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航天遥感器的能力是如何来的
来源:《太空探秘》     日期:2013年03月13日    字体:【】【】【
  “千里眼”是中国的一个神话人物,人们常把高分辨率航天相机比喻成千里眼。其实,航天用的可见光遥感相机,从原理上讲,和我们日常生活中使用的照相机没有本质的区别。理论上讲,加长焦距,加大通光口径,就可以提高相机的成像分辨率和成像清晰度。但是,要在几百乃至上千千米的距离上获得高清晰度的地面照片,就不是件容易的事了。现代先进的航天遥感相机,焦距都在几米到十几米,通光口径很大,几米粗的主镜头就像大炮筒子。制造这类庞然大物,需要众多现代高科技的完美结合,包括光学、材料、器件、电子学和高精密的制造工艺等,因此是一个国家高科技水平的象征。

  说航天可见光相机是千里眼,但它还有看不到的“盲区” 。

  比如说,被观测目标处在阴暗处,被云、雾、伪装物遮挡,或者是在黑夜等,由于没有光照或光照不足,可见光相机都会看不到。其实,真正能够像神话人物“千里眼”一样,站在空中就能看到“姜子牙办公桌”的,是现代光谱遥感和微波遥感技术,那才是入木三分的千里眼。如今,形形色色的空间遥感器已经成为载人航天应用的重要技术装备,形成了一个庞大的空间遥感器家族。

  (1)什么是光谱太阳给地球带来光和热,地球上的万物在吸收太阳能量的同时,其物理、化学和生物运动过程时时刻刻都在反射和辐射出光和热。人们通过眼睛接收到物体反射的光线,就能感知到物体的表面形态,但是人眼无法感知物体反射或辐射的全部光线,只能够感知光的一部分,这部分光就被称为“可见光” 。普通照相机的基本原理,就是利用这些能够看见的光线,将物体成像于照相底片上。显然,那些人眼无法看见的,同样含有大量信息的光线却无法获取。

  现代物理学研究证明,光实际上是一种电磁辐射,光、无线电波和射线,它们之间的区别仅仅是波长不同,或者是光子的能量不同。物理学上把波长大于0.1毫米的电磁波划为无线电波波段,把0.1毫米到0.76微米的电磁波称为红外波波段,0.76~0.38微米称为可见光波段,0.38微 米到50埃(1埃=10-10 米)称为紫外波段,再往下就是X射线(50~0.04埃)和射线(0.04~0.001 1埃)。由此看出,可见光仅仅是全频谱电磁波当中的一部分,一张普通的可见光照片,无法全面反映被观测物体的全部信息。事实上,随着被观测对象形态变化、物质成分、组织结构、生长发育的不同,反射或 辐射的光谱(即各种波长能量)是不同的,有 时甚至是变化的。针对这一现象,早在20世纪50年代,就有科学家提出利用光谱探测来收集被观测物体的全部信息。20世纪70~80年代,随着光电子技术的突破和应用,各类光谱探测设备相继问世,光谱才真正成为能够被人类利用的资源。

  (2)什么是光谱探测技术光谱探测就是采用现代分光技术,把物体反射或辐射的光分成多个谱段接收,并转换成电子信号予以记录,对所获取的遥感信息,利用积累的知识,来判断该物体物理、化学乃至生物特征。例如,对于一个物体,哪怕是在没有阳光的黑夜,只要能够探测到它的红外辐射及变化,就可以显示出它的形态和温度变化情况。如果该物体中含有某种物质成分,那么它在某些特征频谱上就会有较强的辐射。获得了该物体的特征谱线,

  就能够精细识别被观测物体的组成和性质。

  成像型光谱探测设备与一般可见光相机的区别,就在于它是一种图谱合一的探测器,其突出优点是能够获得一般可见光相机无法观测到或无法分离的信息。实际应用中,一台光谱探测器能够对几个、几十个甚至数百个感兴趣的单独谱段或连续谱段进行成像探测,以获取更丰富的物体信息。在处理这些信息时,谱仪获得的遥感图像以针对某项特殊用途,单独提取一个谱段的信息,也可以把多个波段的信息叠合起来综合分析或成像。根据需要,光谱遥感既可以用于较小范围的精细探测, 也可以用于宏观的大范围全景探测。

  利用载人飞船轨道高、视场范围大的优势和光谱探测设备的强大功能进行对地观测,可以精细地感知地球上的各种细节,例如陆地的土壤成分和含水量、土地沙漠化程度、矿产资源分布、森林植被、农作物生长态势及产量估计、江河湖海的泥沙淤积、水质污染变化、地球低层大气运动、云层变化、空气质量及环境污染等。同样,光谱探测技术也可以用于部分 空间环境、空间物理和空间天文研究领域。

  (3)微波遥感的特点微波遥感是20世纪后期发展起来的新一代先进航天遥感技术。

  1888年,物理学家赫兹发现了电磁波,为无线电通信开辟了道路。19世纪末无线电的发送、接收技术和20世纪初电子管的发明,带来了20世纪科学技术的突飞猛进。20世纪80年代微波遥感技术的出现,使人类在利用电磁波无线电频段遥感上实现了重大跨越。

  地球上各种物体对外来的微波信号会产生反射,而且物体本身也具有微波辐射能力。微波遥感就是通过探测物体对微波的反射或自身的微波辐射,来感知物体形态和结构组织的。

  由于微波具有很好的穿透能力,故具有全天候、全天时的特点,不受云层、 浓雾等天气的影响,也不受日夜光照条件变化的限制。这些特点正好弥补了光学遥感器的缺点,因此成

  为航天遥感器的新宠和各国竞相开发研究的热点。

  根据工作原理的不同,微波遥感设备可以分为两大类,一类是主动遥感器,即探测设备主动发射微波信号,然后再接收被探测目标反射或散射的信号来感知被探测目标,其工作原理类似大家熟知的雷达。另一类是被动遥感器,其工作原理类似于光谱探测设备,即采用高灵敏度的微波接收技术,接收目标本身微弱的微波辐射信号。目前世界上的主动微波遥感器有微波散射计、微波高度计、合成孔径雷达(SAR)和真实孔径雷达等,被动遥感器主要是微波辐射计。
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