[科普中国]-被动式遥感

简介

大气对电磁波的吸收作用，主要发生在电磁辐射的紫外、红外和微波波段。根据基尔霍夫定律可知，大气对某个波段有强烈的吸收，必然在该波段有强烈的辐射。这些辐射作为大气信息传 输出去，成为人们探测的依据。利用一定的接收设备，直接接收 大气自然辐射信息，用这种方法探测远距离目标称被动遥感。

被动遥感可分微波、红外和可见光遥感。这 些遥感仪器功率小、噪声低、易携带，可以安装在地面向上空遥感，也可装在气球或飞机、卫星上向下遥测，人造地球卫星上的气象探测就是首先装上这类仪器向下探测大气温度、湿度、云等。2

运用手段光由于以下因素，可见光至今被认为是被动遥感最重要的手段。

1．可用性。太阳对人类而言无代价地向地球上的万物提供了强光照明，小范围讲，对群星也是这样(月光是阳光的反射光)。许多物体也可以发光，但这种光通常还不能用于遥感。但是，黑夜中地球的卫星照片，由于人口居住中心发射的光，却可以提供一个人类居住环境的精确地图。

2．可携带信息。十分明显，物体的照片越多，能对它提供的信息就越充分，更为重要的是，在一个遥感过程中，从数据源得到的光的频率范围是相当重要的， 因为每一物质都有它自己反贮或吸收光的特性。这种特性被称为光谱。因而频率谱的分析对于获得信息是一个非常重要的方法。

3．检测的简易：有许多方法可用于光的检测，不仅仅局限于我们视力的感觉，在照片宽裕的面积上记载光的发射是既便宜又相当简单，用彩色照片则可以提供来自每一数据源的光的频率范围。通过使光经过不同的滤光片，并分别记录每种结果，我们可以获得进入信号的频率范围的更精确的概念。更精确的结果或许可依靠皮用光测器、分光仪或干涉仪获得。

4．信号强度的增强：要对通过镜头或反射镜在宽广的前方收集到的光聚焦是相当容易的。这就使得信号的能量积聚，而噪音无意中被消除。因而，带有大口径镜头的望远镜产生充足的输入信号积聚，使得即使十分遥远模糊的星星也能观察到。另一种增强光能量的方法是在用照相的方式记录光的时候对模糊的光源进行长曝光，也能改善信号—噪音比。因为，虽然干扰的瞬时值引起波动，但在一相对长的时间内平均值很小，且它的主要影响是对于记录增加了一个均匀的”背景曝光”。

5．清晰度的增强：通过光学聚焦手段，我们也可以有选择地从一个点源识别光，从而可以独立地研究它周围的事物，这电右助于增加信号—噪音比， 因为它把不是来自点源的光排斥于外，因而也就包括了不想要的信息(噪音）。

可见光作为一种信息源的主要缺点，是它的气候依赖性。因为光不能很容易地穿透云、雨或暴风雪，而被悬浮的灰尘颗粒所隔散。3

红外线辐射当观察仅在红外线范围内进行时，光谱测定技术被有效地使用。从独立数据源的发射靠一个干涉仪或光栅接受，发射的光谱也是靠这种方法获得。因为光谱是由一个物体的化学成分和温度决定的，因而从中可获取相当有用的信息，但是，要对一排物体进行同时检测时代价是昂贵的，因为这将使仪器重复使用多次。代之，使同一仪器用于对不同物体的连续检测，例如，可一次一个地进行以多频、单目标的检测。单频道、多目标的检测或许靠对从一矩形光电检测器群上方区域收集到的光进行聚焦而实现，每个总能量的记录均来自一点，但是不具备指示频率值的能力，用光谱影像器检测多频道、多目标的技术迄今还没有被大规模的采用。3

紫外线及其他射线基于多种原因，采用较可见光波长较短的辐射是在遥感中仅用于特殊目的，它们难以用光学方法聚焦。这是因为它们敏感于在一可见光中显示为平滑表面中的缺陷，因而，反射可见光的镜头对于较高频射线将不是十分有效的(一般而言，任何频率的波仅仅受到尺寸相当或大于它们波长的物体的影响，这就是为什么可见光被云中的水蒸气隔断的原因，而无线电波则不会这样)。

但是，目前正在寻求一项可用于物理学或化学试验室试验的技术，诸如紫外线光谱学、光电倍增管、荧光性、盖革计数器、闪烁试验室等，以适用于这些特殊射线能发挥特殊优点用途的遥感。例如，太阳发射的紫外线在到达地球之前的臭氧层时就被大量地吸收了。测量这种辐射的程度因而给出这一气层状态的显示，从中可获得大气污染及太阳表面活动情况的信息。X光自上世纪末就已在医院用于短范围观察(不需要聚焦)，用荧光屏和特殊胶片。它们的波长如此之短以至于可通过分子之间的空隙，因而也就能很容易地穿透人的身体，相对不同的角度，它们被各类网状体所吸收，形成一种可反映人体内部结构的画面。最后，如先前提到的， γ射线探测器可对地域勘探藏有放射性的物质。发射γ射线的放射性同位素，也可作为跟踪剂使用，例如，用于观察人体的进食或化学吸收情况。

无线电波在被动遥感中最重要的运用是在无线电天文学中。在此领域，与相应的光学系统比较，它们具备能在全天候观测的显著优点。无线电望远镜的构造包括可覆盖一广阔领域的许多独立天线，以某种方式联接到一起，使得它们在一特定方向的辐射相加，反之，将来自其它方向的辐射相互抵消。这很类似于光学望远镜的聚焦能力。因为地球是旋转的，阵列天线指向天空的不同部位，为强辐射源精确定位的无线电图被描绘出来。合适的聚焦仅当望远镜的总体尺寸比所发现的波长大时才能获得，结果地球上物体的无线电波检测仅能在微波范围进行，适用于厘米波或更短的波长，也就是说，尺寸小易于操纵的接受天线可以被采用。3

无线电波在运用被动遥感装置中，在微波范围内的波长使用引起两个额外困难：信号在低功率水平被检测，因而不可能期望有清晰度高的细节再现，而发射红外线的物体总是以低频(每个频率下的数值与每个物体特性光谱相一致)发射一些能量，发射的能量仅是总能量的很小一部分。况且，如先前解释过的原因，比它们的发射波长要小的构造是不能“看到”的。最后，被检测的信号受到许多人为因素的干扰，从广播电台到电子仪器都有这种情况。基于这些和其他原因，我们被动微波遥感的运用仍然停留在早期的研究阶段。

一种长期形成的采用机械振动(冲击波)的遥感过程用于地震观测。其例之一是地震监视。许多地震探测仪被安置在不同的位置上，它们的读数通常在一个中心监视站被记录下来，在数据传递失败的情况下，本地记录也可以提供一种备份的信息。因地质问题或火山喷发运动产生的冲击波被接收和记录，接受到的脉冲系列的形状提供了这类地震活动的显示。通过对它到各观察站的时间，是由来自各站到地震信号源的距离所决定，人们可正确地确定出信号源的位置，一旦决定了这个问题，通过研究冲击脉冲的尺寸，考虑到在到达每一站之前，它们必须传递多远，就有可能估算出活动的强度。

地震探测仪也可以用于监测人造结构，诸如河堤、水坝、道路或机场跑道的应力和张力：在一个水库充水的时候，增大的压力作用到水坝上，微小的沉淀可能发生，这种现象在新构造中更易出现。通过对这种活动连续不断的监测，在严重状态下可获得预先警告，相似的情况适于公路和跑道。当车辆在它们上面行驶的时候，产生机械振动，这些情况被记录下来以用于分析公路上的交通密度或检测构造的基础的任何薄弱地方。3

声的被动遥感声的被动遥感主要是检测遥远地方传来的声波，根据声波的特征判断声源的性质及其代表的物理现象．其次，声波经过高层大气到达地面，其路径会受到风和温度层结的影响，故可以测量同一声源的声波到达不同地点的到达角和相位来反推风速和温度的垂直分布．声波经远距离传输受到的衰减很大，频率愈高衰减愈大，只有很低频率的声波才能传到远方．因此，声的被动遥感实际上就是对次声波(包括一般次声波、声重力波和内重力波)的检测．

大自然产生的次声波的声压多在0.1～1 Pa范围内，很少超过5 Pa，但也可能小到0.01 Pa．而风速扰动引起的压力起伏可达50Pa．因此，次声波的接收和检测靠一组高灵敏度微气压计．微气压计记录一参考容积内的气压变化，此容积通过一毛细泄漏管与外界大气相通．泄漏管起高通滤波器的作用，也对背景大气压的起伏起补偿作用．微气压计通常与“减噪长管”相连．该长管的典型长度约为300m，每隔约1.5m开一小孔，其作用是在该特定空间区域内对传感器的感应进行平均，从而滤去较小尺度的压力起伏．可以设计出不同的空间和时间滤波器，使一定频率范围的压力起伏得以通过，抑制那些被我们视为“噪声”的压力起伏，以满足我们研究特定现象的次声波的频带要求．为了能测出入射波的声压，判定入射波的来向及波的水平相速度，要用三个以上的接收装置分置在相隔几千米的不同地点．4

应用实例气象卫星——被动遥感探测

气象雷达通过主动发射无线电脉冲探测远方云雨，因此被称为“主动大气遥感探测”。另外，还有一种遥感探测并不主动向目标物发射电波脉冲，而只是接收目标物本身发射的无线电波而完成探测任务，因此被称为“被动大气遥感探测”。因为目标物发射的这些无线电波在大气中传播时会发生一系列散射、折射、吸收、频散等物理效应，这些物理效应因大气物理状态的不同而发生变化。通过测量这些变化就能知道大气的这些状态。这就是被动大气遥感探测的原理。

由于被动大气遥感仪器没有发射讯号的设备，因此它的体积、重量和能耗都比主动大气遥感要小，可以安装在飞机、航天飞机甚至人造卫星上； 人造气象卫星正是由此诞生。

气象卫星就是携带各种(被动)大气遥感探测仪器，从空间对地球大气进行气象观测的人造地球卫星。气象卫星的发展历史要回溯到20世纪40年代末期，美国的一枚气象火箭从美国新墨西哥州白沙发射场升空后，从太空拍摄到了一张半径500英里(1英里=3.609公里)的地球照片。这使得科学家萌生了从太空观测地球，即人造气象卫星的思想。以后这类火箭云图越来越多。1954年10月他们还收到了一张从墨西哥湾侵袭美国的完整的台风螺旋状云系的云图。正是这个台风引起了美国芝加哥地区的暴雨和洪水泛滥。1957年10月4日前苏联人造卫星上天，推动了美国加速人造卫星的研制：继1958年1月31日“探险家1号”卫星上天之后，1960年4月1日，重达300磅(1磅=0.454公斤)的世界上第一颗气象卫星。“泰罗斯1号”终于上天了。到今天，天上飞行的各国气象卫星已经有一百多颗。我国也发射了“风云一号”三颗和“风云二号”一颗等气象卫星。

按气象卫星运行的轨道和用途来分，现今世界上业务用的气象卫星可以分为两种。一种叫极轨卫星(我国发射的“风云一号”系列就是极轨卫星)，即轨道通过两极，绕地球一周约需100分钟。由于轨道距地球只有约1000公里左右，因此又称低轨卫星。这种卫星虽每天可对指定地区进行两次观测，但却不能连续监视，因此对日常天气预报意义不大。另一种叫同步卫星(我国发射的。风云二号”就是同步卫星)。它位于赤道上空35800公里高度(因此又称高轨卫星)，24小时绕地球一周，相对地球而言是不动的(因此又称静止卫星)。它能连续监视一个地区的天气变化，这对天气预报十分有用。例如，自从气象卫星上天，肆虐人类常造成重大灾害的台风，就再也没有逃过人类的这只“火眼金睛”。

气象卫星探测装置的核心是接收遥感图像的遥感器。遥感器按接收目标物发出的电磁波波长可以分为：接收波长0.4～0.75微米(即可见光从红到紫的波长)的叫可见光遥感器。它所收到的地球云图图像实际上就是一幅幅可见光照片，接收3～14微米红外线波段的叫红外遥感器，如果说可见光遥感器接收到的实际是阳光照射地面和云系后的反射光，那么红外和下面要讲的微波(波长比红外更长，0．001～1米)遥感器遥感接收到的却是地面和云系本身发射的电磁波，温度越低，发射的电磁波波长越长。因此红外遥感器遥感到的便是地面和云层的温度分布(这也就是卫星能够观测地面和海面温度的原因)，温度越低的地方，颜色就越白。因此如果说在可见光云图上不易分辨地面积雪和云层的话(因为它们反射率都很高，都是亮白色)，那么在红外云图上差异就很明显了。因为高空云层的温度总要比地面积雪低得多，因而颜色也要白得多。

微波遥感器接收的波长由于：比红外辐射又长得多，因此它能穿透云雾，甚至达到一定深度的土壤，因此可以探测云下和云上的大气温度和湿度，以至云和降水的结构，也就是大气中温度和湿度等的垂直分布。“无球探空”的说法正是由此而来。当然这些技术也正在逐渐完善之中，商业务使用还有一定距离。

和气象雷达一样，一颗气象卫星也不能观测到全球风云。即使高度达到35800公里的高轨静止卫星，也只能观测到地球的三分之一，而且图像边缘部分还会不同程度失真，因此从70年代末开始，就已经建立起了由5颗均匀分布在赤道上空的高轨静止卫星和2-3颗低轨极轨卫星组成的全球空间气象观测系统。它和庞大的地面观测系统一起，共同组成了现今世界天气监视网的全球大气观测系统。气象卫星现在已经成为天气预报业务和大气科学研究不可缺少的工具和手段。5