微波海洋遥感技术的发展与前景

微波遥感世界史

1958年合成的孔径雷达为微波遥感的发展提供了可靠基础。

70年代后海洋卫星均装有散射计和成像雷达，与此同时，科学家广泛收集了地物目标散射特性数据，为遥感实用化做了深入的基础研究工作。

1973年，美国宇航局利用土星5号火箭发射了Skylab天空实验室，携带了S-193型主动和被动测量系统，这个系统包含有国际上第一个星载雷达高度计。

1978年，美国发射了世界上第一颗真正意义上的海洋微波遥感卫星SEASAT-A，星上搭载有高度计、SAR、散射计和微波辐射计等传感器，它们的测高精度小于8 cm，风速测量精度不高于1.3 m/s。

1981年11月美国航天飞机第一次进入太空，在250km的高度上利用成像雷达SIR-A拍摄了地面的图像。这一划时代的科学事件标志着微波遥感技术开始进入实用阶段。

1984年，美国海军发射了高度计专用卫星Geosat以获得更高精度的数据。

1991年，欧空局发射了第一颗欧洲遥感卫星ERS-1，其上搭载有SAR、风散射计、雷达高度计以及辐射计等微波遥感器。

2016年1月17日，Jason-3卫星发射，它由NOAA(美国国家海洋和大气管理局)和EUMETSAT(欧洲气象卫星开发组织)等机构共同研发，有效载荷为 Poseidon-3B高度计和先进微波辐射计AMR-2(Advanced Microwave Radiometer-2)。任务目标是提供高精度的海洋地形学数据，在数据精度上超过TOPEX/Poseidon、Jason-1和Jason-2，并且每10天对全球海平面高度实现精度优于4 cm的测量，以便可以对海洋循环、气候变迁和海平面上升进行监测。

今天，人们可以在任何天气情况下用微波遥感获取雷达图像，这项技术已经广泛的应用于海洋，地质，农业，气象等领域。

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微波遥感中国史

中国的微波遥感发展起步于70年代，与其他波段相比，晚一段时间，但发展十分迅速，在国家的科技攻关计划中一直成为重点研究领域。

我国从国家需求出发，在国家“六五”、“七五”和“八五”、“九五”及“863”计划中都加强了它的研究，取得了较好的研究成果。经过几个国家攻关计划，已研制成功了合成孔径雷达(SAR)，真实孔径雷达(SLAR)、微波散射计(SCAT)、机载微波高度计(ALT)等主动式微波遥感器和多种频率的微波辐射计(RAD)等硬件设备。从1988年起进行了扫描型海陆兼容高度计(即合成孔径成像高度计)的研究工作。1987年提出多模态综合功能微波遥感器的物理思想，经多年的概念性研究形成完整的系统方案，并已于90年代初转入工程型号研制阶段，目前正在进行正样研制。

除此之外，正在抓紧进行星载合成孔径雷达研制工作和星载微波成像仪研制工作。从频段覆盖上看，在X波段上已形成了各种类型遥感器硬件组合，辐射计的频段已覆盖由L波段到2mm 的频率区间。

在硬件研制的同时开展了一系列基础研究，测量了大量的地物散射、辐射特性，并建立了一定规模的特征库，研究了地物微波特征、介电特性。在不同应用领域，建立了分析和理论模型，开展了不同领域的应用研究。

中国微波遥感的发展，目前仍处于研究和部分应用阶段，在有些应用中已初见成效。在仪器种类、性能指标方面还有待改进。而在地物微波谱特性研究、电磁波与地物相互作用及波在非均匀介质中传播、建立各种应用研究的理论模型、定标、校准及微波图像处理等方面，尚需进行大量的、深入的工作。

航天微波遥感在我国目前仍处在发展阶段。自90年代初，我国加强了星载微波遥感器的研制工作。

尽管我国空间微波遥感技术起步较晚，但我国采用“跳跃”式发展战略，在某些方面拉近了与国际水平的距离，在个别技术上处于领先地位。多模态微波遥感器将三种模态集成于一体，用统一的数据管理系统管理全系统，大大提高了功能密度，减少了质量，缩小了体积，降低了功耗。并在国际上首次采用笔型波束扫描型散射测量技术，跻身这一领域的领先行列。我国还发展了模块化系统，把三个模态子系统以模块方式可集成也可独立成单一模态设备，适合于小卫星的发展。在“863”航天领域支持下，正在研究三维成像高度计，提出了新的工作机理。

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微波遥感的特点

微波遥感除具有可见光和遥感所具有的可进行大范围动态、同步和快速观测的优点之外，还有其特殊的优点：

（1）不受或很少受云层、雨雾的影响，且不受太阳辐射的影响，具有全天时、全天候的工作能力；

（2）微波具有一定的穿透能力，能获得较深层的信息；

（3）有些气体在毫米和亚毫米波段有谐振谱线，利于检测，可以得到可见光和近红外遥感所不能获得的信息；

（4）几乎不受大气气溶胶影响；

（5）对某些地物有特殊识别能力，如水和冰（微波波段发射率的差异）；

（6）对海洋遥感具有特殊意义（雷达的后向散射强度和粗糙度关系很大，海洋中，海面受风浪影响起伏多变，粗糙随之变化，导致微波的后向散射系数也随之变化，微波遥感可以探测海面风浪以及海洋环流的情况）；

（7）分辨率较低，但特性明显。

微波遥感未来发展

随着技术的发展，海洋微波遥感卫星的发展已呈现出一些新的特点和趋势，主要包括以下几个方面：

① 海洋微波遥感器多模式化

海面风、浪是重要的海洋动力环境要素，也是与人类活动最直接相关的海洋现象。在复杂海面的风、浪环境中，利用单一微波遥感器对一种海面信息很难进行精确测量。并且，为了获得多要素的海洋信息，必须利用多种微波遥感器进行观测。我国的第一颗海洋动力环境卫星 HY-2 同时搭载了雷达高度计和微波散射计，它们都可以用来测量海面中等风速（2 m/s ~24 m/s），原理上也比较接近，但是两种载荷对风速的观测结果并不完全一致。因此，在一颗卫星上搭载多种微波遥感器，无论是对单一海洋信息还是多种海洋信息的观测都是十分必要的，这不仅有利于提高对海洋环境要素的观测精度，而且还有可能同时获取多种海洋观测信息。

② 海洋微波遥感器逐渐实现高精度大入射角范围

海洋面积占地球总面积的71%左右，面对广阔的海面，必须能够及时提供对全水域的海面测量信息，这就对星载海洋微波遥感器的发展提出了挑战。目前，高分辨率宽测绘带星载 SAR 成像技术和多模式星载 SAR 技术已日趋成熟，类似加拿大的 RadarsAT-2、德国的 Discover-2 这种多模式 SAR 卫星，可以先利用条带或者扫描等分辨率较低的成像模式实现对广阔地面或海面的观测，随后对需要精确测量的区域再利用聚束或滑动聚束进行高分辨成像。因此，伴随着这些技术的持续发展，未来星载 SAR 在海洋遥感方面将发挥更大的应用。

③ 海洋微波遥感器向着一体化方向发展

传统的单星多传感器体制会使得卫星的系统相对复杂、重量增加，影响了整个卫星的稳定性。然而，携带着多模态微波遥感器的 SZ-4 的发射成功，为多任务下海洋微波遥感器的一体化发展提供了新的参考。SZ-4的多模态体制采用统一数字化管理系统来完成系统的控制管理，降低了载荷的重量和功耗，可以实现多种复合对地观测模式，可以获取对同一观测区域的多重观测数据，为数据反演和融合处理提供条件。因此，多种海洋微波遥感器的一体化发展已经成为一种趋势。

④ 海洋微波遥感卫星逐渐小型化和轻质化

伴随着微电子、集成电路以及自动化控制等技术的发展，卫星小型化技术也得到了长足的发展。小型化卫星通常是指重量在600 kg以下的卫星。小型化的海洋微波遥感卫星具有成本低、研制周期短、风险小等优势。目前，海洋微波遥感卫星正朝着高分辨率、高稳定性、大覆盖面积以及多要素的方向发展，应该利用海洋微波遥感小卫星的优势，加快推进海洋微波遥感小卫星的发展和应用，使之成为大中型海洋微波遥感卫星的补充。未来可以将小卫星相关技术应用于海洋微波遥感领域，这将为海洋环境的观测和应用提供新的研究方向。