什么是微波遥感器?

什么是微波遥感器?

[拼音]：weibo yaoganqi

[外文]：microwave remote sensor

检测地物和环境的微波辐射或反射的遥感器。带有微波发射源，能产生微波并把它发射出去探测远处的景物，再接收从景物反射或散射回来的微波的遥感器，称为有源微波遥感器，如侧视雷达、微波散射计、微波高度计等。不带有微波发射源，不能产生和发射微波，只接收景物自身辐射出来的微波的遥感器，称为无源微波遥感器，如各种类型的微波辐射计。

特点

波长较长 （3厘米以上）的微波在传播过程中大气吸收甚小，能穿透云雾，因此微波遥感器，特别是侧视雷达一类有源微波遥感器能测得厚云层覆盖下的地面景象。它不仅能昼夜工作，而且能在各种气候条件下（特殊恶劣的天气除外）使用。

微波入射土地表面时，它的一部分能量被地表面散射到大气中，其余部分则穿过表面进入土地内部。表面散射的现象称为面散射。进入由不均匀媒质组成的土地的微波还会发生散射现象，称为体散射。体散射的结果又使一部分能量穿过地表界面回到大气中。体散射发生深度通常称为穿透深度，用δp表示。影响穿透深度的两个主要因素是波长和媒质的含水量。含水量影响土壤对波的吸收程度。一般干燥物体的穿透深度近似地可表示为

式中λ0为自由空间的波长;ε′和ε″分别为复介电常数的实部和虚部，ε′为介电常数，通常为1.2～6，ε″为损耗因子，一般小于0.1。对于干燥物质，ε″/ε′<<1，穿透深度至少可以达到几个波长。L波段的微波(如λ0＝23.5厘米)在干旱沙漠地区的穿透深度很大。水分含量对穿透深度有很大影响。由于水的ε′和ε″一般比干燥物质大一个数量级以上，穿透深度将按指数律下降（图1和图2）。波长越长或水分越少，穿透深度就越大。对于多层媒介物质，例如雪或植被覆盖下的土地，要获取上层地物（雪、植被）的数据或图像，必须使用较短的波长；要检测被雪或植被掩盖下的地貌特征，则应采用较长的波长。使用较长波长的成像雷达所获得的图像不仅能显示出被植被掩盖着的某些地表特征，还能显示出干燥土层下面的地质构造特征。成像雷达的这些特点对于干旱地区和森林茂密地区的勘察和开发极为有益。

根据经典衍射限分辨率的概念，光学和微波成像系统的空间分辨力直接与波长有关，波长越长，分辨能力越差，可近似地表示为

式中ρ为线性分辨力；λ为波长；D为天线的孔径尺寸(在光学成像系统中D为光学成像透镜的孔径);R为天线或透镜与景物的距离。微波的波长比可见光和红外线的波长大得多，因此一般微波遥感器（合成孔径雷达除外）的空间分辨力比可见光系统或红外系统的低得多。这虽是一个缺点，但在某些应用场合反而有益。例如，对于森林植被茂密地区，由于植被（树干树叶等）的线性度小，在分辨力为几十米甚至更低的微波雷达成像系统中这些小尺寸物体往往被平滑掉而得不到显示。相反，对于被这些小物体掩盖下的大尺寸物体，如岩石断层和其他地质上的线性构造、环形构造等，由于线性长度往往是几十米、几百米甚至几千米的量级，在分辨力较低的成像系统中它们却能以突出的形象明显地被记录在雷达图像上。因此，显示大面积地质构造和地貌特征是雷达遥感的一个重要优点。飞行器上合成孔径雷达的方位分辨力的理论值为

ρ＝D/2

在此式中方位分辨力ρ与波长和距离均无关，它与孔径尺寸D的关系恰与前式相反。这就是说，采用合成孔径技术，一个尺寸较小的天线也可得到很高的方位分辨力。

侧视雷达

分为真实孔径雷达和合成孔径雷达两类。两者在成像原理和技术上有根本区别。合成孔径雷达又分为聚焦型和非聚焦型两种。

（1）真实孔径侧视雷达。空间分辨力低，而且随飞行高度的增加而下降，所以一般只适用于低空飞机上。发射和接收系统装在机舱内。装在机舱下的天线把发射机产生的微波能量形成一扇形波束向着航线的正侧下方发射到地面。波束与地面接触的区域形成一条横向宽度为W、纵向长度为L的辐照区（测绘带）。由于采取侧视工作方式，电磁波到达辐照区各部分的时间有先有后，地物的散射波回到天线的时刻也就有早有迟，从而实现对辐照区的横向扫描。与此同时，波束随着飞机前进做航线方向的扫描。这就形成两个方向的扫描（图3）。二维扫描的脉冲回波序列在雷达接收系统中经过混频、中放和幅度检波以后，在显示器的荧光屏上按到达先后顺序以不同的亮度等级显示出来。在荧光屏前，记录照相机的胶片以一定的速度(与飞机航速成比例)同步移动，于是在胶片上记录下二维景物的图像。这类侧视雷达的空间分辨力在航线方向决定于天线航向孔径尺寸，在斜距方向决定于发射脉冲宽度。这与一般常规雷达的方位分辨力概念是一致的。当波长与斜距决定后，航向分辨力的高低完全取定于雷达天线方位孔径的真实尺寸，真实孔径侧视雷达的名称即来源于此。

（2）合成孔径侧视雷达。合成孔径雷达是一种相干成像雷达，利用飞行器与景物的相对运动产生多普勒频移，经过二维相关处理或匹配滤波处理获得高分辨率图像。成像过程是：带有多普勒信息的回波经过接收机混频、中放和相位检波并加上偏置频率后成为视频多普勒信号，再在显示器的荧光屏上扫描，并由同步移动的照相胶片连续地记录下来成为数据胶片；用相干单色激光照射数据胶片，产生衍射光波，然后由几个光学透镜组成的一套光学处理器把衍射光波处理成像并记录在图像胶片上。

微波散射计

它是一种只记录物体散射数据而不要求成像的雷达，用以测量各种物体对入射微波的散射特性。物体的散射特性通常用散射系数σ0（见地物波谱）表示， σ0也称归一化雷达散射横截面。根据一般脉冲雷达方程，可以进一步推导出σ0的表达式为

σ0＝Pr(4π)3L2R4/(PtG2λ2A)

式中Pt为发射功率；G为收发共用天线的增益；λ为波长；A为垂直于天线波束的物体被照射有效截面积；R为物体与天线间的斜距；L为单程大气功率损失因子（L≥1，波长在3厘米以上时，可以假定L=1）；Pr为回波功率。系统参数（Pt、G、λ、A）选定以后，在同一斜距处的物体的σ0直接与回波功率Pr成比例。因此，精确测定出Pr或Pr与Pt之比，就可以得到σ0。

微波高度计

用于遥感的微波测高雷达。它通过精确测量回波脉冲的时延及其前沿宽度来测量高度。影响机载和卫星载高度计性能的主要因素有发射脉冲宽度、天线波束宽度和天线指向精确度。这些因素都影响回波脉冲的形状和持续时间。一般需要用纳秒量级的窄脉冲和精确指向天底的天线波束，才能获得精确的测量结果。

微波辐射计

用来检测地物和环境的微波热辐射的高灵敏度接收机。根据辐射定律，辐射计接收到一般物体的微波热辐射功率为

P＝kεTB

式中 k为玻耳兹曼常数；ε为物体表面发射率(0＜ε＜1)，它与物体的表面性质、复介电常数和实际温度有关，也与频率、极化和测量时的入射角有关;T为物体的绝对温度；B为辐射计的射频带宽。通常把乘积εT 称为物体的亮度温度（简称亮温）Tb，或称视在温度。于是上式可写成

P＝kTbB

这表明，辐射计接收到的辐射功率P直接与物体的亮温成比例，而亮温则隐含有物体的某些特征信息。

机载和卫星载辐射计的性能指标主要是温度分辨力和空间分辨力。温度分辨力也称热分辨力或灵敏度，是对两个不同辐射源的最小可分辨的亮温差。它一般可用下式表示：

式中 Tr为接收机噪声温度；Ta为天线噪声温度；Tsn为Ta和Tr之和，指系统的噪声温度;B为辐射计的射频带宽；τ为积累时间；α为一常数，其值为1～3。此式表明:系统噪声越大，温度分辨力就越低；带宽越宽，积累时间越长，温度分辨力就越高。空间分辨力由波长、天线孔径尺寸和测量距离决定。对于波长为3毫米的辐射计，天线孔径为1米时，在1000公里高的航天轨道上测量地面或海面，空间分辨力约为4000米。微波辐射计的缺点是空间分辨力较低。

热成像微波辐射计一般为扫描型，通常由一开关式接收机、一个可扫描的天线和一套数据处理设备组成。天线对地表扫描，地面目标的热辐射通过接收设备形成目标的亮度温度分布，再通过数据处理设备转换成正比于亮温的灰度分布，从而得到以灰度等级显示的图像。

参考书目

F.T.Vlaby，R.K.Moore，A.K.Fung， Microwave Remote Sensing，Active and Passive， Addison Wesley Pub. Co.，Reading，Massachusetts，1981～1982.