微波遙感

利用人造地球衞星和宇宙飛船進行對地球觀測和星際探測已有38年曆程。在對太陽系行星和宇宙深空及恆星研究中有許多新發現,對人類賴以生存的陸地、海洋、大氣有了宏觀、真實、快速、動態的認識。這是人類科技發展史上的一個巨大成就。在星際探測和對地觀測中,都是用電磁波作為媒質,遙感獲得目標信息。採用可見光波段( 0. 45～ 0. 80μm) ,取得目標的可見光圖像; 紅外波段( 0. 8～ 12. 5 μm) ,取得目標的紅外圖像; 微波波段( 30 cm～3 mm) ,取得目標的微波數據和圖像。可見光和紅外光波段的遙感器一直是遙感技術中的主要遙感器,這是因為它們具有高空間分辨率,能獲得與人目視一致性的圖像。必須有日照條件(熱紅外除外)和沒有云霧遮擋,是其弱點,致使圖像獲取率低,使遙感的實時動態監測等優點不能充分發揮。可見光和近紅外遙感器用於檢測物體對太陽光的散射量,只反映物體的表層狀況,故所獲得的被觀測物體的特徵信息不夠豐富。 ^[1] 

微波與所遙感的目標和背景相互作用,產生散射、輻射、吸收、諧振等現象,是利用微波遙感器獲得目標和背景的信息,實現遙感或探測的機理。當前對陸地、海洋、大氣遙感的目的是實現資源調查、土地利用、環境監測、災害預報、氣象觀測。涉及到大氣、海洋、陸地中的處於各種形式、狀態下的所有物體作為目標和背景。從理論上講它們屬於不同的介質。這些介質可分為均勻介質、電解質溶液介質、非均勻性混合介質。在具體研究處理電磁波與介質的相互作用時,按其具體情況又把介質劃分為連續介質、離散介質、無耗介質、有耗介質、各向異性介質、分層介質、隨機介質、分形介質、旋波介質等。麥克斯韋方程是描述介質與波相互作用產生輻射、散射、衰減等現象的數學公式。因為微波遙感對象是極其複雜的,所以所建立的麥克斯韋方程更難得到嚴格解,只能用近似解析法和數值法求解。在近似解法中已有微擾法、變分法、迭代法、光學法、物理光學法、幾何射線法、物理射線法、算子法、有限元法、場路結合法等。有時還要處理非線性微分方程的解的問題。介質的作用在麥克斯韋方程和輻射傳輸方程中反映在各項的係數中。建立起符合實際的物理模型,對介質的電參數掌握準確數值,是取得數學模型的關鍵。 ^[1] 

微波遙感理論研究是從理論上説明某種特性的觀測目標能產生多大強度的,與哪些觀測參數有關的輻射、散射、吸收量。反之,從微波遙感器獲得的數據或圖像中建立起目標的性質和狀態。前者為電磁場中的解析問題,或正問題,利用解析微分方程的方法。後者屬於積分方程反演,或逆問題,屬於物性或圖像的恢復與重建問題。為了建立起目標或背景的物理模型,提供較準確的參量,不僅要從體積大小、幾何形狀、狀態、物理化學性質研究目標和背景,而且還要從產生電磁波與物質相互作用的原子、分子結構的微觀世界中研究目標和背景的行為。 ^[1] 

由於微波遙感對象的複雜性和不確定性,所以只能建立起基本與實際一致的物理模型和數學模型。用實地試驗法檢驗理論模型的正確性是至關重要的。可以説微波遙感研究是電磁場理論研究和實際測量相結合的理論密切聯繫實驗的研究課題。微波遙感理論研究勢必促進電磁場理論向縱深發展。

我國的微波遙感理論研究近年來受到國家重視,國家自然科學基金委的重大課題、重點課題和麪上課題都支持了有關微波成像理論研究、目標和背景的散射和輻射研究。通過國家“六五”、“七五”、“八五”重點攻關項目取得了一批合成孔徑側視雷達、微波輻射計和散射計的實際飛行圖像和數據,進行了相應的理論研究。中科院電子所,電子科技大學、復旦大學、西安電子科技大學、中科院遙感所等單位作了許多有成效的工作,取得了一批成果。 ^[1] 

微波遙感器不受或很少受雲、雨、霧的影響,不需要光照條件,可全天候、全天時地取得圖像和數據。它所取得的信息與被觀測物體的結構、電學特性以及表面狀態有關。又因為微波有一定的穿透能力,故能獲得較深層的信息。在毫米波亞毫米波波段有些氣體有諧振譜線,利於檢測。也就是説,微波遙感能得到更豐富的被測對象的特徵信息,能實現定量遙感。 ^[1] 

微波遙感按其工作原理可分為主動遙感（或有源微波遙感）和被動遙感（或無源微波遙感）兩類。主動遙感是通過傳感器（主要為雷達遙感）向探測目標發射微波信號並接收 其與目標作用後的後向散射信號，形成遙感數字圖像或模擬圖像。可分為側視雷達遙感 和全景雷達遙感.前者的應用較為廣泛，並根據向地面發射微波波束的天線特點.分為真 實孔徑雷達系統和合成孔徑雷達系統。被動遙感則是利用微波輻射計或微波散射計等 傳感器接收自然狀況下地面反射和發射的微波，通常不能形成影像。 ^[2] 

微波遙感主要對以下三方面的信息具有獨特的探測能力：

(1)與水有關的信息識別，如土壤水分、地及濕度、物質含水量等。

(2) 對鬆散沉積物的及面結構反映明顯.特別是在乾旱、半乾旱地區，對洪積堝帶及 鬆散沉積物等的分類、組成物質、顆粒大小、疊置關係等均反映清晰； ^[2] 

(3) 對居民點及線性地物的識別能力強.因此已廣泛應用於海洋、冰雪、大氣、測繪， 農業，災害監測等方面。

人類從“地球村”觀點出發,對地球進行研究、保護和開發。已發射運行的60多顆對地觀測衞星,向人們提供了大量完整、實時、動態的陸地、海洋、大氣的圖像和數據,為人類帶來巨大的經濟和社會效益,使人們清楚地認識到遙感技術是地球保護、開發和利用的必不可少的技術。而微波遙感器以其全天時、全天候的探測能力更成為其中的佼佼者。從表1可以看出微波遙感器能做到定量遙感,利用毫米波和亞毫米波對一些氣體分子的諧振效應可精確遙感到大氣中有害物的數量。 ^[1] 

表2列出了國際主要對地觀測衞星裝載遙感器的情況。從中可以看到微波遙感器從少到多,是現在和今後發展的重點。美、日兩國聯合進行的EO S計劃,從1991年到2010年共計劃發射15顆對地觀測衞星,執行“全球變化研究計劃” ( GCRP)。微波、毫米波及亞毫米波遙感器主要用於監測大氣成分、海洋動力狀態。大氣海洋蔘數是地球環境變化的重要指標。遙感技術是伴隨航天技術發展起來的具有宏觀、快速、準確、動態獲取信息的高新技術,已成為我國國民經濟發展不可缺少的支撐力量。解決世界上人口膨脹、資源匱乏、環境破壞三大問題,使之向良性循環發展,遙感技術會起到重要作用。而微波遙感技術由於它具有優於可見光、紅外遙感技術的特點,成為當前對地觀測研究、開發、使用的重點。我國在國家科委的統一規劃下,研製成了機載合成孔徑側視雷達,作了多次飛行試驗,在防洪、鐵路選線、地質、探礦等方面進行了應用研究。研製成多個頻段的機載(成像)微波輻射計,進行了多次對陸地、海洋的飛行試驗和應用,取得了典型地物、海面油膜、海冰、海岸帶等的微波輻射圖像和數據。研製成了機載雷達散射計和機載海洋雷達高度計,成功地完成了飛行試驗。幾個高等院校和研究所開展了微波遙感理論研究,獲得初步成果。 ^[1] 

合成孔徑側視雷達、微波輻射計、微波成像儀、海洋雷達高度計、微波散射計已進入星載工程或預研階段。

微波遙感是難度大、理論水平高、應用前景廣闊的科學技術,應進一步加強統一領導,重點支持。對有限的幾家從事微波遙感器研製的人員、關鍵儀器實行統一調配,集中力量進行星載微波遙感器攻關。對於機載微波遙感器則應多作應用飛行,解決生產實際、科學研究、防災減災方面的具體問題,積累理論和應用中的經驗。同時還應加強微波遙感理論研究工作,開展陸基微波遙感的實驗研究工作,為星載運行的資料反演、解譯做好前期工作。