無源微波遙感技術是通過使用微波輻射計, 用輻射測量技術( 即不直接接觸被研究的目標) 感測被研究的目標在微波譜段內反射的、發射的或吸收的非相關電磁輻射,然後經過某種變換的數學處理, 從中提取對被研究目標的有用信息。
基本介紹
- 中文名：無源微波遙感
- 外文名：passive microwave remote sensing
- 遙感平台：星載、機載、地面基站
- 實質：微波段非天體目標的輻射測量技術
- 優點：全天時、全天候工作能力
- 套用領域：電子科學、大氣科學、測繪科學
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簡介
無源微波遙感
非天體目標的輻射測量，特別是微波譜段的非相關電磁輻射的輻射測量技術,一般稱之為無源微波遙感技術。近年來,隨著空間技術的高速發展,使得微波半導體技術、微波器件和微波技術得到了極迅速的發展,從而使無源微波遙感技術成為一門新興的科學。
無源微波遙感技術實際上是通過使用微波輻射計,用輻射測量技術(即不直接接觸被研究的目標)感測被研究的目標在微波譜段內反射的、發射的或吸收的非相關電磁輻射,然後經過某種變換的數學處理,從中提取對被研究目標的有用信息。
無源微波遙感技術一般包含三個部分:
1.微波輻射的探測,常用的儀器為微波輻射計。
2.信息的處理和封讀,即對所獲得的信息作各種校正和處理,以便識別各種目標的類別和屬性。
3.輻射特性的研究,即對各種目標輻射的、反射的非相關波譜進行大量實況調查和測量的基礎工作。
無源微波遙感具有全天時、全天候工作能力,並對某些海洋參數和狀態(鹽度、溫度、油溢等)具有獨特的大面積、快速、定量檢測的能力。
輻射測量
輻射測量術是測量由一定目標或介質所反射的、發射的或吸收的非相關電磁輻射的專門技術。輻射計則是進行這種測量的一種高靈敏度接收機或其它形式的檢測設備。在無線電技術發展史上,輻射測量技術在本世紀三十年代首先用於對天體現象的無線電觀測,即所謂射電天文觀測,後來發展成為射電天文學這一天文學中新興的重要學科。
基本原理
物理基礎
電磁輻射的波長,從最短的宇宙線(僅約千分之一埃)連續地延伸到最長的無線電波(長達數公里)組成完整的電磁波譜。肉眼能夠看得見的電磁輻射叫“可見光”,其餘波段的電磁輻射,如γ線、X線、紫外線、紅外線、無線電等,肉眼一概看不見。又因為一切物體,由於成份、結構、溫度等特性各異,對電磁波的吸收、反射、發射或透射都有各種特定的波長。同時,物體對於外來的輻射既有吸收又有反射的作用。
如果有這樣一個物體能夠把投射於其上面的電磁波全部吸收而毫不反射,則稱為絕對黑體。一個能夠保持其中電磁能量不穿過包圍殼體的空腔可以看作黑體。黑體表面既是一個理想的輻射體,又是一個理想的吸收體,任何物體在與周圍保持熱平衡的情況下,有ε=σ=1-ρ(其中ε是輻射係數,σ是吸收係數,ρ是反射係數)。這就是無源微波遙感技術的物理基礎。
雖然有些物體,例如大氣的微波輻射強度比紅外弱得多,大約為8個量級以下,但是由於微波輻射計的靈敏度要比紅外探測器高約九個量級以上,因此使用微波遙感輻射計彌補了物體輻射強度弱的缺陷。在實際工作中,多種遙感技術往往互相配合使用,互為補充,從而獲得更為精細和豐富的信息。
無源微波遙感設備是由銳方向性天線和高靈敏度接收機兩個主要部件構成。對於在接收天線波瓣內一個表面或目標,從瑞利—金斯表達式可見,接收到的輻射能量,即黑體媒質輻射進入天線的總功率能夠用下式表示:
無論是以星載、機載為遙感平台的無源微波遙感輻射計探測地表特性或者是以地基為遙感平台的無源微波遙感輻射計探測天體對象時,在無源微波遙感輻射計與被觀測目標之間自然地有大氣作為介質存在,大氣作為介質對輻射電磁波既有吸收作用,同時也貢獻自己所輻射的電磁波。在忽略大氣介質對電磁波傳播衰減影響的情況下,無源微波遙感輻射計所接收的信息就是被觀測目標物體所輻射的亮溫度。
結論
從無源微波遙感的基本原理可以得出下列結論:
1.無源微波遙感是在微波頻段上以一定距離探測被測目標物體自身所輻射或反射的非相關電磁波(噪聲)能量。產生這個非相關電磁波的能源不是靠照射波的直接反射,而是由目標物體本身蓄積的能量的輻射,輻射出的波譜(即輻射強度與波長等的有特性)與日標物體的性質(物理化學組成,物理溫度,表面性質等)有密切關係。如果我們事先知道這種關係,則從微波遙感輻射計所收集到的數據反演出目標物體的有關信息。
2.無源微波遙感輻射計和被測目標物體之間自然地有介質(大氣、地層、水等)存在,介質對遙感信息傳遞的非相關電磁波產生一定的影響,因此,在設計無源微波遙感系統,選擇工作頻段、分析遙感數據時都不可能忽略這種影響。
3.無源微波遙感技術是通過測量被測目標物體本身所輻射的能量(即微波亮度)的大小或變化來了解目標的某種性質的。因此,對於目標物體周圍的其它物體和傳播介質本身所輻射的能量和影響稱之為目標的背景噪聲特性的影響,必須給於充分的處理。
4.對於用無源微波遙感設備所獲得的被測目標物體的信息數據的解釋和判讀是以予先具有或儲存被測目標物體的有關特性知識為基礎的,它的數學命題是從一個已知的記錄數據函式出發通過某種變換反演與目標相互關係的函式。
航空無源微波遙感
微波遙感近些年來成為世界遙感界研究開發的重點，這是由於微波遙感不但有全天候、全天時的特點，而且又能獲得海洋、大氣、陸地的具體物理參數。在中國科學院統一計畫下，長春地理所從1973年起，開展了航空無源微波遙感器的研製和套用研究。在此期問，先後研製成了6個頻段機載微波輻射計，並進行了數十次航空遙感試驗和地面遙感測量，獲得了大量微波輻射圖像和數據，為進一步開展航空、航天微波遙感打下了基礎。
航空微波輻射計
機載21厘米、10厘米、5厘米、3厘米掃描13毫米成像、8毫米成像微波輻射計，採用了負反饋零平衡Dicke方案，即通過大環負反饋向天線的接收信號注入附加噪聲，使其等於標準噪聲源的大小，然後分別交替通過系統，並經過相減處理，就消除了系統固有的強噪聲和增益的波動。另外，這些設備還採用了雙參考源小環反饋自動增益補償方案，即在一個小環中檢測出兩個標準源的差量經過輻射計系統的變化，並用其控制小環增益，以使整機增益不變。21厘米波長是遙感海水鹽度的最佳頻段，5厘米波長是遙感海洋水溫的最佳頻段，13毫米波長是遙感大氣中水含量的最佳頻段，10厘米、3厘米和8毫米波長是大氣視窗，是遙感地表頻段。
航空遙感試驗
自1977年以來，航空微波輻射計在中國新疆、長春青島、天津、開封、寧波、大連、廣州、營口等地進行了多次航空遙感試驗及地面遙感測量。下面列出幾種典型結果。
(1)海冰
從1986年起，連續5年的12月份，在中國遼東灣、渤海灣，用8毫米、21厘米和10厘米微波輻射計進行了海冰航空遙感，給出了海凍的分布圖像，冰層厚度和種類。在遼東灣鮁魚圈，以臂長23米的遙感車為平台，進行了海冰厚度與亮溫關係的標定。圖是頻率分別為36，5.4，3，1.4GHz的微波輻射計測得的海冰亮溫與冰厚的關係曲線。
海水厚度與亮溫的關係
海水厚度與亮溫的關係(2)海上油污染
對海上油污染進行過多次航空遙感試驗。8毫米成像微波輻射計能有效地獲得海上油膜圖像，根據亮溫值能判定油膜厚度。圖是在水槽中標定的油膜厚度與亮溫的曲線。
水上油膜厚度與亮溫的關係曲線
水上油膜厚度與亮溫的關係曲線(3)海溫
1987年11月在中國東海用5厘米微波輻射計航空遙感海溫。兩次飛行投下4個測溫浮標。微波輻射計遙感的海溫與浮標測得海溫差小於0.15度。
(4)植被
在多次航空遙感試驗中獲得了森林、草地、蘆葦等典型作物的微波輻射圖像和數據。並在遙感車平台上取得了森林，草地、小麥、苞米、大豆、白菜等的多個頻段的微波輻射亮溫數據。
