12月16日成功發射的地表水和海洋地形學（SWOT）衛星有望為地球表面的大部分地區提供非同尋常的水統計。它對淡水和海洋的測量將幫助研究人員解決我們這個時代的一些最緊迫的氣候問題，並幫助社區為一個變暖的世界做好準備。使之成為可能的是一個名為Ka波段雷達干涉儀（KaRIn）的科學儀器。

經過多年的開發，該儀器被設計用來捕捉地球淡水體和海洋中水的高度的非常精確的測量。KaRIn將測量海洋中的水的高度，”看到”直徑小於13英里（20公里）的水流和渦流等特徵，這比其他海平面衛星探測到的要精確10倍。它還將收集面積超過15英畝（62500平方米）的湖泊和水庫以及寬度超過330英尺（100米）的河流的數據。

國際SWOT任務的成員在南加州美國宇航局噴氣推進實驗室的無塵室中測試Ka波段雷達干涉儀（KaRIn）的一根天線。資料來源：NASA/JPL-Caltech

位於南加州的美國宇航局噴氣推進實驗室的KaRIn儀器經理Daniel Esteban-Fernandez說：”對於淡水來說，這將是我們知識上的一個飛躍”。例如，研究人員目前只擁有全世界幾千個湖泊的良好數據；SWOT將把這個數字增加到至少一百萬。

尖端的KaRIn儀器是這項國際任務的核心，這是美國國家航空航天局和法國國家空間研究中心（CNES）之間長期合作的最新成果，加拿大航天局（CSA）和英國航天局也做出了貢獻。

到目前為止，研究人員希望研究水體時依靠的是在特定地點測量的儀器–如河流或海洋中的測量儀–或者是基於空間的儀器，沿著他們從軌道上可以看到的地球的狹窄”軌道”收集數據。然後，如果研究人員想要更廣泛地了解一個水體中正在發生的事情，就必須進行推斷。

KaRIn則不同，該雷達儀器使用電磁波頻譜中的Ka波段頻率來穿透雲層和黑夜。因此，它可以不受天氣或時間的影響進行測量。該儀器的配置包括在一個33英尺（10米）長的吊桿兩端各有一個天線。通過將雷達脈衝彈出水面，用兩根天線接收返回信號，KaRIn將沿著衛星兩側30英里（50公里）寬的範圍收集數據。

“有了KaRIn的數據，我們將能夠真正看到正在發生的事情，而不是依靠這些推斷，”位於北卡羅來納大學教堂山分校的NASA淡水科學領導Tamlin Pavelsky說。

兩個KaRIn天線將從553英里（890公里）高空看到地球上的同一地點。由於天線從兩個方向看地球上的一個特定點，反射回衛星的信號到達每個天線時，彼此的步調或相位都略有不同。利用這個相位差、兩根天線之間的距離和雷達波長，研究人員可以計算出KaRIn正在觀察的水的高度。

SWOT的Ka波段雷達干涉儀（KaRIn）儀器的兩根天線在軌道上展開。資料來源：NASA/JPL-Caltech

這樣一個傑出的儀器對開發它的團隊提出了很多要求。首先，需要有穩定性。”Daniel Esteban-Fernandez說：”有兩根天線看著地面上的同一個地方，但是如果它們的腳印不重疊，你就不會看到任何東西。這是任務在創建KaRIn時面臨的許多技術挑戰之一。”

工程師們還需要準確了解SWOT在太空中的位置，以確保KaRIn數據的準確性。例如，如果研究人員不知道航天器是傾斜的，他們就無法在計算中考慮到這一點。”想像一下，由於航天器的移動，吊桿會滾動，所以一個天線比另一個天線略高，這將歪曲結果，讓看起來所有的水都在一個斜坡上。”因此，工程師們在衛星上安裝了一個高性能的陀螺儀，以考慮到SWOT的位置變化。

設計KaRIn的工程師們還必須考慮傳輸的雷達功率的大小。”Esteban-Fernandez說：”為了測量精確到厘米的東西，需要發射1.5千瓦的雷達脈衝，這對這樣的衛星來說是巨大的功率。為了產生這種功率，就必須有幾萬伏的電壓在衛星上運行。”工程師們需要使用特定的設計和材料來實現這一點。