和对海洋灾害预报的能力。

国际上已经发射和将要发射的微波高度计卫星

“天宫二号”高度计将成为国际上第一个实现宽刈幅高精度三维海洋观测的微波高度计。

它的成功在轨运行，将是我国星载微波遥感技术的一次重大突破，可为我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。

“天宫二号”高度计也是国际上第三个星载双天线微波干涉雷达（第一个为2000年美国NASA开展的奋进号航天飞机SRTM的干涉SAR，第二个为2010年6月欧空局发射升空的CryoSAT/SIRAL）。

天宫二号微波高度计怎样工作？

“天宫二号”微波高度计的工作原理如下图所示。

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，通过对干涉相位进行处理精确恢复高度计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。

我们可以模拟“天宫二号”高度计在轨获得的海面干涉条纹图，经过反演得到三维海面图。

从三维海面图中，我们可以进一步得到海平面高度和海面浪高的测量结果。

高度计所获得海面干涉条纹图（模拟）

经过反演得到的三维海面图（模拟）

传统海洋微波高度计在海洋观测中只能获得星下点3km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”微波高度计在三维海洋表面观测方面比传统高度计幅宽提高10倍，极大提高了观测效率，所获取的观测数据，对于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）具有非常重要的作用。

天宫二号微波高度计如何组成？

“天宫二号”三维成像微波高度计由双天线、双前端、双接收机、双功率放大器功放、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，是我国目前在Ku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我国在该波段300W量级功放的首次星载应用。

天宫二号高度计天线

天宫二号高度计大功率固态功率放大器

高度计天线安装位置示意图

由谁设计和研制？

“天宫二号”微波高度计的设计和研制工作由中国科学院国家空间科学中心微波遥感技术院重点实验室姜景山院士担任首席科学家、张云华研究员担任主任设计师的团队完成。

研制工作得到了中电科技集团第55所、成都天箭科技有限公司、航天科技518所和航天科工23所得大力协作和支持，也得到了中科院空间应用工程与技术中心的重要技术支持。

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