微波大氣遙感

微波大氣遙感 （microwave remote sensing of atmosphere ）是利用微波輻射信號探測大氣的方法和技術。分為主動式微波大氣遙感和被動式微波大氣遙感兩類。

介紹

微波大氣遙感 microwave remote sensing of atmosphere

作為主動式微波大氣遙感的氣象雷達，從20世紀40年代起就被套用於大氣科學。被動式微波大氣遙感的地面試驗，起始於60年代初,獲得了0～10公里左右的大氣溫度分布資料。1972年,被動式微波大氣遙感在美國“雨雲”5號氣象衛星上試驗成功。1978年美國發射的第三代氣象業務衛星“泰羅斯”N號,已正式採用被動式微波大氣遙感探測大氣溫度。此外，微波大氣遙感在探測晴空和有雲條件下的海溫、海面風、海面上空水汽總含量、雲中含水量和降水強度方面的試驗，也取得了成功。

微波大氣遙感儀器

原理

被動式微波大氣遙感原理基本上和紅外大氣遙感類似，它利用大氣中氧的 0.5厘米吸收帶探測大氣的溫度分布。在溫度和壓力確定的情況下，利用大氣中水汽在0.164厘米和1.348厘米的兩條吸收線上、臭氧0.27厘米吸收線上以及其他微量成分在各自的吸收線上發射的微波輻射，探測這些氣體的濃度分布。這些微波輻射的波長比雲霧粒子的半徑大得多，在傳輸過程中受雲霧的干擾較小，是進行全天候遙感大氣溫度和水汽的理想波段。此外，雲滴和雨滴的微波輻射具有連續譜的特徵，在溫度確定的前提下，雲和雨的微波輻射強度直接與雲中含水量和雨強成正比。因此，利用雲雨在 0.8、1.55、3.2、5厘米等大氣微波窗區(見大氣的微波吸收)發射的微波輻射，能定量地探測雲體總含水量和雨強分布。

微波大氣遙感原理

儀器

進行微波遙感的基本儀器裝置是微波輻射儀(見彩圖),它是一種方向性好、靈敏度高的微波噪聲接收機。主要由天線、接收機、數據記錄或儲存單元三部分組成（見圖）。天線一般採用拋物面及其變型，要求有好的角解析度、儘可能低的旁瓣。接收機一般採用迪克調製式的超外差接收機。它首先將天線收集的微波輻射的直流信號變成交流，然後用超外差線路進行檢測。為了提高信噪比，降低輸出的脈動，還要將一定時間間隔內的信號進行積累和平均。在迪克調製式接收機的基礎上還發展了其他幾種改進型，例如零平衡式、雙參考源調製式以及脈衝噪聲注入式等。

套用

簡單說明一下這些東西怎么用法，這個在海洋探測裡邊用的，海洋（占）整個地球60%的面積，甚至還多，那么人類現在，上個世紀主要是靠陸地，有了資源，有了食品，地球裡邊的，非再生資源越來越少了，石油越勘探越少，煤越來越少，食物，（因為）人口膨脹，食物越來越少了，怎么辦呢，提出口號向海洋要資源，那必須得要研究海洋，要研究海洋的話，海洋的很多動態，需要研究的，一般都是浪長 海浪 風長，海洋的風向風速，溫度長，海面的溫度怎么分布的，流長，海流怎么流法，因為這些東西，跟人們所需要的人類的活動密切相關。

比如說出海，必須知道今天的天氣，海流往哪兒走，風向應該往哪兒走，不知道這個，他回不來了，另外海洋動物，生物，各種不同的魚，它跟海洋的溫度，海洋的葉綠素的分布，都有關，如果能比較準確地掌握了這個東西，漁民直接到那兒去，所以可以大量地捕魚，國家已經使用這個東西指導海洋的捕魚，這就是海洋的套用，那么海洋的災害也比較多了，颱風，厄爾尼諾現象，大家聽到了，溫度異常，反過來拉尼娜現象，這個都是跟人類生活非常非常（密切的），拉尼娜它是厄爾尼諾的一個反面，厄爾尼諾是溫度升溫， 拉尼娜是降溫，那么這個東西，如果不了解的話，為什麼天氣比較異常呢，跟這個有關，以往不知道，可以準確地預報它，這個開發海洋資源裡邊，這個圖像是海洋的地貌，不但是能夠給表面地貌，而且能夠給出海底的地貌，這很重要。

大陸架，伸出去，大陸架是中國的領土，如果不了解大陸架怎么延伸的，你說少了，受損失，說多了，人家笑話你，大陸架延伸多少，這是海面的溫度，溫度差是很重要的，剛才已經說了，舉個簡單例子，捕魚的問題，除了這個以外，厄爾尼諾現象是靠溫度和海洋的高度變化探測的，大氣，是人們非常關注的，因為人類的空間，海洋大氣在空間，那么大氣裡邊 降水，降雨 降雪，這些東西你總得有預報，要預報的話，需要知道雲彩，另外雲彩裡邊的含水量，這個水的顆粒多少，一般的雲彩不會下雨的，說人工下雨，都是掌握了這些知識以後，再添一點，它就下雨了，所以大氣探測對人類是至關重要的，天氣預報就是靠這個東西，遙感比較準確的給出這些數據。

下邊就是陸地，人們生活的陸地，陸地套用比較多的是植被的分配，還有風沙，不是沙化厲害嗎，遙感就在這兒發揮作用，這個沙眼究竟在什麼地方，你說酸雨下來，這個雨從哪兒來，另外人類現在衣食住行，吃的東西，每年的農作物 估產，這個是對國民經濟的發展是相當重要的，國家計委為什麼到年底才開一個明年的計畫會議，有時候年底開不了，到第二年的1月份開會，就等著這個估產，估產準確了，有些東西可以出口多少，有些調節糧種，進口多少，這個掌握不住的話，不該出口的出口了，不該進口的進口了，所以農業的估產，做的，小麥的估產做到95%的準確度，水稻 低一點85%左右，玉米 大豆稍微高一點，85%到90%，這已經形成了微波大氣遙感每年向國家（上）報，國務院（上）報的，當然預報並不是單純這個，還有其他途徑。

另外一個地震，地震預報是一個世界的難題，現在沒有很好的辦法，但利用這些空間技術，和地質技術，（逐步了解）這些東西，微波大氣遙感逐步逐步地改進，對地震預報能力越來越強，這裡邊遙感主要是從空中看地面的溫度變化，有紅外的，也有微波的，另外一個探礦，我們地下有很多油田，怎么發現，打井是最好一次（成功），但不能到處打井，究竟打在哪兒更準確一點，這樣大量省經費，省人力，這個遙感技術就提供這個（信息），可能在這個方位有油，你去打吧，

技術特點

可見光遙感是利用照相機拍被探測物體的照片；而紅外遙感是拍下物體的熱圖；而微波遙感則是利用微波攝下物體的景象。與可見光遙感和紅外遙感相比，微波遙感技術有許多優點：

第一，對目標的鑑別能力強。由於物質內原子和分子的電動力學過程，任何物體都會產生自然的無線電波輻射，不同物體輻射頻譜不同。如鋼、水和混凝土，在同溫度下，紅外比輻射率分別是0.6—0.9，0.9和0.9，差別是不明顯的，而相應的微波比輻射則分別大0.0，0.4和0.9，根據遙感的輻射強度，就能辨認出目標究竟是飛彈發射架還是高樓大廈。

第二，穿透雲層能力強。可見光和紅外線對雲層（特別對雨雲）是“望而生畏”的，而微波卻在其中暢行無阻。因此，在高空中（如衛星上）拍攝地面景物，是紅外遙感和可見遙感所無能為力的，而微波遙感卻能大顯身手。

第三，對物體的穿透能力強。例如對於冰雪、土壤、混凝土、岩石和植物都有不同程度的穿透，最深可有20～30個波長。由於穿透深，就可以獲得地面下的信息。

第四，獲得信息不同。例如，可見光和紅外照片上土壤及植物的顏色，主要由它們的表面層分子諧振所決定，而微波遙感照片的顏色，則反映了土壤和植物的幾何體及介質特性。將這兩方面信息綜合起來，就獲得了目標的全面信息。因此，微波遙感，紅外遙感和可見光遙感也是相互補充的。

中國的發展

中國的遙感發展是（20世紀）70年代初開始的，微波遙感稍微晚一點，到目前為止微波大氣遙感走了三個階段，最初呢，跟著人家學，把遙感這樣概念引入到中國，這個階段大概是（20世紀）70年代中期，那個時候微波大氣遙感到處宣傳，向中央寫報告，中國應該發展（遙感技術），比人家已經晚了，大概8年左右，第二個階段，微波大氣遙感已經進入到自己有能力做科學研究和技術系統的開發，這個時間比較長一點，而且國家，正式把這個計畫列入到國家的五個五年計畫的攻關計畫里，所以微波大氣遙感65 75 85 95（計畫），現在十五（計畫）了，每個五年計畫科技攻關裡邊都有這個內容，第三個，微波大氣遙感不但在地面和在航天航空這一級做了這個工作，而且已經上了衛星，直到現在天上發射的氣象衛星海洋衛星還有無人飛船“神舟號”，都有這個遙感器，微波遙感器還沒有上天，很快的，“神舟”系列裡邊有微波遙感器上天，這個是中國研製的2個系列，下邊一個一個會說的，那么搞遙感的時候，必須同樣的探測地面的目標特徵，因為照相以後，根據圖片，要判（斷）一下，究竟這是什麼東西，所以地面相應的測量，各種各樣的地物的一個特徵，所以這裡邊很多測量，測量農作物，水稻的，高粱的，雪的凍的，這些東西都有，這就是測量海洋，掌握了這個以後，（要）進行數學模型的建立，然後我們的衛星數據下來以後，根據這個東西進行判斷，這個是中國做的第一台我們國家的機載散射計，這個是機載高度計，這（是）一個天線了，這個就是微波大氣遙感在農作物的實地測量，目的是掌握它的特徵，掌握不住這個特徵，估產就比較差勁，農作物的生長，不同期間 不同的階段，它反映在遙感器里是什麼特徵，這裡邊有跟葉綠素有關，水分有關，肥料有關，這是在北京郊外，用大吊車測量我們北京郊外的一個桃樹林，桃樹當年生產情況，右邊這個是在湖南測量水稻，當時車進不去，路比較泥濘，所以當地的農民搭了這個台子，儀器放在上面，做測量用的，這裡列的是中國到目前為止做的各種各樣的儀器，

微波大氣遙感已經做了這么多工作，微波大氣遙感國際上現在，做哪些方面的工作呢，一個遙感器的發展，是更加集成化，模組化，另外一個小型化，因為大家可能聽說過，現在的衛星都是幾噸幾噸的，噸級的衛星很大，最近正在發展幾十公斤的，一百公斤的，五百公斤的小衛星，甚至是由，大概幾十克的一個納衛星，但納衛星做不了這個工作，但五十公斤以上的小衛星可以做的，那么衛星變得很小，這樣發射衛星的周期一兩年就可以發射了，不像以前發射一般都是五年以上，衛星要做得小，上邊放的儀器一定要小，所以（這是）微波大氣遙感小型化的問題，這個就是剛才說的，美國最近做的，2001年2月發射的，一次性的能夠給予三維圖像，這個非常成功，它高層的精度，（美國）對外公布它做到了10米，實際上它已經做到4米，分析的結果，這樣，它把全世界覆蓋一遍，那么中國怎么發展？

微波大氣遙感已經發展了很多，但是離外國有相當大的距離，但中國現在使勁趕，中國有幾個原則，第一個原則，中國是一個開發中國家，中國的國力有限，不能跟中國拼經濟實力，但是我必須做，所以必須重點突出，不能他有什麼我有什麼，第二個原則是我們我們國民經濟發展需要空間遙感，應該發展這樣的工作，所以發展是必須要發展的，儘管沒有錢，第三個，微波大氣遙感發展不能亦步亦趨的跟人家走，所以做跨越式發展，（國外）是一步一步走的，我們第一步做完了以後，從這兒跳過去，一下子做到前沿裡邊去，我們已經這樣做了，所以我們經過這幾年以後，有些水平上，已經接近（國外先進水平），這么說吧，我們中國的微波遙感，在亞洲還是第一，國際上大概美國 俄羅斯，歐空局，歐空局跟我們差不多，日本也不如我們，印度不如我們，至少到目前為止，第一個，我們首先要做到，現有的 已有的遙感技術，水平要提高，這是第一個要做的，第二個要擴展我們的頻率，剛才我說了，現在，中國掌握的頻率，到現在為止是8毫米，能夠上天的，但這個東西就比起人家來差遠了，美國做了多少，已經400個G，就是已經到亞毫米，零點幾毫米，我們是8毫米，差一個數量級，西歐國家有的已經做到大概是0.5毫米，那我們現在中國，是在這個方面要做到，本世紀的初期，就是2005年以前我們要達到400個G，就是0.8毫米左右，然後越來越接近，估計花個十年左右的時間，跟（國外先進水平）差不多，下邊就是小型化的問題，剛才已經講了，第四個我要加強基礎研究，基礎研究跟不上，你新的技術出不來，你很難有突破性的進展，很難趕上美國，下邊是套用研究，我們有了這么多東西，怎么套用法，因為用戶需要培養，到目前為止有些用戶就是看圖識字了，圖片有了以後就看圖片，這樣不行，必須從已經獲取的信息和圖像裡邊挖掘出更深層次的信息，

中國現在正在做的工作， 一個叫多模態遙感器，馬上上天了，還有一個是先進模組化的遙感器，還有四維成像的，合成孔徑雷達的，我們即將要發射海洋二號衛星，風雲系列的衛星風雲系列到目前為止，只有紅外，沒有微波，而海洋和大氣沒有微波，是絕對不行的，所以我們已經立項 正在做，我估計過個五年左右，我們海洋衛星，我們的氣象衛星，都已經有微波，所以（和）國際上可以相比擬，還有月球的探測，裡面我們將準備用微波，還有新的知識，叫空間虛擬遙感，這個是多模態遙感器，這邊這個是即將要上天的，遙感器的衛星的一段，這個（是）“神舟”系列裡邊的，下一次發射就發射它，我是這個系統的總師，這個如果上去的話，對海洋 對大氣，我們中國就突破了我們的零，零的突破，在這個水平裡邊我們有兩項是超過美國的，這裡邊，這個是 現在研究人員都在調整上天的儀器，那么先進模組化是這樣的，因為剛才那個，三個模態的東西都在這兒，但有的時候，不一定三個都要，所以怎么辦呢，就做成模組，需要哪個上那個，這個就是，去年我們的江主席，他們都來參觀過這個（模組），這個是我們自己有智慧財產權的，我們有發明專利的，一個三維成像的高度計，到目前為止，國際上還沒有這個東西，我們一次性的，比較小的東西，一成像出來，它就是立體圖，不像美國剛才那樣，伸出60多米的，那個東西（美國）做得了，我們做不了，我們沒那個錢，所以窮人有窮辦法，做出來的東西也許可能比別人就好，這是我們今年4月份，第一次試飛，這個圖好象不是太好，這個是我們在（陝西）閻良（機場），試飛時飛的，西安（試飛研究所）幫我們飛的，飛得很好，但這個圖像不太好在那兒呢，飛機姿態不穩定，這個三維成像，立體成像是非常要求姿態穩定，但是至少證明這個原理通（過）了，所以我們對外宣布我們已經成功了，這裡邊（就）是，這邊這個是 干涉圖，有了干涉圖以後可以出現三維，進一步處理，下邊我們叫綜合孔徑輻射計，國際上（現在）美國有，丹麥有，我們有，什麼意思呢，就是剛才說，有一個被動的，它作用很簡單，沒有反射計，很簡單，但是這個解析度比較差，我們發展這個技術，它的解析度能夠提高，在地面做之前，這個也是成功的，下面我們就是頻率爬高的（問題），剛才說了，我們這個是山後面飛的，也在（陝西）閻良飛，這個（是）我們得到的，黃河和渭河（的遙感圖），在（陝西）閻良飛的，叫做“飛黃”，這個圖相當漂亮，下邊叫空間虛擬，這個是我們第一個提出來的，新的技術，但這個，要發展成真正能套用的，我估計有十年，什麼意思，現在我們很多儀器剛才說的做得很大，越來越大，為了提高它的精度，提高它的解析度，做得很大很大，上衛星有點困難了，怎么辦呢，我現在把它分化，放在不同的衛星上面，然後到上邊以後，它就虛擬成像，大家知道，我們虛擬用在電影裡邊很多，本來後邊沒有沙灘，兩個人在那兒打排球，就在這個屋裡邊，這個後邊憑空搞了一個沙灘，好象挺熱鬧，在沙灘裡邊打排球一樣，一樣 這個虛擬技術用在空間裡邊，那么美國也在研究，我們也在研究，我們希望在這個問題上，跟美國同步，但他有錢，他肯定比我們快一點，但至少我們不會比別人落後十幾年，所以如果只要這個成功的話，不但在空間這裡邊，將來要看非常遠的星球，大家知道哈勃望遠鏡看到150光年以外的一個東西，如果是虛擬成像上去的話，我這個機械拉得非常非常長，幾百公里，幾千公里，再看星球，那就解析度很高了，看得很遠，所以這個技術很有前途，我們目前現在是大力發展這個問題。

世界發展

帶有微波遙感器的第一個海洋衛星，1978年美國發射的，它裝的是幾個微波遙感器，散射計、雷達高度計等等，這個（是）它上邊的一個高度計，這個高度計在一千公里以外，對海面的距離測量精度現在已經達到4.5厘米，相當準確，然後它給出一個海浪的高度，海浪高度10%的精度，那么知道了這個以後，再加上溫度，可以告訴你， 厄爾尼諾現象是不是（正）在形成，這個是叫“GEOSAT”，這個是另外一個高度測量的衛星，這是上邊的一個高度計，這個是加拿大的雷達衛星，是專門用雷達的，它主要是觀測地面的，加拿大（有一個微波大氣遙感在搞這個工作），因為加拿大地處北極，凍的分布，這些東西它（能）了解，

日本發射的實際上美國研製的，先進的對地觀測衛星， 歐洲發射的，歐洲遙感衛星一號，這是它的二號，這個是歐洲發射的專門測量環境的，環境衛星，這個是最新一代的專門高度測量的衛星，