提起2019年的台风之最，一定非“利奇马”莫属了。

今年的第9号台风“利奇马”（超强台风级）自2019年8月10日凌晨于浙江省温岭市登陆后，一路高歌北上，肆虐了东部和东南部沿海无数城市与乡村。“利奇马”登陆时中心附近最大风力有16级（52m/s），这使其成为2019年以来登陆中国的最强台风和1949年以来登陆浙江第三强的台风。由于我国风云气象卫星和地面天气雷达网的严密监视和及时预警，人民生命财产安全得到极大保障，损失降到了最低限度，其间，毫米波太赫兹大气遥感技术起到重要作用。

试想，这样一场台风发生在其他国家，会是什么后果，我们用2013年“海燕”台风做对比，造成菲律宾6200人死亡，超过3万人失踪，90万人无家可归，波及1000万人。以至于“海燕”这个名字被气象专家“除名”不允许再被命名。

如今，“利奇马”的狂风骤雨虽然已经消散，但研究的脚步从未停止。太赫兹波由于其独特的大气敏感特性，在大气遥感领域起着越来越重要的作用，那么，如何利用太赫兹波来进行大气遥感成像，如何利用遥感技术反演大气参数，如何提高台风预报的精度等，许多科学家和工程师已经为我们付出了艰辛的努力，仅本人理解做些介绍。

太赫兹大气遥感

太赫兹波是位于微波和红外频段之间的电磁波，通常频率在0.1~10 THz 范围内，也被称为亚毫米波。大气遥感，是指仪器不直接同某处大气接触，在一定距离以外测定某处大气的成分、运动状态和气象要素值的探测方法和技术。为什么要研究太赫兹频段的大气遥感呢？是因为太赫兹遥感比起光学遥感有许多独特的优越性：

(1)能全天候、全天时工作：

由于微波具有穿云透雾和克服夜障的能力，使得微波遥感能全天候、全天时工作。

(2)对某些地物具有特殊的波谱特征：

许多地物间微波辐射能力差别较大，因而可以较容易地分辨出可见光和红外遥感所不能区别的某些目标物的特征。

(3)对冰、雪、森林、土壤等具有一定穿透能力：

微波遥感的这种特性对地下资源探测具有重要意义。

(4)对海洋遥感具有特殊意义：

微波对海水特别敏感，其波长很适于海面动态情况的观测。

(5)分辨率较低，但特性明显：

由于波长较长，衍射现象显著，故分辨率较低，且观测精度和取样速度不好协调，但特性明显是其显著优点。

图2.电磁波频段划分

在太赫兹波段，由于大气中的许多微量气体分子具有特征吸收线，因此我们可以识别出这些组分，进而确定其中大部分气体，包括羟基自由基在内的多种大气成分的浓度，从而可以反演出微量气体垂直廓线，来实现大气监测；太赫兹波对含氯、硫、氮和氰等因人类活动而排放的废气具有特殊的敏感性，因此可利用此特性进行臭氧层的大气环保监控；同时可在任何天气条件下，对于全球水汽的分布进行监测等[1]。

表1 各频段辐射计与主要探测目标的关系

图3.667GHz全球水汽分布

大气的垂直结构从低到高可分为对流层、平流层、中间层、电离层和散逸层，各层高度可见图3。随着对于获得遥感信息提出多样化和高精度等越来越多的要求，探测技术也在发生着变化。一开始我们主要应用的天底观测，逐步发展到了掩星观测和临边探测，从单一模式发展到了多种模式结合应用。同时为了提高遥感信息的精度，星上定标技术也越来越受到重视[2][3]。

图4.大气分层结构

太赫兹大气探测仪

在太赫兹大气遥感领域，太赫兹大气探测仪在大气温度、水汽廓线、冰粒子大小形状以及云和降水测量等方面都发挥着极大的作用。与可见光、红外成像系统相比，太赫兹遥感大气探测可以在黑夜正常工作，同时对云雾、烟尘、雨雪和沙暴等物质的穿透能力极强，可实现观测的全天时、全天候。目前太赫兹大气探测仪主要分为星载太赫兹大气探测仪和机载太赫兹大气探测仪[4]。

（1）星载太赫兹大气探测仪

1974年，前苏联发射的Cosmos-669卫星携带了第一个太空亚毫米波测辐射热计系统，工作频段范围：300 GHz~5 THz，用于测定大气层的降水、大气温度、云、压强、水汽等分布信息，这也是首次将太赫兹技术应用于大气探测。

1982 年美国国家海洋和大气局和美国国防部实行DMSP-Block 5D-2 计划。在1991年发射的DMSP-F11、1994 年发射的DMSP-F12和1997 年发射的DMSP-F14这三颗卫星上成功搭载用于反演水汽廓线的SSM/T-2。辐射计工作的中心的频率分别为91 GHz、150 GHz、183 GHz。这三颗卫星的成功发射，使得人类实现在任何天气条件下全球水汽分布的监测[5][6]。

1991 年，美国喷气动力实验室(JPL)发射UARS 卫星，上面成功搭载了有三个通道微波临边探测器(MLS)，三个工作的中心频段分别为63 GHz、183 GHz、205 GHz，首次成功使用全功率型常温双边带超外差式高分辨率光谱接收机技术，实现了亚毫米波临边探测应用[7]。

图5.UARS-MLS(1991)

2007年，ESA发射Herschel卫星，Herschel卫星是一台被动制冷望远镜，其主要载荷为高分辨率外差频谱仪，覆盖频段：450GHz~5THz，目的：对于深空进行宽频段探测。优势：与地基设备相比，无大气干扰，探测距离更远，分辨率更高。[8][9]

随着空间技术的进步，太赫兹技术在大气观测领域的应用越来越广泛，我国的星载太赫兹大气探测仪也逐步登上国际舞台。

2008-2013年间，中国成功发射三颗“风云三号”系列气象卫星，风云三号是我国第二代极轨气象卫星，卫星上成功搭载了微波湿度计（MWHS）、微波温度计（MWTS）、微波成像仪(MWRI)等有效载荷，FY-3中频段覆盖范围从10.65~183GHz中的多个频段，载荷主要用于对于大气温度、大气湿度、降水和云水、大气可降水、海平面温度和风速、土壤湿度和温度、雪盖等进行探测，该系列卫星不仅造福于中国，对于国际社会的大气、气象、水文和环境等业务起到有益的作用[11]。

风云三号卫星每天会对全球扫描2次，每次扫描宽度为2900公里。由于其上携带着多达11种有效载荷和90多种探测通道，可以不分白天黑夜，对任何气象环境进行探测。同时，风云三号还携带有垂直探测仪，可以对地面上空30多公里的范围形成立体的彩色图像，从而大大增强了气象预报的精细化和准确度。

  图6.风云三号示意图

2016年12月11日，搭载风云四号卫星的运载火箭在西昌卫星发射中心点火升空。风云四号气象卫星的研制涉及多家科研单位，北京理工大学毫米波与太赫兹技术北京市重点实验室参与了部分研制任务。风云四号卫星是世界上第一颗颗地球同步轨道三轴稳定定量气象遥感卫星。该卫星首次使用了全新研制的SAST5000平台，设计寿命7年，成功突破了代表国际前沿的高精度图像定位与配准、微振动测量与抑制等多项核心关键技术。卫星上搭载了干涉式大气垂直探测仪、多通道扫描成像辐射计、闪电成像仪和空间环境监测仪这四种先进的有效载荷，可为天气的分析与预报、气候预测、空间环境监测等提供服务[12]。其中搭载的太赫兹辐射计，最高工作频率425GHz。

图7.风云四号气象卫星载荷

近年来，随着微电子、微机械、纳米等技术的发展和卫星设计思想的创新，现在卫星变得越来越小，其中，“立方星”脱颖而出，太赫兹载荷由于其体积小、功耗小等特点，已被立方星采用，2018年，美国发射一颗用于冰云探测的立方星，辐射计工作频率883GHz，已经获取大量冰云探测数据。

立方星最初是由加州理工大学和斯坦福大学的一个团队于1998年发起的。当时两所大学的教授们提出“能否在一个10厘米见方的立方体里面实现卫星的全部功能？”，由此发动了多个团队研制这样的卫星，并命名为“CubeSat（立方星）”。所谓“麻雀虽小，五脏俱全”。立方星尽管体积小，但大卫星需要的系统包括星务管理、通信、电源、姿态确定与控制、结构热控、载荷等，它身上全都有。且立方星还具有成本低、功能密度大、研制周期短、入轨快的特点，通过组网形成星座，可实现对海洋、大气环境、船舶、航空飞行器等的监测。可应用于空间遥感成像，通信，大气研究，生物学研究，新技术试验平台等方面。 

图8.立方星示意图

2015年9月25日，中国长征十一号运载火箭载着四颗卫星飞向太空，其中就有3颗立方星。预期在不远的将来，我国的气象卫星技术和水平将实现更大的突破和跨越。

（2）机载太赫兹大气探测仪

SWCIR（submillimeter—wave cloud ice radiometer）由美国JPL实验室研制，搭载于DC-8 飞机上，四个中心频率为：643GHz、448GHz、325GHz和183GHzS，共有四个工作通道，探测目标：对流层上层冰云的冰水路径和等效球形粒子半径，主要工作目的：研究和验证辐射计对于量化卷云微物理特性的探测，以此来发展轻便和低耗的空基冰云辐射计技术[12]。

CoSSIR（Conical Scanning Sub—millimeter—wave Imaging Radiometer）由NASA/戈达德航天飞行中心研制，中心频率：183 GHz、220 GHz、380 GHz、487 GHz和640 GHz，共有12个通道，搭载于NASA-ER2飞机，探测目标：遥感冰云的粒子尺度和冰水路径，同时可用于遥感水汽廓线和降雪率[5]。结果显示：在毫米波波段的噪声较大，但太赫兹波段相较于低频段，其对冰云粒子更敏感，并可以联合CloudSat 系统反演IWC 和Dme[13]。

Marschals由ESA 在研制，主要为了验证MASTER 的可行性、亚毫米波频段的优势以及MASTER 光谱辐射计的需求。该探测仪为机载外差式光谱仪，采用临边探测方式。共有三个工作频段，分别为：300GHz，321GHz和345GHz，探测目标为部分气体成分在亚毫米波段的热辐射高光谱[14]。

综上所述，无论是何种平台的大气探测仪，接收机基本结构和工作原理大致相同，只是为了适应不同的场合，在天线型式、定标方式、接收机保温措施等方面略有不同。太赫兹探测仪的工作频率都是在大气敏感窗区通道，近年来，664GHz、874GHz等太赫兹频率已被用于冰云探测；极化通道已成为太赫兹探测仪的必要配置；太赫兹探测仪的关键器件决定系统性能，器件噪声性能影响系统的测量精度。

太赫兹相关技术在大气遥感领有着巨大的应用潜力，太赫兹辐射计在大气温度、水汽廓线、冰粒子大小形状以及云和降水测量等方面均具有独特的优势，在其研制和使用过程中，也涉及多项前沿技术，例如大口径天线的研制、太赫兹准光系统研制、太赫兹混频器设计、太赫兹低噪声放大器设计、系统定标、亮温图像分辨率增强、太赫兹频段正演建模以及大气参数温湿度廓线反演等，都是目前亟需发展的重要技术，有待学术界、产业界上下游共同努力，形成我国完全自主知识产权的太赫兹大气遥感技术，风云气象卫星更是大国重器。

风云气象卫星已被世界气象组织纳入全球业务应用气象卫星序列，成为全球综合地球观测系统的重要成员，也是国际灾害宪章机制的值班卫星，正在为全球93个国家和地区、国内2600多家用户提供卫星资料和产品。不断蹿升的国际影响力使得中国风云卫星在国际外交的多个重要场合被反复提及。

2018年6月10日，在青岛上合组织峰会上，习近平主席宣布“中方愿利用风云二号气象卫星为各方提供气象服务”；7月10日，在北京召开的中阿合作论坛上，习近平主席提出“要共建‘一带一路’空间信息走廊，发展航天合作，推动中国北斗导航系统和气象遥感卫星技术服务阿拉伯国家建设”；9月4日，在中非合作论坛北京峰会期间，习近平主席主持通过的《北京行动计划（2019-2021年）》提出：“中方愿继续为非洲国家提供风云气象卫星数据和产品以及必要的技术支持”。

值此中华人民共和国成立70周年之际，世界气象组织（WMO）秘书长佩蒂瑞·塔拉斯向中国国家主席习近平发来贺信，塔拉斯在贺信中高度评价了中国在应对全球气候变化和防御极端灾害方面所做的工作，“这彰显了中国的全球担当”；风云气象卫星国际应用、世界气象中心（北京）的运行，“展现了中国对全球气象能力建设的贡献”。今后，风云气象卫星也必将面向国家重大战略、面向全球用户的服务水平，为构建人类命运共同体贡献中国智慧和中国力量。

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作者： 王璐  张铣宸  陈实