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微波遥感信息科技发展若干问题的讨论

2015-04-18   来源:互联网   点击:
1、前言微波遥感是电磁波遥感的重要组成部分。由于其独特的性能在遥感应用中发挥着越来越重要的作用,与可见光、红外遥感技术共同成为社会、经济、军事及科学发展中不可或缺的航天科技领域。从信息获取方式及机

1、前言

微波遥感是电磁波遥感的重要组成部分。由于其独特的性能在遥感应用中发挥着越来越重要的作用,与可见光、红外遥感技术共同成为社会、经济、军事及科学发展中不可或缺的航天科技领域。从信息获取方式及机理分析,微波遥感主要包括4种基本型仪器:微波辐射计、微波散射计、微波高度计、合成孔径雷达,其信息形式是成像和非成像,这是就其发展初期而言。经过40余年的发展和应用,根据不同的应用及载体形式,已派生出数十种不同功能的遥感器。而且,其信息载体已远非原来的以幅度信息为主的数据,已发展出全电磁波参量作为信息载体的丰富的形式,因而大大扩大了其应用领域和功能。从信息提取、识别、解译角度看,由于研究出了不同方式、不同层次的信息处理方式及理论建模,对信息的认知已不是直观的。看图识字。形式,而是能够发掘出更深层的信息含量,并对原始信息进行本质性的改善。由于受到技术水平的时代限制,在很长时间内不能因应用及理论根据选择最佳遥感频率,多数在较长厘米波段上工作。随着技术的发展,频率的选择已有了很大的自由度,微波遥感整体水平有了根本性的提高。

地球轨道微波遥感中,1978年美国的Seasat-A应是具有里程碑性质的。尽管在这之前已有上天的微波遥感器,但Seasat-A是一个综合性的系统,其数据为以后的空间微波遥感发展提供了十分有用的技术与应用研究基础。在20世纪80~90年代,国际上微波遥感取得了长足的发展,出现了很多花样翻新的微波遥感卫星,主要是为全球气候研究、海洋研究和一些陆地应用研究服务。如美国的NOAA卫星系列中的若干卫星,欧空局的ERS卫星系列,加拿大的RADARSAT系列,美日合作的TRMM卫星,欧空局ENNSAT,法美合作的TOPEX/POSEIDON卫星,日美合作的ADIOS卫星等,国际上推动了多个国际性合作计划,都是以微波遥感为主要载荷的。我国微波遥感起步于上世纪70年代初,经过几个五年计划,有了很大的发展。具有里程碑意义的是2000年12月30日,我国在酒泉卫星发射场成功发射了神舟4号飞船,多模态微波遥感系统是该次任务的主载荷。该仪器在轨运行正常,在轨期间取得大量的数据供有关单位研究。多模态微波遥感系统的成功发射,结束了我国没有航天微波遥感系统的历史。特别值得提出的是,这次任务中,在多模态体制、笔形波束扫描风场测量等方面进行了创新性的试验并获成功。多模态微波遥感的成功,带动了我国航天微波遥感的发展。风云三号卫星、月球探测卫星、海洋卫星等都载有微波遥感器。它的成功也带动了我国遥感应用技术的发展,证明我国已具备了发展航天及深空微波遥感的技术条件。

进入21世纪,微波遥感发展也跨入了新的发展阶段。在整个遥感技术的发展中,微波遥感占有越来越多的份额。其发展倾向主要可归纳为五个方面:一是不断发展新的遥感机理、发展新的更强功能的遥感器;二是全电磁波参量信息提取;三是发展更先进的信息处理方法;四是目标特性及电磁波与介质相互作用研究;五是开辟更高频技术。

微波遥感是一门技术科学,有其理论体系和技术体系,具有广泛的内涵及应用前景。从信息获取方式看有辐射计、散射计、高度计、合成孔径雷达等主要技术,并有各自的理论、技术、应用领域及适用能力。我国目前由于对微波遥感的认识局限,加上用户的不同需求和受可能得到资助的影响,对微波遥感的理解有一定偏差。这既不利于这门技术的发展,也不利于满足广泛的应用需求。这种偏差主要表现在把微波遥感与合成孔径雷达等同起来,以点盖面,过分强调高分辨率,不能正确使用非成像信息,应用领域过分局限等。这些问题如果不能及时得到解决,我国微波遥感发展与国际上的差距将会越来越大,也不能满足我国广大用户的需求。改变这种状况是一项艰难的任务,需要广大业内人士与各层次的专家和决策领导的共同努力。

2、微波遥感发展的简单回顾

2.1、国际发展小结

国际上微波遥感的发展已经历了40余年,发展迅速,理论与技术上都有了创新,并已成为一个技术科学体系。在气象研究、海洋研究及一些陆地及国家安全应用中成为主导的遥感手段。在已发射的各种地球轨道卫星和深空探测器中:近一半的平台上载有微波遥感探测设备。在这些活动中,几个具有代表性的事件值得一提:①发展了针对遥感技术的电磁波传播与辐射、散射理论,形成了散射系数的概念并用于遥感中;②提出了孔径合成技术并在雷达技术上实现,发展出合成孔径雷达技术;③发展了在轨高精度测高技术,以脉冲有限、波束有限及时域,频域转换等技术,研制了卫星高度计;④发展了提高空间分辨率的新的辐射计工作机理,研发了全极化辐射计,并应用于以被动方式探测海面风场;⑤发展了全电磁波参量遥感的机理与理论,开展了针对遥感应用的电磁波与介质相互作用及波在非均匀介质中的传播等理论研究,提出了一系列反演理论模型,取得了一批全方位的应用成果;微波遥感已成为涵盖毫米波、亚毫米波的遥感技术科学。

目前国际上发展的微波遥感前沿技术包括:合成孔径技术(包括条带式、聚束式、干涉式、逆合成式及圆迹式等);散射测量(包括扇型波束、笔形波束、全极化散射计及可视化)技术;高度测量(包括超高精度、三维成像、动目标探测及可视化)技术;辐射计技术(包括全极化辐射计、合成孔径应用及亚毫米技术等)。这些前沿技术都可以编队飞行,形成分布式平台,形成新的强功能的虚拟传感器网。微波遥感将以空基分布式多体微系统为平台,其功能更为强大,将成为全新的空基观测体系。

2.2、中国微波遥感发展简单回顾

中国微波遥感的发展自20世纪70年代初至今已30余年。具有里程碑性质的事件是1975年由原国防科工委副主任钱学森院士召开的全国遥感规划通县会议。此次会议以王大珩院士为顾问,相关单位专家参加,拟定了我国遥感发展规划,其中微波遥感发展规划成了以后发展我国微波遥感的指导性文件。从那以后经历了4个发展阶段:第一阶段是概念研究阶段;第二阶段,微波遥感正式成为国家科技攻关重要项目,进行了基础研究及基本型遥感器研制并开始了若干应用研究;第三阶段,进入了航天遥感阶段,在这一时期研制了星载遥感设备,发展新的遥感器,继续进行基础研究和信息处理方法研究,同时利用国外数据进行应用处理,为以后国产数据处理做准备。这一阶段具有划时代意义的事件是在神舟4号飞船上,首次飞行了我国的多模态微波遥感器,成功实现了我国航天微波遥感零的突破。在应用方面,我国利用微波遥感技术成功进行了自然灾害监测,为防灾、减灾做出了贡献;第四阶段,我国微波遥感已成为多个型号卫星的主要载荷,风云三号(FY-3),嫦娥工程,海洋二号(HY-2)及其他卫星上都将装载微波遥感器。

定标与校准工作是微波遥感的关键技术之一,我国已逐步建立相应的定标校准方法及真实性检验方法,研发了所需的设备,建立了专门的实验室,开始建立野外定标场。未来我们将更加重视这些基础设施的建设和应用。

表1中列出了自20世纪70年代起,我国自行研发的微波遥感系统。

表1、中国微波遥感系统

注:表中完成单位空间中心即中国科学院空间科学与应用研究中心,电子所指中国科学院电子学研究所,航天504所和813所指航天科技集团五院504所和八院813所。

3、中国微波遥感现状

我国微波遥感研究与应用大致可分为主要为各种卫星型号任务及为预研服务的航天微波遥感技术及应用研究;为不同应用需求服务的航空系统;为不同应用和基础研究服务的陆基研究;相关基础理论、定标及真实性检验,新的机理研究;各种应用技术研究,包括信息处理、各种应用软件的开发及其他应用基础研究。这些研究现状在本专辑中已有不少的文章加以论述,本文主要介绍航天微波遥感的现状及相关问题。

3.1、模态微波遥感系统及应用

2002年12月30日发射成功的多模态微波遥感器是我国第一个星载微波遥感器,在轨工作正常,获取了大量的数据。至今我国很多专家和单位已经对数据进行了处理,取得了很好的结果。在"神4"成功的基础上,未来载人航天任务中将继续搭载新型微波遥感器,目前有关单位都在进行相应的研究工作。

3.2、月球微波探测系统

我国探月工程第一期研制工作已进入关键阶段。第一期科学目标包括用微波遥感器对月面进行探测,试图取得月壤厚度信息并获取全月表亮温分布及月球两极的相关信息,这将是国际上首次由绕月轨道上进行月表的微波探测,受到国内外的关注。

3.3、风云三号系列卫星微波遥感探测

风云三号(FY-3)气象卫星是一个业务运行系列卫星。我国已发射FY-1和FY-2系列气象卫星,但至今在我国气象卫星上尚未搭载过微波遥感仪器。在FY-3卫星上将装有3种微波遥感仪器:微波成像仪、微波温度计、微波湿度计。在这些仪器中我国首次采用短毫米波段,频率将达到183GHz。该卫星已进入初样阶段,计划近几年发射。

3.2、海洋二号卫星

我国海洋卫星一号(HY-1)发射以来取得了大量的海洋水色数据,为我国海洋研究提供了重要的空间信息,HY-1卫星将成为一个系列化的业务卫星。根据我国海洋卫星计划,已启动了海洋二号(HY-2)卫星预研工作并将要在已取得的预研成果的基础上正式立项进行型号研制任务。HY-2卫星的有效载荷是以微波遥感器系统为主,包括微波高度计、微波散射计T多波段微波辐射计,主要获取海洋风场、浪场、海面高度、海面温度等信息。目前,有效载荷的预研工作进展顺利,为近期型号立项打下了很好的基础。

3.5、合成孔径雷达卫星

合成孔径雷达是一种具有很强功能的、全天候工作的高分辨率遥感仪器,在国民经济建设和国家安全等方面有广泛的应用。我国十分重视合成孔径雷达的研发,多年来已研制出了多种类型的机载雷达,并已在灾害监测、资源勘探、城市规划等方面发挥了重要作用。自20世纪90年代以来,已立项研制星载雷达,用于环境监测及地面应用等。

4、若干重要研制项目及前沿技术

4.1、在研、预研项目

几年来,在"863"计划、"973"计划及其他预研计划的支持下,开展了以下几个方面的技术预研工作,并取得了很好的效果,有些方面已有一些突破。

4.1.1、 三维成像高度计

是在微波高度计的基础上发展起来的一种新的遥感器系统。迄今为止星载微波高度计都是脉冲有限工作模式,通过天底角观测来获取卫星平台到平均海平面的高度、海面有效波高和海面风速,其足迹窄,不能成像。而很多应用中希望提供三维成像信息,为此,我国科学家研发了一种以新的观测机理工作的成像高度计,并已进行技术和相应的处理方法研究,获取了机载试验数据并取得了观测地带的立体图像。研究表明,这种仪器能够进行移动目标的探测。由于这一设备体积小、功耗少,因此受到用户的关注。

4.1.2、综合孔径辐射计

微波辐射计是一种被动遥感器,其优点是由于没有发射件,系统相对简单,功耗小,而且从机理来看,很多应用中成为重要探测手段。但通常的辐射计空间分辨率受到天线尺寸和频率的限制,其分辨率比较低,在一些应用中受到限制。为适应用户的需求,科技人员研究出了不同的提高分辨率的方法,而孔径综合是十分有效的方法。目前,国际上已掌握此项技术的国家有美国、丹麦等国家,而我国在"863"计划的支持下,也已突破了这一技术,获得了很好的图像,其分辨率明显高于通常辐射计。

4.1.3、全极化信息获取技术

迄今为止的遥感主要指电磁谱段从可见、红外到射频谱段的技术而言。从目标信息载体考虑,主要是以谱段(频率)、幅度信息为主而进行的。自20世纪80年代以来,人们注意到相位和极化信息的提取,特别在微波遥感中逐步发展"全极化"信息的提取成为可能。我国也从十多年前开始,特别是在近五年加强了全极化信息提取的研究及技术实现工作,已在"863"计划及其他预研计划的支持下,取得良好的进展,在全极化辐射计、全极化散射计及全极化雷达方面有了明显的进展。

4.1.4、 亚毫米波段遥感技术研究

随着全电磁波理论及技术和相关器件的发展,利用亚毫米技术进行遥感成为可能,其工作频率已高于600GHz。我国计划将在风云四号卫星上搭载亚毫米辐射计,目前正在进行相关技术方案的预研工作。

4.1.5、分布式空间系统、编队飞行技术

分布式空间系统、编队飞行是随着微小卫星技术及相关航天微系统技术的发展而发展起来的前沿技术。20世纪90年代,美国在新盛事计划中明确提出要发展编队飞行技术,并作为未来中长期航天科技发展的重要领域。进入21世纪以来,该项技术已成为对地观测、深空探测、空间安全、通信、天基信息网等技术的基础性前沿技术,正在大力发展。我国也在上世纪90年代末开始研究这一技术。2003年8月以这一技术为主题召开了第206次香山学术研讨会议,交流成果,提出今后的研究方向及推进方法,促进了我国这一技术的研究。目前有一些研究院校正在立题研究,如中科院分布式空间系统、编队飞行技术研究组,国家"973"项目分布式合成孔径雷达研究组等进行了很有成效的工作。

4.2、若干前沿技术

在上述若干预研工作的同时,提出今后应重视的前沿技术:

(1)在技术层面上有如下几项:

①不断发展新的遥感机理和新的强功能遥感器研究,包括:编队飞行及组网等分布式空间系统;空间虚拟平台,虚拟天线,虚拟遥感器,短基线,超长基线干涉等空间虚拟探测技术;
②全电磁波信息提取技术研究,包括:全极化辐射测量,全极化散射测量,技术;全电磁波综合探测技术研究;提高空间分辨率及时间分辨率全极化雷达技术及全极化遥感器的定标和真实性检验;
③发展强功能、先进信号处理方法的研究,包括:星上自主处理,针对分布式系统的处理,地面和空间移动目标探测,在轨目标识别、捕获、跟踪技术,软件无线电技术及信息融合处理技术等。

(2)在基础研究层面上应重视以下问题,包括:加强目标特性及电磁波与介质相互作用研究;开展空间微波背景研究;开辟更高频率研究及星载系统微小型、低功耗化的研究。

5、当前我国微波遥感发展中若干问题探讨

我国微波遥感研究已有30多年的历史,经过这一时期的研究与发展,我国已基本掌握了信息获取的基本技术,航天微波遥感实现了零的突破,开展了一些前沿领域的预研,广泛进行了应用研究并在国民经济发展和国家安全等方面取得了大量应用成果,深入开展了相关基础研究,微波遥感整体水平有了明显的提高,这是主流。但是由于种种原因,我们现在仍需深入考虑一些问题,以使我国微波遥感得到全面发展。

5.1、全面认识和配套发展技术。应用及基础理论研究工作

微波遥感是一个包括信息获取、星上处理、传输、地面处理及应用处理的全过程。从学科层面,包括基础研究、应用研究、技术研究等方面。从基础技术体系上考虑,包括微波辐射计、微波散射计、微波高度计、微波雷达(含合成孔径雷达)。但由于它们各自已形成独立的遥感体系,应用机理及应用领域亦各不相同。我国遥感界不少人在有些问题上把合成孔径雷达视同微波遥感的全部,这种认识不利于微波遥感技术及应用的发展。

5.2、关于成像和非成像信息的应用问题

从遥感器的工作机理来说,可分为成像的和非成像的遥感器。当然,经可视化处理,所有的遥感器的信息都可以图像形式表现。就迄今已发射的星载遥感器而言,非成像型遥感器居多数,因此,要十分重视非成像模式的工作。从应用角度看,成像和非成像信息各有不同的应用范围。而微波遥感从某种意义来说,是统计性信息,主要靠深层次信息的分析来进行目标特性研究,因此不应只停留在"看图识字"水平上。

5.3、关于空间分辨率问题

在很多应用中获取高分辨率是十分重要的,因此,设法提高空间分辨率是微波遥感的重要研究课题。但众多应用中并非都需要高的分辨率,而有些应用中高分辨率反而是无益的。因此,应根据具体应用而科学地确定其分辨率。

5.4、关于更多地提取遥感数据中深层次的信息问题

由于遥感机理及数据的特殊,在直观的信息中,有时难以认识遥感对象的主要内容。目前在遥感应用中,信息浪费现象不少见,因此要十分重视数据处理方法及相关建模、仿真等研究工作。美国Seasat-A卫星发射至今已有26年,但很多研究中仍在处理其数据,并开发出了很多重要的处理方法和遥感机理研究。我国多模态微波遥感数据也是越处理越取得更好的结果,"向处理要更好更多的信息"已成为遥感中的重要课题。

5.5、关于增强微波遥感科学基础及技术基础设施问题

在微波遥感发展中,我们时常碰到一些科学基础问题,而在应用研究中又不断地提出科学问题,如此相互促进其共同发展,这已成为科技发展中的重要发展模式,应视为遥感科技哲学的一个内容。我国微波遥感乃至整个空间应用的科学基础仍很薄弱,技术基础设施及重要元器件大量依赖国外,这是一个危险的处境。因此,应十分重视这一问题。

5.6、重视海洋、陆地及空间定标及校准场建设,加强真实性检验工作

我国已有初具规模的光学校正场,正在建立SAR卫星地面定标场,但这远远不能满足需要,且布局也不够合理,特别是至今没有海上定标场。因此,建立集中的、为应用服务的定标场及辐射、散射测量实验室已是十分迫切的任务。

除上述几点之外,我们还应重视电磁波综合探测及信息融合问题的研究,建立实用的航天遥感系统。特别要重视加强国际合作,中国微波遥感要进入到国际大家庭中。

6、结束语

航天微波遥感技术已经取得了很大发展,成为一个具有理论基础、工程技术及广泛应用的完整的科学技术体系,为国民经济建设、国家安全、科学发展提供了先进的手段。微波遥感技术的发展带动了一系列科技领域的发展,其频率已拓展到亚毫米波段,其信息载体包括了整个电磁波的所有基本参量,其航天运行模式中分布式空间系统,特别是编队飞行技术将成为重要的体制。空间微波观测在未来的地球观测和深空探测中将不断发挥重要作用。

作者:姜景山

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