隨著2月20日新一輪對(duì)地觀測(cè)周期的結(jié)束，天宮二號(hào)三維成像高度計(jì)已在軌運(yùn)行888天。迄今為止，天宮二號(hào)高度計(jì)已經(jīng)獲得大量重點(diǎn)海區(qū)和典型陸地區(qū)域的觀測(cè)數(shù)據(jù)。在海洋觀測(cè)中，在進(jìn)行海平面高度測(cè)量的同時(shí)，觀測(cè)到了大量海面雨團(tuán)、強(qiáng)降雨、內(nèi)波、海洋鋒面、涌浪、溢油、渦旋、淺海地形調(diào)制等典型海洋現(xiàn)象，這些觀測(cè)數(shù)據(jù)將在海洋環(huán)境和海洋科學(xué)研究中發(fā)揮獨(dú)特作用。在陸地觀測(cè)中，天宮二號(hào)三維成像高度計(jì)成功獲取了我國(guó)青藏高原湖泊以及大量的內(nèi)陸湖泊、江河水體、典型沙漠、亞馬遜熱帶雨林等典型地表的觀測(cè)數(shù)據(jù)。初步研究表明，其對(duì)較大湖泊水位高度變化的監(jiān)測(cè)能力強(qiáng)于在軌的雷達(dá)高度計(jì)。由于對(duì)水體高度敏感，天宮二號(hào)高度計(jì)展現(xiàn)了對(duì)海岸帶的獨(dú)特觀測(cè)能力。

近日，國(guó)家海洋局第二海洋研究所、國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心和中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心研究人員在天宮二號(hào)高度計(jì)海面風(fēng)速反演方法研究中取得進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了海面風(fēng)速的高精度反演，研究成果最近在遙感領(lǐng)域期刊IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN APPLIED EARTH OBSERVATIONS AND REMOTE SENSING上發(fā)表。

星載雷達(dá)高度計(jì)是一種能夠以厘米級(jí)的精度精確測(cè)量海平面高度的微波遙感器，是海洋動(dòng)力環(huán)境觀測(cè)的主要遙感器之一，其在海洋科學(xué)、海洋環(huán)境觀測(cè)和預(yù)報(bào)、全球氣候變化研究中發(fā)揮著不可替代的作用。

2016年9月15日22:04分，由中科院空間中心微波遙感技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制的天宮二號(hào)三維成像微波高度計(jì)隨天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室在酒泉衛(wèi)星發(fā)射基地發(fā)射升空，成為國(guó)際上第一個(gè)突破傳統(tǒng)星載高度計(jì)只能進(jìn)行星下點(diǎn)沿飛行方向一維線觀測(cè)、刈幅只有數(shù)公里的局限，單側(cè)幅寬達(dá)到數(shù)十公里、海平面高度相對(duì)測(cè)量精度達(dá)到厘米級(jí)、絕對(duì)測(cè)量精度達(dá)到分米級(jí)的寬刈幅雷達(dá)高度計(jì)（如果軌道高度800公里以上則能夠?qū)崿F(xiàn)單側(cè)100公里以上的觀測(cè)幅寬）。天宮二號(hào)高度計(jì)在實(shí)現(xiàn)寬刈幅海面測(cè)高的同時(shí)，可對(duì)海面三維形態(tài)以及海洋內(nèi)波進(jìn)行觀測(cè)，還可對(duì)海面風(fēng)速和海面有效波和波向進(jìn)行測(cè)量。天宮二號(hào)高度計(jì)以前所未有的1-8度視角從太空對(duì)地球海洋和陸地進(jìn)行雷達(dá)干涉成像觀測(cè)，以這一獨(dú)特的視角所獲取的觀測(cè)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)了許多獨(dú)特現(xiàn)象，例如對(duì)海面和陸表水體呈現(xiàn)強(qiáng)散射，有利于對(duì)地球水體的觀測(cè)，對(duì)沙漠的干涉觀測(cè)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出很好的相干性。

天宮二號(hào)高度計(jì)是繼美國(guó)NASA奮進(jìn)號(hào)航天干涉SAR（SRTM）試驗(yàn)（2000年）、歐空局測(cè)冰衛(wèi)星Cryosat-2（2010年）的SIRAL之后國(guó)際上第三個(gè)星載雙天線干涉雷達(dá)，同時(shí)也是迄今對(duì)地球進(jìn)行成像觀測(cè)的電磁波頻率最高的雷達(dá)。

天宮二號(hào)高度計(jì)自2016年9月22日首次開(kāi)機(jī)以來(lái)，設(shè)備工作狀態(tài)良好，性能穩(wěn)定，先后經(jīng)歷了在軌測(cè)試階段和拓展試驗(yàn)階段。在軌測(cè)試結(jié)果表明所有工程指標(biāo)和儀器性能指標(biāo)均達(dá)到或超過(guò)任務(wù)要求，觀測(cè)刈幅超過(guò)了35公里，在沒(méi)有搭載用于濕大氣路徑時(shí)延校正的微波輻射計(jì)的條件下，利用大氣數(shù)值模型進(jìn)行路徑試驗(yàn)估計(jì)，使海平面相對(duì)測(cè)高精度達(dá)到8.2厘米，在定軌精度為分米量級(jí)的情況下絕對(duì)測(cè)高精度達(dá)到21厘米，海面風(fēng)速測(cè)量精度約1.65米/秒，波向測(cè)量精度優(yōu)于15度。

天宮二號(hào)高度計(jì)實(shí)現(xiàn)了多方面的技術(shù)突破和創(chuàng)新：

在總體技術(shù)方面，在國(guó)際上首次試驗(yàn)驗(yàn)證了采用小入射角和短基線干涉測(cè)量技術(shù)以及新型高度跟蹤技術(shù)實(shí)現(xiàn)寬刈幅海平面高度厘米級(jí)測(cè)量精度的工作機(jī)理，并在國(guó)際上首次獲得了三維海面形態(tài)觀測(cè)結(jié)果；在高相干雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、仿真、研制技術(shù)以及高精度信號(hào)處理技術(shù)方面，雷達(dá)系統(tǒng)的干涉相位測(cè)量精度達(dá)到0.02度。所研制的高度跟蹤器和自動(dòng)增益控制算法實(shí)現(xiàn)了全球海陸觀測(cè)的自動(dòng)切換和自適應(yīng)跟蹤與控制。

在單項(xiàng)技術(shù)方面，在國(guó)際上首次星載應(yīng)用Ku 波段超過(guò)100W 大功率脈沖固態(tài)功放；憑借Ku 波段高增益波導(dǎo)縫隙陣天線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了一體化設(shè)計(jì)，加工和焊接的單體電尺寸達(dá)到國(guó)內(nèi)最大；推動(dòng)實(shí)現(xiàn)了高保相成像算法、高精度定位算法以及高精度干涉基線校正方法等信號(hào)處理方法和算法。

圖1. 天宮二號(hào)高度計(jì)與歐空局ASCAT風(fēng)速反演精度對(duì)比。色標(biāo)圖中的數(shù)字代表入射角。

圖2. 天宮二號(hào)高度計(jì)與歐空局ASCAT風(fēng)速反演精度散點(diǎn)圖對(duì)比。對(duì)比的誤差范圍用黑色直線標(biāo)出。色標(biāo)圖中的數(shù)字代表入射角。

圖3至圖9給出了天宮二號(hào)成像高度計(jì)所觀測(cè)到的部分典型的海洋現(xiàn)象以及陸表水體和沙漠的觀測(cè)結(jié)果。

圖3. 某海域的海面觀測(cè)結(jié)果。上圖：幅度圖像，下圖：三維海面。幅度圖像清楚反演了海浪的信息，而三維圖像更加清楚地反映了涌浪的信息。三維海面原始的空間分辨率約為100m，可經(jīng)多視處理成公里量級(jí)以消除海浪對(duì)海面測(cè)高的影響，得到厘米級(jí)精度的海平面高度。

圖4. 某海域的內(nèi)波和海面溢油（上）、孤立波（左下）以及淺海地形調(diào)制現(xiàn)象（右下）的觀測(cè)結(jié)果。結(jié)果表明，在小入射角情況下，內(nèi)波和孤立波以及淺海地形對(duì)海面后向散射的調(diào)制仍可得到清楚地反映。

圖5. 菲律賓東的多個(gè)處于不同生長(zhǎng)期的雨團(tuán)：有的處于快速生長(zhǎng)期，有的處于成熟期，有的處于消亡期。由于小入射角觀測(cè)的特點(diǎn)，雨團(tuán)的后向散射系數(shù)隨入射角的變化不再敏感，同時(shí)后向散射系數(shù)一般都大于10dB。雨團(tuán)空洞區(qū)域的后向散射系數(shù)比其它區(qū)域的后向散射系數(shù)一般低10-20dB。雨團(tuán)是一種在熱帶和亞熱帶海域經(jīng)常出現(xiàn)的反映大氣與海洋相互作用過(guò)程的現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)雨團(tuán)的觀測(cè)，有助于對(duì)海面強(qiáng)降雨形成機(jī)制的研究。

圖6. 黃海海域不同大小船只的尾跡觀測(cè)結(jié)果。四種船只尾跡，即開(kāi)爾文、窄V、內(nèi)波、湍流尾跡均在此場(chǎng)景中觀察到。尤其是所觀察到的窄V 和內(nèi)波尾跡與理論模型高度一致。船只尾跡不僅在后向散射系數(shù)較弱的背景（低風(fēng)速區(qū)）中，而且在后向散射系數(shù)較強(qiáng)的高風(fēng)速區(qū)均能得到反映。說(shuō)明在小入射角情況下，尾跡對(duì)海面粗糙度的調(diào)制作用仍可清楚地反映到后向散射系數(shù)的變化中。

圖7. 上圖是武漢地區(qū)長(zhǎng)江以及多個(gè)湖泊的成像結(jié)果。下圖是將天宮二號(hào)高度計(jì)的幅度圖像和三維高程圖像與谷歌光學(xué)圖像（上圖）融合后的偽彩色圖像。對(duì)比光學(xué)圖像，融合后的圖像中水體的顏色更加鮮明，地表信息更加豐富。

圖8. 江蘇如東沿海海岸帶的天宮二號(hào)高度計(jì)圖像與哨兵1號(hào)光學(xué)圖像的對(duì)比。天宮二號(hào)高度計(jì)圖像中的水體呈現(xiàn)強(qiáng)散射，所反映的海岸帶層次更加豐富。（圖片來(lái)源：Google Earth）

圖9. 上圖是澳大利亞Great Victoria 沙漠的成像結(jié)果：下圖是將天宮二號(hào)高度計(jì)的幅度圖像和三維高程圖像與谷歌光學(xué)圖像（上圖）融合后的偽彩色圖像。對(duì)比光學(xué)圖像，融合后的圖像沙漠紋理更加清晰，特征更加鮮明。