[科普中国]-微波影像

基本概念

应用成像微波辐射计（扫描型）接收地物发射波长为1mm～30cm的微波辐射能形成的影像。微波影像反映一定温度的地物，地面分辨率较低。判读时除需要应用判读普通图像所具有的基本要素外，同时还应了解有关各种地物的反射率（来自天空和大气的）、发射率（地面的和水面的）和透射率（从较深的下层透过表层的）的作用。由于水体是微波辐射十分理想的辐射体，因此在微波影像上产生较浅色调，国外广泛用于探测海上冰层、洋流和陆地上的水体、雪融状况、土壤含水状况等信息。还可应用于城市环境研究，绘制城市土地利用图。也可以探测地下埋藏，进行考古研究。

遥感影像指通过安装在遥感平台上的遥感仪器对地球表面摄影或扫描获得的影像。包括：光学摄影成像的航空像片、紫外和近红外像片；以及用各种类型扫描仪成像的单波段影像（如紫外、红外、被动微波影像和雷达影像）和多波段扫描影像（如“陆地卫星”的MSS和TM影像）。遥感影像有黑白的和彩色的（包括真彩色和假彩色）两种；可以处理成像片或透明软片（包括正片和负片）。根据投影性质可分为中心投影（如航空像片）和多中心投影（如“陆地卫星”影像）两种；根据比例尺又分为大比例尺、中比例尺和小比例尺三种。遥感影像经过处理或再编码后就产生“遥感图像”。通过其影像特征综合反映地理环境或某些地物的数量、质量和动态信息，甚至还能反映出一些从地下或水下一定深度地物传递到地表面的隐伏信息。遥感影像所反映的各种信息是遥感图像判读的基础资料。

设备——微波辐射计能定量测量目标（如地物和大气各成分）的低电平微波辐射的高灵敏度接收装置。实质上就是一个高灵敏度、高分辨率的微波接收机。表面辐射率为ε（0≤ε≤1）、绝对温度为T0 （T0>0 K）的物体在整个电磁波的频谱上都会辐射出电磁波，其频谱与噪声相似，这种辐射称为热辐射。不同物体具有不同的热辐射频谱。有些物体辐射连续频谱，有些物体辐射离散频谱。通过测量和分析其辐射频谱，就可以区分不同物体。

1946年，狄克首先研制成第一台测量微波辐射的装置，称为狄克式辐射计。现在各种微波辐射计都是在狄克型接收机基础上改进而成的，有零平衡型辐射计、双参考温度辐射计、自动反馈型辐射计、相关型辐射计、扫描型辐射计等。

微波辐射计的主要技术指标是频段和温度分辨率、空间分辨率。目前机载微波辐射计实测温度分辨率达0.02K。星载微波辐射计温度分辨率达0.2～1K。

微波辐射计分两类：频谱式和连续式.前者频率窄，工作于微波谐振线上，后者用于遥感具有宽广频谱特性的目标。微波辐射计在军事侦察、气象学、海洋学和天文学等领域中得到广泛应用。

微波辐射计还可以分为图像型和非图像型。其中采用扫描天线的扫描微波辐射计就是图像型辐射计，其特点是天线可以对地面目标进行扫描探测，获取地面目标的微波辐射信息，把所获取的信息转换成以灰度等级显示的物体图像.扫描方式有两类：

1.电扫描，如雨云5号和6号气象卫星上的电扫描微波辐射计；

2.机械扫描，如雨云7号和海洋卫星1号上的扫描多通道微波辐射计和泰罗斯N号上的微波探测器。

特点微波影像具有成像速度快，覆盖区域面积大，地面目标清晰可辨的特点，特别是微波雷达可采用或组合使用多种工作频率、多种极化和多角度方式获取地球表面信息，在许多领域的应用潜力很大。

微波影像的立体感较强。这是因为微波散射及微波波束对地面倾斜照射，产生阴影，即影像暗区。此明暗效应能增强影像的立体感，这种明显的地形起伏感，对地形、地貌及地质结构等信息有较强的表现力和较好的探测效果。

同时，微波雷达影像信息丰富，这是因为微波谱带宽，可以提供宽带频谱范围的信息。微波遥感为人工源，在微波接收或发射装置中，改变极化方向或调整雷达波束视向均是很容易实现的。因而可以多角度、多波段、多极化地进行观测，以增加信息量，使微波影像信息丰富，具有相当强的监测和分辨目标的能力。而且雷达接收的是微波波束的后向散射信息，反映的是地物的几何特性和介电特性，这不同于一般的光学、热红外遥感。

微波影像具有以下特点：

(1)侧视雷达采用非中心投影方式（斜距型）成像，它与摄像机中心投影方式完全不同。

(2)比例尺在在横向上产生畸变。在雷达波束照射区内，地面各点对应的入射角不等，距离雷达航迹越远，入射角越大，使得影像比例尺产生畸变，其规律是距离雷达航迹愈远比例尺愈小。

(3)地形起伏移位。在地学研究领域，经常采用Ka 及X波段成像雷达进行资源与环境调查。

雷达影像可应用于以下领域：海洋环境调查、地质制图和非金属矿产资源调查、洪水动态检测与评估、地貌研究与和地图测绘等。

进行雷达影像解译，需要具备微波遥感的基础理论知识，掌握各种目标地物的微波特性和微波与目标地物相互作用规律，同时也需要掌握微波影像的判读方法和技术。

原理被动微波成像
被动微波遥感测量的是目标与分子热运动有关的热电磁辐射。被动微波成像，是利用被动微波传感器，即微波辐射计(MR)来实现的。
现有的被动微波传感器可以分为两大类：
(1)微波成像仪(Imagers)，如SMMR和SSM/I等，这类MR的工作频道都在大气窗口，利用它们可以获得不同用处的地球陆地、河流、海洋影像；
(2)大气探测仪(Sounders of Atmospheric properties)，如SCAMS MSU和SSM/T等，这类MR的工作频道选择在氧气和水汽吸收线附近，他们可以给出大气温湿轮廓线以及其他一些信息。这些资料在天气研究和数值天气预报中得到了较广泛的应用。
MR是一个高灵敏度的微波噪声功率接收机。由于MR所接收的电磁信号是不相干的随机噪声信号，所以MR不能像SAR那样通过对不同位置上接收信号的相干分析实现孔径综合，提高空间分辨率。MR的空间分辨率决定于在同一时间接收电磁辐射的天线所占据的空间的物理尺寸，即被动微波遥感的空间分辨率决定于接收天线的物理口径。由于大口径天线带来的重量、尺寸、扫描转动、空间分辨率与对一个分辩单元的驻留凝视积分时间的矛盾以及由此引起的空间分辨率和温度分辨率之间的矛盾，限制了被动微波传感器空间分辨率的提高。
提高被动微波传感器的空间分辨率，即减少视场过大带来的缺陷，就必须增大天线口径的电尺寸。增大天线电尺寸的途径有两种：

(1)增大天线口径的物理尺寸；

(2)提高被动微波传感器的工作频率，减小波长。

但这两种方法都有很大的局限性。人们己经注意到使用综合孔径技术，这种技术可以大大的提高被动微波传感器的地面空间分辨率。
被动微波传感器的扫描方式大多是机械天线扫描和电扫描。其中，微波成像仪采用圆锥形扫描，而大气探测仪的天线扫描与卫星运动轨迹垂直，扫描的最大天底角决定了观测宽度。
在60年代，首先是苏联用COSMOS卫星携带了被动微波传感器，进行了测量大气水汽含量等参数的试验。之后，美国设计并发射上天了一系列星载MR。口本、印度也拥有各自的星载MR。欧洲正计划在下一代地球静止卫星上携带欧洲自己的MR系统MMS。而美国也有发展MR系统的计划，如美国的AMSU-A/B。
到目前未知，被动微波传感器大多是迪克类的计数器成像方式，最新的被动微波传感器开始使用全功率计数器成像，如SSM/I。全功率计数器具有更高的灵敏度，因此更适合于高速观测。

普通微波雷达成像
普通微波雷达使用大孔径天线发射信号和接收信号交替进行。随着飞行器的飞行，天线发射一定频率和振幅的短脉冲，聚成较窄的波束发射出来，波束在航向方向上很窄，而在垂直航向方向上比较宽，照到地面为一窄长的区域，天线接收地面后向散射信号，按信号到达天线的时间先后顺序送至阴极射线管，定位在阴极射线管的屏幕上，光点亮度正比于对应地面的后向散射强度，将屏幕上光点通过透镜在胶片上成像，形成一窄条带地面的影像。接着天线发射下一个微波短脉冲，依次对地面扫描，将后向散射信号记录在飞机与对地面移动速度同步的胶片上，最后获得一条条窄条影像，构成一幅微波雷达影像。1