微波遙感器

微波遙感器，是檢測地物和環境的微波輻射或反射的遙感器。

正文

　帶有微波發射源，能產生微波並把它發射出去探測遠處的景物，再接收從景物反射或散射回來的微波的遙感器，稱為有源微波遙感器，如側視雷達、微波散射計、微波高度計等。不帶有微波發射源，不能產生和發射微波，只接收景物自身輻射出來的微波的遙感器，稱為無源微波遙感器，如各種類型的微波輻射計。
特點　波長較長 （3厘米以上）的微波在傳播過程中大氣吸收甚小，能穿透雲霧，因此微波遙感器，特別是側視雷達一類有源微波遙感器能測得厚雲層覆蓋下的地面景象。它不僅能晝夜工作，而且能在各種氣候條件下（特殊惡劣的天氣除外）使用。
微波入射土地表面時，它的一部分能量被地表面散射到大氣中，其餘部分則穿過表面進入土地內部。表面散射的現象稱為面散射。進入由不均勻媒質組成的土地的微波還會發生散射現象，稱為體散射。體散射的結果又使一部分能量穿過地表界面回到大氣中。體散射發生深度通常稱為穿透深度，用δp表示。影響穿透深度的兩個主要因素是波長和媒質的含水量。含水量影響土壤對波的吸收程度。一般乾燥物體的穿透深度近似地可表示為

式中λ0為自由空間的波長;ε′和ε″分別為復介電常數的實部和虛部,ε′為介電常數,通常為1.2～6,ε″為損耗因子,一般小於0.1。對於乾燥物質,ε″/ε′<<1,穿透深度至少可以達到幾個波長。L波段的微波(如λ0＝23.5厘米)在乾旱沙漠地區的穿透深度很大。水分含量對穿透深度有很大影響。由於水的ε′和ε″一般比干燥物質大一個數量級以上,穿透深度將按指數律下降（圖1和圖2）。波長越長或水分越少，穿透深度就越大。對於多層媒介物質，例如雪或植被覆蓋下的土地，要獲取上層地物（雪、植被）的數據或圖像，必須使用較短的波長；要檢測被雪或植被掩蓋下的地貌特徵，則應採用較長的波長。使用較長波長的成像雷達所獲得的圖像不僅能顯示出被植被掩蓋著的某些地表特徵，還能顯示出乾燥土層下面的地質構造特徵。成像雷達的這些特點對於乾旱地區和森林茂密地區的勘察和開發極為有益。

微波遙感器

微波遙感器

根據經典衍射限解析度的概念，光學和微波成像系統的空間分辨力直接與波長有關，波長越長，分辨能力越差，可近似地表示為

式中ρ為線性分辨力；λ為波長；D為天線的孔徑尺寸(在光學成像系統中D為光學成像透鏡的孔徑);R為天線或透鏡與景物的距離。微波的波長比可見光和紅外線的波長大得多，因此一般微波遙感器（合成孔徑雷達除外）的空間分辨力比可見光系統或紅外系統的低得多。這雖是一個缺點，但在某些套用場合反而有益。例如，對於森林植被茂密地區，由於植被（樹幹樹葉等）的線性度小，在分辨力為幾十米甚至更低的微波雷達成像系統中這些小尺寸物體往往被平滑掉而得不到顯示。相反，對於被這些小物體掩蓋下的大尺寸物體，如岩石斷層和其他地質上的線性構造、環形構造等，由於線性長度往往是幾十米、幾百米甚至幾千米的量級，在分辨力較低的成像系統中它們卻能以突出的形象明顯地被記錄在雷達圖像上。因此，顯示大面積地質構造和地貌特徵是雷達遙感的一個重要優點。飛行器上合成孔徑雷達的方位分辨力的理論值為

ρ＝D/2

在此式中方位分辨力ρ與波長和距離均無關，它與孔徑尺寸D的關係恰與前式相反。這就是說,採用合成孔徑技術，一個尺寸較小的天線也可得到很高的方位分辨力。
側視雷達　分為真實孔徑雷達和合成孔徑雷達兩類。兩者在成像原理和技術上有根本區別。合成孔徑雷達又分為聚焦型和非聚焦型兩種。
①　真實孔徑側視雷達。空間分辨力低，而且隨飛行高度的增加而下降，所以一般只適用於低空飛機上。發射和接收系統裝在機艙內。裝在機艙下的天線把發射機產生的微波能量形成一扇形波束向著航線的正側下方發射到地面。波束與地面接觸的區域形成一條橫向寬度為W、縱向長度為L的輻照區（測繪帶）。由於採取側視工作方式,電磁波到達輻照區各部分的時間有先有後,地物的散射波回到天線的時刻也就有早有遲，從而實現對輻照區的橫向掃描。與此同時，波束隨著飛機前進做航線方向的掃描。這就形成兩個方向的掃描（圖3）。二維掃描的脈衝回波序列在雷達接收系統中經過混頻、中放和幅度檢波以後，在顯示器的螢光屏上按到達先後順序以不同的亮度等級顯示出來。在螢光屏前,記錄照相機的膠片以一定的速度(與飛機航速成比例)同步移動,於是在膠片上記錄下二維景物的圖像。這類側視雷達的空間分辨力在航線方向決定於天線航向孔徑尺寸，在斜距方向決定於發射脈衝寬度。這與一般常規雷達的方位分辨力概念是一致的。當波長與斜距決定後，航向分辨力的高低完全取定於雷達天線方位孔徑的真實尺寸，真實孔徑側視雷達的名稱即來源於此。

微波遙感器

②　合成孔徑側視雷達。合成孔徑雷達是一種相干成像雷達，利用飛行器與景物的相對運動產生都卜勒頻移，經過二維相關處理或匹配濾波處理獲得高解析度圖像。成像過程是：帶有都卜勒信息的回波經過接收機混頻、中放和相位檢波並加上偏置頻率後成為視頻都卜勒信號，再在顯示器的螢光屏上掃描，並由同步移動的照相膠片連續地記錄下來成為數據膠片；用相干單色雷射照射數據膠片，產生衍射光波，然後由幾個光學透鏡組成的一套光學處理器把衍射光波處理成像並記錄在圖像膠片上。
微波散射計　它是一種只記錄物體散射數據而不要求成像的雷達，用以測量各種物體對入射微波的散射特性。物體的散射特性通常用散射係數σ0（見地物波譜）表示, σ0也稱歸一化雷達散射橫截面。根據一般脈衝雷達方程，可以進一步推導出σ0的表達式為

σ0＝Pr(4π)3L2R4/(PtG2λ2A)

式中Pt為發射功率；G為收發共用天線的增益；λ為波長；A為垂直於天線波束的物體被照射有效截面積；R為物體與天線間的斜距；L為單程大氣功率損失因子（L≥1,波長在3厘米以上時，可以假定L=1）；Pr為回波功率。系統參數（Pt、G、λ、A）選定以後，在同一斜距處的物體的σ0直接與回波功率Pr成比例。因此,精確測定出Pr或Pr與Pt之比，就可以得到σ0。
微波高度計　用於遙感的微波測高雷達。它通過精確測量回波脈衝的時延及其前沿寬度來測量高度。影響機載和衛星載高度計性能的主要因素有發射脈衝寬度、天線波束寬度和天線指向精確度。這些因素都影響回波脈衝的形狀和持續時間。一般需要用納秒量級的窄脈衝和精確指向天底的天線波束，才能獲得精確的測量結果。
微波輻射計　用來檢測地物和環境的微波熱輻射的高靈敏度接收機。根據輻射定律，輻射計接收到一般物體的微波熱輻射功率為

P＝kεTB

式中 k為玻耳茲曼常數；ε為物體表面發射率(0＜ε＜1)，它與物體的表面性質、復介電常數和實際溫度有關，也與頻率、極化和測量時的入射角有關;T為物體的絕對溫度；B為輻射計的射頻頻寬。通常把乘積εT 稱為物體的亮度溫度（簡稱亮溫）Tb，或稱視在溫度。於是上式可寫成

P＝kTbB

這表明,輻射計接收到的輻射功率P直接與物體的亮溫成比例，而亮溫則隱含有物體的某些特徵信息。
機載和衛星載輻射計的性能指標主要是溫度分辨力和空間分辨力。溫度分辨力也稱熱分辨力或靈敏度，是對兩個不同輻射源的最小可分辨的亮溫差。它一般可用下式表示：

式中 Tr為接收機噪聲溫度；Ta為天線噪聲溫度；Tsn為Ta和Tr之和,指系統的噪聲溫度;B為輻射計的射頻頻寬；τ為積累時間；α為一常數,其值為1～3。此式表明:系統噪聲越大，溫度分辨力就越低；頻寬越寬，積累時間越長，溫度分辨力就越高。空間分辨力由波長、天線孔徑尺寸和測量距離決定。對於波長為3毫米的輻射計,天線孔徑為1米時,在1000公里高的航天軌道上測量地面或海面，空間分辨力約為4000米。微波輻射計的缺點是空間分辨力較低。
熱成像微波輻射計一般為掃描型，通常由一開關式接收機、一個可掃描的天線和一套數據處理設備組成。天線對地表掃描，地面目標的熱輻射通過接收設備形成目標的亮度溫度分布，再通過數據處理設備轉換成正比於亮溫的灰度分布，從而得到以灰度等級顯示的圖像。
參考書目
　F.T.Vlaby,R.K.Moore,A.K.Fung, Microwave Remote Sensing,Active and Passive, Addison Wesley Pub. Co.,Reading,Massachusetts,1981～1982.

配圖

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