[科普中国]-微波遥感

发展背景

利用人造地球卫星和宇宙飞船进行对地球观测和星际探测已有38年历程。在对太阳系行星和宇宙深空及恒星研究中有许多新发现,对人类赖以生存的陆地、海洋、大气有了宏观、真实、快速、动态的认识。这是人类科技发展史上的一个巨大成就。在星际探测和对地观测中,都是用电磁波作为媒质,遥感获得目标信息。采用可见光波段( 0. 45～ 0. 80μm) ,取得目标的可见光图像; 红外波段( 0. 8～ 12. 5 μm) ,取得目标的红外图像; 微波波段( 30 cm～3 mm) ,取得目标的微波数据和图像。可见光和红外光波段的遥感器一直是遥感技术中的主要遥感器,这是因为它们具有高空间分辨率,能获得与人目视一致性的图像。必须有日照条件(热红外除外)和没有云雾遮挡,是其弱点,致使图像获取率低,使遥感的实时动态监测等优点不能充分发挥。可见光和近红外遥感器用于检测物体对太阳光的散射量,只反映物体的表层状况,故所获得的被观测物体的特征信息不够丰富。1

研究现状微波与所遥感的目标和背景相互作用,产生散射、辐射、吸收、谐振等现象,是利用微波遥感器获得目标和背景的信息,实现遥感或探测的机理。当前对陆地、海洋、大气遥感的目的是实现资源调查、土地利用、环境监测、灾害预报、气象观测。涉及到大气、海洋、陆地中的处于各种形式、状态下的所有物体作为目标和背景。从理论上讲它们属于不同的介质。这些介质可分为均匀介质、电解质溶液介质、非均匀性混合介质。在具体研究处理电磁波与介质的相互作用时,按其具体情况又把介质划分为连续介质、离散介质、无耗介质、有耗介质、各向异性介质、分层介质、随机介质、分形介质、旋波介质等。麦克斯韦方程是描述介质与波相互作用产生辐射、散射、衰减等现象的数学公式。因为微波遥感对象是极其复杂的,所以所建立的麦克斯韦方程更难得到严格解,只能用近似解析法和数值法求解。在近似解法中已有微扰法、变分法、迭代法、光学法、物理光学法、几何射线法、物理射线法、算子法、有限元法、场路结合法等。有时还要处理非线性微分方程的解的问题。介质的作用在麦克斯韦方程和辐射传输方程中反映在各项的系数中。建立起符合实际的物理模型,对介质的电参数掌握准确数值,是取得数学模型的关键。1

微波遥感理论研究是从理论上说明某种特性的观测目标能产生多大强度的,与哪些观测参数有关的辐射、散射、吸收量。反之,从微波遥感器获得的数据或图像中建立起目标的性质和状态。前者为电磁场中的解析问题,或正问题,利用解析微分方程的方法。后者属于积分方程反演,或逆问题,属于物性或图像的恢复与重建问题。为了建立起目标或背景的物理模型,提供较准确的参量,不仅要从体积大小、几何形状、状态、物理化学性质研究目标和背景,而且还要从产生电磁波与物质相互作用的原子、分子结构的微观世界中研究目标和背景的行为。1

由于微波遥感对象的复杂性和不确定性,所以只能建立起基本与实际一致的物理模型和数学模型。用实地试验法检验理论模型的正确性是至关重要的。可以说微波遥感研究是电磁场理论研究和实际测量相结合的理论密切联系实验的研究课题。微波遥感理论研究势必促进电磁场理论向纵深发展。

我国的微波遥感理论研究近年来受到国家重视,国家自然科学基金委的重大课题、重点课题和面上课题都支持了有关微波成像理论研究、目标和背景的散射和辐射研究。通过国家“六五”、“七五”、“八五”重点攻关项目取得了一批合成孔径侧视雷达、微波辐射计和散射计的实际飞行图像和数据,进行了相应的理论研究。中科院电子所,电子科技大学、复旦大学、西安电子科技大学、中科院遥感所等单位作了许多有成效的工作,取得了一批成果。1

特点微波遥感器不受或很少受云、雨、雾的影响,不需要光照条件,可全天候、全天时地取得图像和数据。它所取得的信息与被观测物体的结构、电学特性以及表面状态有关。又因为微波有一定的穿透能力,故能获得较深层的信息。在毫米波亚毫米波波段有些气体有谐振谱线,利于检测。也就是说,微波遥感能得到更丰富的被测对象的特征信息,能实现定量遥感。1

分类微波遥感按其工作原理可分为主动遥感（或有源微波遥感）和被动遥感（或无源微波遥感）两类。主动遥感是通过传感器（主要为雷达遥感）向探测目标发射微波信号并接收 其与目标作用后的后向散射信号，形成遥感数字图像或模拟图像。可分为侧视雷达遥感 和全景雷达遥感.前者的应用较为广泛，并根据向地面发射微波波束的天线特点.分为真 实孔径雷达系统和合成孔径雷达系统。被动遥感则是利用微波辐射计或微波散射计等 传感器接收自然状况下地面反射和发射的微波，通常不能形成影像。2

应用方向微波遥感主要对以下三方面的信息具有独特的探测能力：

(1)与水有关的信息识别，如土壤水分、地及湿度、物质含水量等。

(2) 对松散沉积物的及面结构反映明显.特别是在干旱、半干旱地区，对洪积埚带及 松散沉积物等的分类、组成物质、颗粒大小、叠置关系等均反映清晰；2

(3) 对居民点及线性地物的识别能力强.因此已广泛应用于海洋、冰雪、大气、测绘， 农业，灾害监测等方面。

发展趋势目前人类从“地球村”观点出发,对地球进行研究、保护和开发。已发射运行的60多颗对地观测卫星,向人们提供了大量完整、实时、动态的陆地、海洋、大气的图像和数据,为人类带来巨大的经济和社会效益,使人们清楚地认识到遥感技术是地球保护、开发和利用的必不可少的技术。而微波遥感器以其全天时、全天候的探测能力更成为其中的佼佼者。从表1可以看出微波遥感器能做到定量遥感,利用毫米波和亚毫米波对一些气体分子的谐振效应可精确遥感到大气中有害物的数量。1

表2列出了国际主要对地观测卫星装载遥感器的情况。从中可以看到微波遥感器从少到多,是现在和今后发展的重点。美、日两国联合进行的EO S计划,从1991年到2010年共计划发射15颗对地观测卫星,执行“全球变化研究计划” ( GCRP)。微波、毫米波及亚毫米波遥感器主要用于监测大气成分、海洋动力状态。大气海洋参数是地球环境变化的重要指标。遥感技术是伴随航天技术发展起来的具有宏观、快速、准确、动态获取信息的高新技术,已成为我国国民经济发展不可缺少的支撑力量。解决世界上人口膨胀、资源匮乏、环境破坏三大问题,使之向良性循环发展,遥感技术会起到重要作用。而微波遥感技术由于它具有优于可见光、红外遥感技术的特点,成为当前对地观测研究、开发、使用的重点。我国在国家科委的统一规划下,研制成了机载合成孔径侧视雷达,作了多次飞行试验,在防洪、铁路选线、地质、探矿等方面进行了应用研究。研制成多个频段的机载(成像)微波辐射计,进行了多次对陆地、海洋的飞行试验和应用,取得了典型地物、海面油膜、海冰、海岸带等的微波辐射图像和数据。研制成了机载雷达散射计和机载海洋雷达高度计,成功地完成了飞行试验。几个高等院校和研究所开展了微波遥感理论研究,获得初步成果。1

合成孔径侧视雷达、微波辐射计、微波成像仪、海洋雷达高度计、微波散射计已进入星载工程或预研阶段。

微波遥感是难度大、理论水平高、应用前景广阔的科学技术,应进一步加强统一领导,重点支持。对目前有限的几家从事微波遥感器研制的人员、关键仪器实行统一调配,集中力量进行星载微波遥感器攻关。对于机载微波遥感器则应多作应用飞行,解决生产实际、科学研究、防灾减灾方面的具体问题,积累理论和应用中的经验。同时还应加强微波遥感理论研究工作,开展陆基微波遥感的实验研究工作,为星载运行的资料反演、解译做好前期工作。