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微波大气遥感

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利用微波辐射信号探测大气的方法和技术。分为主动式微波大气遥感和被动式微波大气遥感两类。作为主动式微波大气遥感的气象雷达,从20世纪40年代起就被应用于大气科学。被动式微波大气遥感的地面试验,起始于60年代初,获得了0~10公里左右的大气温度分布资料。1972年,被动式微波大气遥感在美国“雨云”5号气象卫星上试验成功。1978年美国发射的第三代气象业务卫星“泰罗斯”N号,已正式采用被动式微波大气遥感探测大气温度。此外,微波大气遥感在探测晴空和有云条件下的海温、海面风、海面上空水汽总含量、云中含水量和降水强度方面的试验,也取得了成功。

编辑摘要

目录

微波大气遥感 microwave remote sensing of atmosphere 利用微波辐射信号探测大气的方法和技术。

微波大气遥感 - 分类

利用微波辐射信号探测大气的方法和技术。分为主动式微波大气遥感和被动式微波大气遥感两类。作为主动式微波大气遥感的气象雷达,从20世纪40年代起就被应用于大气科学。被动式微波大气遥感的地面试验,起始于60年代初,获得了0~10公里左右的大气温度分布资料。1972年,被动式微波大气遥感在美国“雨云”5号气象卫星上试验成功。1978年美国发射的第三代气象业务卫星“泰罗斯”N号,已正式采用被动式微波大气遥感探测大气温度。此外,微波大气遥感在探测晴空和有云条件下的海温、海面风、海面上空水汽总含量、云中含水量和降水强度方面的试验,也取得了成功。

微波大气遥感 - 原理

(图)微波大气遥感微波大气遥感原理

被动式微波大气遥感原理基本上和红外大气遥感类似,它利用大气中氧的 0.5厘米吸收带探测大气的温度分布。在温度和压力确定的情况下,利用大气中水汽在0.164厘米和1.348厘米的两条吸收线上、臭氧在0.27厘米吸收线上以及其他微量成分在各自的吸收线上发射的微波辐射,探测这些气体的浓度分布。这些微波辐射的波长比云雾粒子的半径大得多,在传输过程中受云雾的干扰较小,是进行全天候遥感大气温度和水汽的理想波段。此外,云滴和雨滴的微波辐射具有连续谱的特征,在温度确定的前提下,云和雨的微波辐射强度直接与云中含水量和雨强成正比。因此,利用云雨在 0.8、1.55、3.2、5厘米等大气微波窗区(见大气的微波吸收)发射的微波辐射,能定量地探测云体总含水量和雨强分布。

微波大气遥感 - 技术特点

可见光遥感是利用照相机拍被探测物体的照片;而红外遥感是拍下物体的热图;而微波遥感则是利用微波摄下物体的景象。与可见光遥感和红外遥感相比,微波遥感技术有许多优点:

第一,对目标的鉴别能力强。由于物质内原子和分子的电动力学过程,任何物体都会产生自然的无线电波辐射,不同物体辐射频谱不同。如钢、水和混凝土,在同温度下,红外比辐射率分别是0.6—0.9,0.9和0.9,差别是不明显的,而相应的微波比辐射则分别大0.0,0.4和0.9,根据遥感的辐射强度,就能辨认出目标究竟是导弹发射架还是高楼大厦。

第二,穿透云层能力强。可见光和红外线对云层(特别对雨云)是“望而生畏”的,而微波却在其中畅行无阻。因此,在高空中(如卫星上)拍摄地面景物,是红外遥感和可见遥感所无能为力的,而微波遥感却能大显身手。

第三,对物体的穿透能力强。例如对于冰雪、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个波长。由于穿透深,就可以获得地面下的信息。

第四,获得信息不同。例如,可见光和红外照片上土壤及植物的颜色,主要由它们的表面层分子谐振所决定,而微波遥感照片的颜色,则反映了土壤和植物的几何体及介质特性。将这两方面信息综合起来,就获得了目标的全面信息。因此,微波遥感,红外遥感和可见光遥感也是相互补充的。

微波大气遥感 - 应用

(图)微波大气遥感微波大气遥感仪器

简单说明一下这些东西怎么用法,这个在海洋探测里边用的,海洋(占)整个地球60%的面积,甚至还多,那么人类现在,上个世纪主要是靠陆地,有了资源,有了食品,现在地球里边的,非再生资源越来越少了,石油越勘探越少,煤越来越少,食物,(因为)人口膨胀,食物越来越少了,怎么办呢,现在提出口号向海洋要资源,那必须得要研究海洋,要研究海洋的话,海洋的很多动态,需要研究的,一般都是浪长 海浪 风长,海洋的风向风速,温度长,海面的温度怎么分布的,流长,海流怎么流法,因为这些东西,跟人们所需要的人类的活动密切相关。

比如说出海,必须知道今天的天气,海流往哪儿走,风向应该往哪儿走,不知道这个,他回不来了,另外海洋动物,生物,各种不同的鱼,它跟海洋的温度,海洋的叶绿素的分布,都有关,如果能比较准确地掌握了这个东西,渔民直接到那儿去,所以可以大量地捕鱼,国家已经使用这个东西指导海洋的捕鱼,这就是海洋的应用,那么海洋的灾害也比较多了,台风,厄尔尼诺现象,大家听到了,温度异常,反过来拉尼娜现象,这个都是跟人类生活非常非常(密切的),拉尼娜它是厄尔尼诺的一个反面,厄尔尼诺是温度升温, 拉尼娜是降温,那么这个东西,如果不了解的话,为什么最近天气比较异常呢,跟这个有关,以往不知道,现在可以准确地预报它,这个开发海洋资源里边,这个图像是海洋的地貌,不但是能够给表面地貌,而且能够给出海底的地貌,这很重要。

现在大陆架,伸出去,大陆架是中国的领土,如果不了解大陆架怎么延伸的,你说少了,受损失,说多了,人家笑话你,大陆架延伸多少,这是海面的温度,温度差是很重要的,刚才已经说了,举个简单例子,捕鱼的问题,除了这个以外,厄尔尼诺现象是靠温度和海洋的高度变化探测的,大气,是人们非常关注的,因为人类的空间,海洋大气在空间,那么大气里边 降水,降雨 降雪,这些东西你总得有预报,要预报的话,需要知道云彩,另外云彩里边的含水量,这个水的颗粒多少,一般的云彩不会下雨的,现在说人工下雨,都是掌握了这些知识以后,再添一点,它就下雨了,所以大气探测对人类是至关重要的,天气预报就是靠这个东西,遥感比较准确的给出这些数据。

下边就是陆地,人们生活的陆地,陆地应用比较多的是植被的分配,还有风沙,现在不是沙化厉害吗,现在遥感就在这儿发挥作用,这个沙眼究竟在什么地方,你说酸雨下来,这个雨从哪儿来,另外人类现在衣食住行,吃的东西,每年的农作物 估产,这个是对国民经济的发展是相当重要的,国家计委为什么到年底才开一个明年的计划会议,有时候年底开不了,到第二年的1月份开会,就等着这个估产,估产准确了,有些东西可以出口多少,有些调节粮种,进口多少,这个掌握不住的话,不该出口的出口了,不该进口的进口了,所以农业的估产,现在做的,小麦的估产做到95%的准确度,水稻 低一点85%左右,玉米 大豆稍微高一点,85%到90%,这已经形成了微波大气遥感每年向国家(上)报,国务院(上)报的,当然现在预报并不是单纯这个,还有其他途径。

另外一个地震,地震预报是一个世界的难题,现在没有很好的办法,但利用这些空间技术,和地质技术,(逐步了解)这些东西,微波大气遥感逐步逐步地改进,对地震预报能力越来越强,这里边遥感主要是从空中看地面的温度变化,有红外的,也有微波的,另外一个探矿,我们地下有很多油田,怎么发现,打井是最好一次(成功),但不能到处打井,究竟打在哪儿更准确一点,这样大量省经费,省人力,这个遥感技术就提供这个(信息),可能在这个方位有油,你去打吧,

微波大气遥感 - 世界发展

带有微波遥感器的第一个海洋卫星,1978年美国发射的,它装的是几个微波遥感器,散射计、雷达高度计等等,这个(是)它上边的一个高度计,这个高度计在一千公里以外,对海面的距离测量精度现在已经达到4.5厘米,相当准确,然后它给出一个海浪的高度,海浪高度10%的精度,那么知道了这个以后,再加上温度,可以告诉你, 厄尔尼诺现象是不是(正)在形成,这个是叫“GEOSAT”,这个是另外一个高度测量的卫星,这是上边的一个高度计,这个是加拿大的雷达卫星,是专门用雷达的,它主要是观测地面的,加拿大(有一个微波大气遥感在搞这个工作),因为加拿大地处北极,冰的分布,这些东西它(能)了解,

日本发射的实际上美国研制的,先进的对地观测卫星, 欧洲发射的,欧洲遥感卫星一号,这是它的二号,这个是欧洲发射的专门测量环境的,环境卫星,这个是最新一代的专门高度测量的卫星,

微波大气遥感 - 中国的发展

中国的遥感发展是(20世纪)70年代初开始的,微波遥感稍微晚一点,到目前为止微波大气遥感走了三个阶段,最初呢,跟着人家学,把遥感这样概念引入到中国,这个阶段大概是(20世纪)70年代中期,那个时候微波大气遥感到处宣传,向中央写报告,中国应该发展(遥感技术),比人家已经晚了,大概8年左右,第二个阶段,微波大气遥感已经进入到自己有能力做科学研究和技术系统的开发,这个时间比较长一点,而且国家,正式把这个计划列入到国家的五个五年计划的攻关计划里,所以微波大气遥感65 75 85 95(计划),现在十五(计划)了,每个五年计划科技攻关里边都有这个内容,第三个,微波大气遥感不但在地面和在航天航空这一级做了这个工作,而且已经上了卫星,直到现在天上发射的气象卫星海洋卫星还有无人飞船“神舟号”,都有这个遥感器,微波遥感器还没有上天,很快的,“神舟”系列里边有微波遥感器上天,这个是中国研制的2个系列,下边一个一个会说的,那么搞遥感的时候,必须同样的探测地面的目标特征,因为照相以后,根据图片,要判(断)一下,究竟这是什么东西,所以地面相应的测量,各种各样的地物的一个特征,所以这里边很多测量,测量农作物,水稻的,高粱的,雪的冰的,这些东西都有,这就是测量海洋,掌握了这个以后,(要)进行数学模型的建立,然后我们的卫星数据下来以后,根据这个东西进行判断,这个是中国做的第一台我们国家的机载散射计,这个是机载高度计,这(是)一个天线了,这个就是微波大气遥感在农作物的实地测量,目的是掌握它的特征,掌握不住这个特征,估产就比较差劲,农作物的生长,不同期间 不同的阶段,它反映在遥感器里是什么特征,这里边有跟叶绿素有关,水分有关,肥料有关,这是在北京郊外,用大吊车测量我们北京郊外的一个桃树林,桃树当年生产情况,右边这个是在湖南测量水稻,当时车进不去,路比较泥泞,所以当地的农民搭了这个台子,仪器放在上面,做测量用的,这里列的是中国到目前为止做的各种各样的仪器,

微波大气遥感已经做了这么多工作,微波大气遥感国际上现在,做哪些方面的工作呢,一个遥感器的发展,是更加集成化,模块化,另外一个小型化,因为大家可能听说过,现在的卫星都是几吨几吨的,吨级的卫星很大,最近正在发展几十公斤的,一百公斤的,五百公斤的小卫星,甚至是由,大概几十克的一个纳卫星,但纳卫星做不了这个工作,但五十公斤以上的小卫星可以做的,那么卫星变得很小,这样发射卫星的周期一两年就可以发射了,不像以前发射一般都是五年以上,卫星要做得小,上边放的仪器一定要小,所以(这是)微波大气遥感小型化的问题,这个就是刚才说的,美国最近做的,2001年2月发射的,一次性的能够给予三维图像,这个非常成功,它高层的精度,(美国)对外公布它做到了10米,实际上它已经做到4米,分析的结果,这样,它把全世界覆盖一遍,那么中国怎么发展?

微波大气遥感已经发展了很多,但是离外国有相当大的距离,但中国现在使劲赶,中国有几个原则,第一个原则,中国是一个发展中国家,中国的国力有限,不能跟中国拼经济实力,但是我必须做,所以必须重点突出,不能他有什么我有什么,第二个原则是我们我们国民经济发展需要空间遥感,应该发展这样的工作,所以发展是必须要发展的,尽管没有钱,第三个,微波大气遥感发展不能亦步亦趋的跟人家走,所以做跨越式发展,(国外)是一步一步走的,我们第一步做完了以后,从这儿跳过去,一下子做到前沿里边去,我们已经这样做了,所以我们经过这几年以后,有些水平上,已经接近(国外先进水平),这么说吧,我们中国的微波遥感,在亚洲还是第一,国际上大概美国 俄罗斯,欧空局,欧空局跟我们差不多,日本也不如我们,印度不如我们,至少到目前为止,第一个,我们首先要做到,现有的 已有的遥感技术,水平要提高,这是第一个要做的,第二个要扩展我们的频率,刚才我说了,现在,中国掌握的频率,到现在为止是8毫米,能够上天的,但这个东西就比起人家来差远了,美国做了多少,已经400个G,就是已经到亚毫米,零点几毫米,我们是8毫米,差一个数量级,西欧国家有的已经做到大概是0.5毫米,那我们现在中国,是在这个方面要做到,本世纪的初期,就是2005年以前我们要达到400个G,就是0.8毫米左右,然后越来越接近,估计花个十年左右的时间,跟(国外先进水平)差不多,下边就是小型化的问题,刚才已经讲了,第四个我要加强基础研究,基础研究跟不上,你新的技术出不来,你很难有突破性的进展,很难赶上美国,下边是应用研究,我们有了这么多东西,怎么应用法,因为用户需要培养,到目前为止有些用户就是看图识字了,图片有了以后就看图片,这样不行,必须从已经获取的信息和图像里边挖掘出更深层次的信息,

中国现在正在做的工作, 一个叫多模态遥感器,马上上天了,还有一个是先进模块化的遥感器,还有三维成像的,合成孔径雷达的,我们即将要发射海洋二号卫星,风云系列的卫星,风云系列到目前为止,只有红外,没有微波,而海洋和大气没有微波,是绝对不行的,所以我们已经立项 正在做,我估计过个五年左右,我们海洋卫星,我们的气象卫星,都已经有微波,所以(和)国际上可以相比拟,还有月球的探测,里面我们将准备用微波,还有新的知识,叫空间虚拟遥感,这个是多模态遥感器,这边这个是即将要上天的,遥感器的卫星的一段,这个(是)“神舟”系列里边的,下一次发射就发射它,我是这个系统的总师,这个如果上去的话,对海洋 对大气,我们中国就突破了我们的零,零的突破,在这个水平里边我们有两项是超过美国的,这里边,这个是 现在研究人员都在调整上天的仪器,那么先进模块化是这样的,因为刚才那个,三个模态的东西都在这儿,但有的时候,不一定三个都要,所以怎么办呢,就做成模块,需要哪个上那个,这个就是,去年我们的江主席,他们都来参观过这个(模块),这个是我们自己有知识产权的,我们有发明专利的,一个三维成像的高度计,到目前为止,国际上还没有这个东西,我们一次性的,比较小的东西,一成像出来,它就是立体图,不像美国刚才那样,伸出60多米的,那个东西(美国)做得了,我们做不了,我们没那个钱,所以穷人有穷办法,做出来的东西也许可能比别人就好,这是我们今年4月份,第一次试飞,这个图好象不是太好,这个是我们在(陕西)阎良(机场),试飞时飞的,西安(试飞研究所)帮我们飞的,飞得很好,但这个图像不太好在那儿呢,飞机姿态不稳定,这个三维成像,立体成像是非常要求姿态稳定,但是至少证明这个原理通(过)了,所以我们对外宣布我们已经成功了,这里边(就)是,这边这个是 干涉图,有了干涉图以后可以出现三维,进一步处理,下边我们叫综合孔径辐射计,国际上(现在)美国有,丹麦有,我们有,什么意思呢,就是刚才说,有一个被动的,它作用很简单,没有反射计,很简单,但是这个分辨率比较差,我们发展这个技术,它的分辨率能够提高,在地面做之前,这个也是成功的,下面我们就是频率爬高的(问题),刚才说了,我们这个是山后面飞的,也在(陕西)阎良飞,这个(是)我们得到的,黄河和渭河(的遥感图),在(陕西)阎良飞的,叫做“飞黄”,这个图相当漂亮,下边叫空间虚拟,这个是我们第一个提出来的,新的技术,但这个,要发展成真正能应用的,我估计有十年,什么意思,现在我们很多仪器刚才说的做得很大,越来越大,为了提高它的精度,提高它的分辨率,做得很大很大,上卫星有点困难了,怎么办呢,我现在把它分化,放在不同的卫星上面,然后到上边以后,它就虚拟成像,大家知道,我们虚拟用在电影里边很多,本来后边没有沙滩,两个人在那儿打排球,就在这个屋里边,这个后边凭空搞了一个沙滩,好象挺热闹,在沙滩里边打排球一样,一样 这个虚拟技术用在空间里边,那么美国也在研究,我们也在研究,我们希望在这个问题上,跟美国同步,但他有钱,他肯定比我们快一点,但至少我们不会比别人落后十几年,所以如果只要这个成功的话,不但在空间这里边,将来要看非常远的星球,大家知道哈勃望远镜看到150光年以外的一个东西,如果是虚拟成像上去的话,我这个机械拉得非常非常长,几百公里,几千公里,再看星球,那就分辨率很高了,看得很远,所以这个技术很有前途,我们目前现在是大力发展这个问题。

微波大气遥感 - 仪器

进行微波遥感的基本仪器装置是微波辐射仪它是一种方向性好、灵敏度高的微波噪声接收机。主要由天线、接收机、数据记录或储存单元三部分组成。天线一般采用抛物面及其变型,要求有好的角分辨率、尽可能低的旁瓣。接收机一般采用迪克调制式的超外差接收机。它首先将天线收集的微波辐射的直流信号变成交流,然后用超外差线路进行检测。为了提高信噪比,降低输出的脉动,还要将一定时间间隔内的信号进行积累和平均。在迪克调制式接收机的基础上还发展了其他几种改进型,例如零平衡式、双参考源调制式以及脉冲噪声注入式等。

微波大气遥感 - 参考资料

中国百科网http://www.chinabaike.com/article/316/327/2007/2007022258627.html

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