微波器件现状及前景

微波器件现状及前景摘要分析比较了微波技术中使用的可见光、红外和微波器件的特点,介绍了微波器件理论研究内容和我国的研究现状,叙述了我国机载合成孔径侧视雷达、机载微波辐射计、机载微波散射计、机载海洋雷达高度计的研制和应用状况,指出目前我国机载微波器件已基本达到实用水平,并且在生产建设、科学研究和防灾减灾中发挥出作用。列出了国际主要对地观测卫星装载遥感器的情况,从中看出微波遥感器件在对地观测中日益增强的作用,建议国家对微波遥感器件的研究和应用加强统一领导,加强机载实用运行、陆基实验、微波遥感理论研究,以确保早日实现我国自己的星载微波遥感。关键词合成孔径侧视雷达微波辐射计微波散射计海洋雷达高度计1引言利用人造地球卫星和宇宙飞船进行对地球观测和星际探测已有38年历程。在对太阳系行星和宇宙深空及恒星研究中有许多新发现,对人类赖以生存的陆地、海洋、大气有了宏观、真实、快速、动态的认识。这是人类科技发展史上的一个巨大成就。在星际探测和对地观测中,都是用电磁波作为媒质,遥感获得目标信息。采用可见光波段(0.45～0.80Lm),取得目标的可见光图像;红外波段(0.8～12.5Lm),取得目标的红外图像;微波波段(30cm～3mm),取得目标的微波数据和图像。可见光和红外光波段的遥感器一直是遥感技术中的主要遥感器,这是因为它们具有高空间分辨率,能获得与人目视一致性的图像。必须有日照条件(热红外除外)和没有云雾遮挡,是其弱点,致使图像获取率低,使遥感的实时动态监测等优点不能充分发挥。可见光和近红外遥感器用于检测物体对太阳光的散射量,只反映物体的表层状况,故所获得的被观测物体的特征信息不够丰富。微波遥感器不受或很少受云、雨、雾的影响,不需要光照条件,可全天候、全天时地取得图像和数据。它所取得的信息与被观测物体的结构、电学特性以及表面状态有关。又因为微波有一定的穿透能力,故能获得较深层的信息。在毫米波亚毫米波波段有些气体有谐振谱线,利于检测。也就是说,微波遥感能得到更丰富的被测对象的特征信息,能实现定量遥感。2微波遥感器件理论的研究现状微波与所遥感的目标和背景相互作用,产生散射、辐射、吸收、谐振等现象,是利用微波遥感器获得目标和背景的信息,实现遥感或探测的机理。当前对陆地、海洋、大气遥感的目的是实现资源调查、土地利用、环境监测、灾害预报、气象观测。涉及到大气、海洋、陆地中的处于各种形式、状态下的所有物体作为目标和背景。从理论上讲它们属于不同的介质。这些介质可分为均匀介质、电解质溶液介质、非均匀性混合介质。在具体研究处理电磁波与介质的相互作用时,按其具体情况又把介质划分为连续介质、离散介质、无耗介质、有耗介质、各向异性介质、分层介质、随机介质、分形介质、旋波介质等。麦克斯韦方程是描述介质与波相互作用产生辐射、散射、衰减等现象的数学公式。因为微波遥感对象是极其复杂的,所以所建立的麦克斯韦方程更难得到严格解,只能用近似解析法和数值法求解。在近似解法中已有微扰法、变分法、迭代法、光学法、物理光学法、几何射线法、物理射线法、算子法、有限元法、场路结合法等。有时还要处理非线性微分方程的解的问题。介质的作用在麦克斯韦方程和辐射传输方程中反映在各项的系数中。建立起符合实际的物理模型,对介质的电参数掌握准确数值,是取得数学模型的关键。微波遥感理论研究是从理论上说明某种特性的观测目标能产生多大强度的,与哪些观测参数有关的辐射、散射、吸收量。反之,从微波遥感器获得的数据或图像中建立起目标的性质和状态。前者为电磁场中的解析问题,或正问题,利用解析微分方程的方法。后者属于积分方程反演,或逆问题,属于物性或图像的恢复与重建问题。为了建立起目标或背景的物理模型,提供较准确的参量,不仅要从体积大小、几何形状、状态、物理化学性质研究目标和背景,而且还要从产生电磁波与物质相互作用的原子、分子结构的微观世界中研究目标和背景的行为。由于微波遥感对象的复杂性和不确定性,所以只能建立起基本与实际一致的物理模型和数学模型。用实地试验法检验理论模型的正确性是至关重要的。可以说微波遥感研究是电磁场理论研究和实际测量相结合的理论密切联系实验的研究课题。微波遥感理论研究势必促进电磁场理论向纵深发展。我国的微波遥感理论研究近年来受到国家重视,国家自然科学基金委的重大课题、重点课题和面上课题都支持了有关微波成像理论研究、目标和背景的散射和辐射研究。通过国家“六五”、“七五”、“八五”重点攻关项目取得了一批合成孔径侧视雷达、微波辐射计和散射计的实际飞行图像和数据,进行了相应的理论研究。中科院电子所,电子科技大学、复旦大学、西安电子科技大学、中科院遥感所等单位作了许多有成效的工作,取得了一批成果。3我国的微波器件我国微波遥感器研制和应用是在国家统一规划下发展起来的。1972年美国发射成功第一颗地球资源卫星,揭开了卫星对地观测应用的一页。中国科学院不失时机地于1973年组织了地球资源卫星调研工作,出版了“地球资源技术卫星”、“地球资源卫星及其应用”。随之制定了遥感器研制计划,于1974年启动了几种主要遥感器的研制:上海技术物理所研制机载红外扫描仪,长春光机所研制机载多光谱相机,电子所研制机载合成孔径侧视雷达,长春物理所研制机载微波辐射计。到1977年研制成功了机载多光谱相机、机载红外扫描仪,机载微波辐射计。1977年9月至11月,中科院与国家计委地质总局联合在新疆哈密帕尔岗地区进行了我国第一次航空遥感飞行试验,检验中科院有关各所研制的多光谱相机、红外扫描仪和微波辐射计等航空遥感仪器的性能,探索利用遥感技术进行地质调查和寻找富铁矿方面的应用效果。1978～1979年在云南腾冲地区和长春净月潭地区进行了两次多学科多部门数百人参加的综合性的航空遥感试验。试验取得了一批重要成果,促进了我国遥感技术的发展和普及,继而遥感技术在我国许多领域得到广泛的应用和发展。这里只对微波遥感的发展略加评述。3.1合成孔径侧视雷达地区飞行试验,取得了清晰的山地、平原、河流以及桥梁的图像。之后又进行了多次改进,在铁路选线、地质判读等方面取得了一定应用效果。1988年4月,中科院电子所研制成功机载多极化合成孔径侧视雷达系统。该系统包括机载合成孔径侧视雷达,空—地实时传输设备和地面成像处理设备,具有多极化成像、通道带宽、作用距离大、俯仰角可变等优点。该系统进行了多次应用飞行试验,在洪水险情监测、地形地貌测绘、地质构造研究、矿产资源探查、工程地质、土壤含水分析、军事侦察与反侦察等方面,取得了初步应用效果,引起了国内外的关注。当前我国机载合成孔径侧视雷达的研制工作正向实用化、产业化、标准化方向发展,同时已开始研制星载合成孔径侧视雷达。另外,航天部25所研制出机载合成孔径侧视雷达,上海交通大学研制出机载真实孔径侧视雷达,取得了清晰的淮河流域图像。3.2微波辐射计1977年研制成机载3cm微波辐射计,于同年10月参加新疆哈密航空遥感飞行试验,经五架次飞行,仪器工作稳定。在帕尔岗试验区成功地获取了地面微波辐射等亮度温度图,铁矿露头、断裂带、干枯河沟的明显反应表明微波辐射计能够找矿找水〔2〕。1979年研制成机载3cm扫描微波辐射计,同年8月参加由中科院组织的长春净月潭地区综合性航空遥感试验。获得新立城水库的微波辐射图像;透过约800m厚的层积云获得了长春大房身机场附近“绿园泡”的微波辐射图像;得到了水体、含水量的土壤、植被等对应的定量微波辐射亮度温度数值;获得了长春遥感试验区典型地物的平均亮度温度值〔。同年9月应用该辐射计在青岛胶州湾进行了由国家海洋局一所、山东海洋学院组织的两次目的为胶州湾石油污染监测、海岸带和海洋地质调查的航空遥感试验。获得了海上油膜微波辐射图像,竹岔岛、灵山湾海岸带、青岛五码头区的微波辐射图像。获得了不同油种、油膜厚度,不同岩性、砂质、植被等的亮度温度〔4〕。1980年研制成机载10cm微波辐射计,同年6月参加京津唐地区环境遥感调查飞行试验。获得了沿航线目标的微波辐射强度曲线,给出了典型地物(海水、河水、盐田、沼泽、不同农田、建筑物、桥梁、船只等)对应的亮度温度。1983年研制成机载8mm成像微波辐射计,经过几次对海冰、海上油污染和黄河流域航空遥感飞行试验,获得海冰、海上油膜及黄河的微波辐射图像〔6〕。1985年研制成机载1.35cm微波辐射计,1988年研制成机载21cm微波辐射计,分别在河南封丘、广州南海、胶州湾、宁波东海、渤海湾、辽东湾等地进行过多次航空遥感飞行试验,都取得了有科学意义和应用价值的图像和数据。北京大学、中国科学院大气物理所、华中理工大学、山东大学、华东师范大学等单位相继研制成陆基微波辐射计,进行了大气探测和地基遥感基础理论研究。航天部504所研制成10cm、8mm微波辐射计,并利用10cm微波辐射计进行了乳线癌探测研究。目前正在研制气象卫星搭载的5mm微波辐射计。微波辐射计已进入星载多频段微波辐射计和微波成像仪的工程和预研阶段。3.3微波散射计中国科学院空间科学与应用研究中心1986年研制成陆基X波段微波散射计,在湖南大托铺与湖南遥感研究所测量了水稻各个生长期的散射系数,在东海测量了海面散射系数。1990年研制成机载X波段微波散射计。上海科技大学1983年研制成车载X波段微波散射计,售给新乡的电子部22所和中科院北京遥感所各一台,作地基测量研究用。微波散射计现已进入星载工程项目阶段。3.4海洋雷达高度计中国科学院长春物理所自1983年开始研制海洋雷达高度计,成功地完成了海洋雷达高度计新型工作模式的“全去斜坡”原理试验,在此基础上“八五”期间与中国科学院空间中心合作研制成了机载海洋雷达高度计。1995年4月青岛飞行试验成功,获得海面高度和浪高数据。海洋雷达高度计已进入星载工程项目阶段。4微波遥感器件的发展趋势目前人类从“地球村”观点出发,对地球进行研究、保护和开发。已发射运行的60多颗对地观测卫星,向人们提供了大量完整、实时、动态的陆地、海洋、大气的图像和数据,为人类带来巨大的经济和社会效益,使人们清楚地认识到遥感技术是地球保护、开发和利用的必不可少的技术。而微波遥感器以其全天时、全天候的探测能力更成为其中的佼佼者。美、日两国联合进行的EOS计划,从1991年到2010年共计划发射15颗对地观测卫星,执行“全球变化研究计划”(GCRP)。微波、毫米波及亚毫米波遥感器主要用于监测大气成分、海洋动力状态。大气海洋参数是地球环境变化的重要指标。遥感技术是伴随航天技术发展起来的具有宏观、快速、准确、动态获取信息的高新技术,已成为我国国民经济发展不可缺少的支撑力量。解决世界上人口膨胀、资源匮乏、环境破坏三大问题,使之向良性循环发展,遥感技术会起到重要作用。而微波遥感技术由于它具有优于可见光、红外遥感技术的特点,成为当前对地观测研究、开发、使用的重点。我国在国家科委的统一规划下,研制成了机载合成孔径侧视雷达,作了多次飞行试验,在防洪、铁路选线、地质、探矿等方面进行了应用研究。研制成多个频段的机载(成像)微波辐射计,进行了多次对陆地、海洋的飞行试验和应用,取得了典型地物、海面油膜、海冰、海岸带等的微波辐射图像和数据。研制成了机载雷达散射计和机载海洋雷达高度计,成功地完成了飞行试验。几个高等院校和研究所开展了微波遥感理论研究,获得初步成果。合成孔径侧视雷达、微波辐射计、微波成像仪、海洋雷达高度计、微波散射计已进入星载工程或预研阶段。微波遥感是难度大、理论水平高、应用前景广阔的科学技术,应进一步加强统一领导,重点支持。对目前有限的几家从事微波遥感器研制的人员、关键仪器实行统一调配,集中力量进行星载微波遥感器攻关。对于机载微波遥感器则应多作应用飞行,解决生产实际、科学研究、防灾减灾方面的具体问题,积累理论和应用中的经验。同时还应加强微波遥感理论研究工作,开展陆基微波遥感的实验研究工作,为星载运行的资料反演、解译做好前期工作。参考文献1白有天多测绘通道多极化合成孔径雷达系统.见:荀毓龙主编.航空遥感实用系统与应用.北京能源出版社,19892滕叙兖.PassiveMicrowaveRadiometryinCOBI-Dese