[科普中国]-无源微波遥感

简介无源微波遥感

非天体目标的辐射测量，特别是微波谱段的非相关电磁辐射的辐射测量技术,一般称之为无源微波遥感技术。近年来,随着空间技术的高速发展,使得微波半导体技术、微波器件和微波技术得到了极迅速的发展,从而使无源微波遥感技术成为一门新兴的科学。

无源微波遥感技术实际上是通过使用微波辐射计,用辐射测量技术(即不直接接触被研究的目标)感测被研究的目标在微波谱段内反射的、发射的或吸收的非相关电磁辐射,然后经过某种变换的数学处理,从中提取对被研究目标的有用信息。

无源微波遥感技术一般包含三个部分:

1.微波辐射的探测,常用的仪器为微波辐射计。

2.信息的处理和封读,即对所获得的信息作各种校正和处理,以便识别各种目标的类别和属性。

3.辐射特性的研究,即对各种目标辐射的、反射的非相关波谱进行大量实况调查和测量的基础工作。1

无源微波遥感具有全天时、全天候工作能力,并对某些海洋参数和状态(盐度、温度、油溢等)具有独特的大面积、快速、定量检测的能力。2

辐射测量辐射测量术是测量由一定目标或介质所反射的、发射的或吸收的非相关电磁辐射的专门技术。辐射计则是进行这种测量的一种高灵敏度接收机或其它形式的检测设备。在无线电技术发展史上,辐射测量技术在本世纪三十年代首先用于对天体现象的无线电观测,即所谓射电天文观测,后来发展成为射电天文学这一天文学中新兴的重要学科。1

基本原理物理基础我们知道,对于具有表面发射率ε值大于零,处于绝对零度以上的任何物体都有热辐射,这种热辐射就是在一定波长范围内的非相关电磁辐射。电磁辐射是自然界普遍存在的一种物质运动形式。

电磁辐射的波长,从最短的宇宙线(仅约千分之一埃)连续地延伸到最长的无线电波(长达数公里)组成完整的电磁波谱。肉眼能够看得见的电磁辐射叫“可见光”,其余波段的电磁辐射,如γ线、X线、紫外线、红外线、无线电等,肉眼一概看不见。又因为一切物体,由于成份、结构、温度等特性各异,对电磁波的吸收、反射、发射或透射都有各种特定的波长。同时,物体对于外来的辐射既有吸收又有反射的作用。

如果有这样一个物体能够把投射于其上面的电磁波全部吸收而毫不反射,则称为绝对黑体。一个能够保持其中电磁能量不穿过包围壳体的空腔可以看作黑体。黑体表面既是一个理想的辐射体,又是一个理想的吸收体,任何物体在与周围保持热平衡的情况下,有ε=σ=1-ρ(其中ε是辐射系数,σ是吸收系数,ρ是反射系数)。这就是无源微波遥感技术的物理基础。

虽然有些物体,例如大气的微波辐射强度比红外弱得多,大约为8个量级以下,但是由于微波辐射计的灵敏度要比红外探测器高约九个量级以上,因此使用微波遥感辐射计弥补了物体辐射强度弱的缺陷。在实际工作中,多种遥感技术往往互相配合使用,互为补充,从而获得更为精细和丰富的信息。

无源微波遥感设备是由锐方向性天线和高灵敏度接收机两个主要部件构成。对于在接收天线波瓣内一个表面或目标,从瑞利—金斯表达式可见,接收到的辐射能量,即黑体媒质辐射进入天线的总功率能够用下式表示:

无论是以星载、机载为遥感平台的无源微波遥感辐射计探测地表特性或者是以地基为遥感平台的无源微波遥感辐射计探测天体对象时,在无源微波遥感辐射计与被观测目标之间自然地有大气作为介质存在,大气作为介质对辐射电磁波既有吸收作用,同时也贡献自己所辐射的电磁波。在忽略大气介质对电磁波传播衰减影响的情况下,无源微波遥感辐射计所接收的信息就是被观测目标物体所辐射的亮温度。

结论从无源微波遥感的基本原理可以得出下列结论:

1.无源微波遥感是在微波频段上以一定距离探测被测目标物体自身所辐射或反射的非相关电磁波(噪声)能量。产生这个非相关电磁波的能源不是靠照射波的直接反射,而是由目标物体本身蓄积的能量的辐射,辐射出的波谱(即辐射强度与波长等的有特性)与日标物体的性质(物理化学组成,物理温度,表面性质等)有密切关系。如果我们事先知道这种关系,则从微波遥感辐射计所收集到的数据反演出目标物体的有关信息。

2.无源微波遥感辐射计和被测目标物体之间自然地有介质(大气、地层、水等)存在,介质对遥感信息传递的非相关电磁波产生一定的影响,因此,在设计无源微波遥感系统,选择工作频段、分析遥感数据时都不可能忽略这种影响。

3.无源微波遥感技术是通过测量被测目标物体本身所辐射的能量(即微波亮度)的大小或变化来了解目标的某种性质的。因此,对于目标物体周围的其它物体和传播介质本身所辐射的能量和影响称之为目标的背景噪声特性的影响,必须给于充分的处理。

4.对于用无源微波遥感设备所获得的被测目标物体的信息数据的解释和判读是以予先具有或储存被测目标物体的有关特性知识为基础的,它的数学命题是从一个已知的记录数据函数出发通过某种变换反演与目标相互关系的函数。1

航空无源微波遥感微波遥感近些年来成为世界遥感界研究开发的重点，这是由于微波遥感不但有全天候、全天时的特点，而且又能获得海洋、大气、陆地的具体物理参数。在中国科学院统一计划下，长春地理所从1973年起，开展了航空无源微波遥感器的研制和应用研究。在此期问，先后研制成了6个频段机载微波辐射计，并进行了数十次航空遥感试验和地面遥感测量，获得了大量微波辐射图像和数据，为进一步开展航空、航天微波遥感打下了基础。

航空微波辐射计机载21厘米、10厘米、5厘米、3厘米扫描13毫米成像、8毫米成像微波辐射计，采用了负反馈零平衡Dicke方案，即通过大环负反馈向天线的接收信号注入附加噪声，使其等于标准噪声源的大小，然后分别交替通过系统，并经过相减处理，就消除了系统固有的强噪声和增益的波动。另外，这些设备还采用了双参考源小环反馈自动增益补偿方案，即在一个小环中检测出两个标准源的差量经过辐射计系统的变化，并用其控制小环增益，以使整机增益不变。21厘米波长是遥感海水盐度的最佳频段，5厘米波长是遥感海洋水温的最佳频段，13毫米波长是遥感大气中水含量的最佳频段，10厘米、3厘米和8毫米波长是大气窗口，是遥感地表频段。3

航空遥感试验自1977年以来，航空微波辐射计在中国新疆、长春青岛、天津、开封、宁波、大连、广州、营口等地进行了多次航空遥感试验及地面遥感测量。下面列出几种典型结果。

(1)海冰

从1986年起，连续5年的12月份，在中国辽东湾、渤海湾，用8毫米、21厘米和10厘米微波辐射计进行了海冰航空遥感，给出了海冰的分布图像，冰层厚度和种类。在辽东湾鲅鱼圈，以臂长23米的遥感车为平台，进行了海冰厚度与亮温关系的标定。图是频率分别为36，5.4，3，1.4GHz的微波辐射计测得的海冰亮温与冰厚的关系曲线。

(2)海上油污染

对海上油污染进行过多次航空遥感试验。8毫米成像微波辐射计能有效地获得海上油膜图像，根据亮温值能判定油膜厚度。图是在水槽中标定的油膜厚度与亮温的曲线。

(3)海温

1987年11月在中国东海用5厘米微波辐射计航空遥感海温。两次飞行投下4个测温浮标。微波辐射计遥感的海温与浮标测得海温差小于0.15度。

(4)植被

在多次航空遥感试验中获得了森林、草地、芦苇等典型作物的微波辐射图像和数据。并在遥感车平台上取得了森林，草地、小麦、苞米、大豆、白菜等的多个频段的微波辐射亮温数据。3