遥感教程第8-8页

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Microwave radiation, induced by thermal heating, is emitted from the Earth�s land, seas, and atmosphere. Passive microwave detectors measure brightness temperatures whose values and variations can be correlated with different materials, e.g., moisture content in soils. An application continuing over the last several decades is determination of sea ice conditions in the Arctic and Antarctic. Also reviewed on this page is a non-radar technique called * *激光雷达 , which depends on measuring laser light pulse round-trip times. From this altitude variations can be calculated. Besides topographic uses, lidar has proved useful in atmospheric studies, tree canopy characteristics, and oil spill detection (through induced fluorescence).

被动微波；激光雷达

虽然主动微波系统，即雷达，是这个频谱区域更常用的传感器，但被动微波传感器也提供了有关地球表面、海洋和大气的信息。航空和航天传感器已经运行了几十年。它们直接测量由这些介质中的热状态引起的辐射，因此是材料固有的自然现象的代表（因此是被动的）。

被动微波辐射的基本原理隐含在以下光谱曲线中，这些光谱曲线显示了不同固有温度材料的相对辐射强度（辐射率）与波长的函数关系：
显示辐射波长关系的一系列曲线

具有亮度温度特性的不同材料。|

所有这些曲线都有相似的形状，但如预期的那样，辐射物体越热，强度越大。同样要注意的是，随着物体运动温度的升高，曲线的峰值会有系统地向左移动。这种转变是维恩位移定律的结果，我们更详细地研究了维恩位移定律。 page 9-2 在热遥感部分。从技术上讲，上面显示的辐射是黑体在不同温度下的辐射。自然材料是灰体，其温度与完美的黑体有些不同。这里重要的一点是，即使是在延伸到微波区域的较长波长（曲线的右侧及以上）下，热体也会产生辐射。这种辐射是辐射性的，与较短的波长输出相比，其强度通常要弱得多，但仍能被敏感仪器探测到，而且也不会被大气衰减太多。这些仪器测量的温度是 亮度温度 . 在这一系列曲线中，陆地、水、空气和冰的亮度温度不同，因此我们可以在许多情况下将它们分开，有时还可以唯一地识别它们。

被动微波探测器中黑体曲线的波长段一般在0.15到30厘米之间。在频率单位（表示辐射间隔的正常方法）中，该间隔转换为1到200GHz之间的范围。我们最常用的频率是中心频率为1、4、6、10、18、21、37、55、90、157和183 GHz（因此多光谱模式是可行的），但信号波束宽度通常较宽，以便收集足够的弱辐射。仪器的空间分辨率也往往很低（通常是以距离空间公里和飞机传感器米为单位），以允许大的采样区域为准备检测提供足够的辐射。传感器通常是需要大型收集天线（固定或移动）的辐射计。在移动平台上，固定天线沿一条直线轨道运行，从而生成强度剖面而不是图像。扫描辐射计的不同之处在于使天线向侧面移动以产生多条跟踪线。其结果可能是一个条带，在这种条带中，当转换为摄影灰度时，强度的变化会产生类似于可见、近红外和热红外区域中形成的图像。下面是一个例子：

|显示被动微波（机载）仪器扫描地面特征亮度温度变化的图像。|

摘自T.M.Lillesand和R.W.Kieffer《遥感和图像解释》，第2版，1987年。经纽约威利父子公司许可转载。

在陆地上，由于对水的敏感性，被动微波测量对于探测土壤湿度和温度尤其有效。薄土（覆盖层）覆盖层下的微波辐射表明地表附近的基岩地质。评估融雪条件是另一种用途。跟踪海冰的分布和状况是海洋学的主要应用。另一种海洋用途是评估海面温度。被动微波传感器是一些气象卫星的重要组成部分，非常适合通过大气获取温度分布，以及水蒸气、臭氧分布和降水条件。我们描述了在Nimbus气象卫星上飞行的ESMR和SMMR扫描微波辐射计。 page 14-4 . 这是一个ESMR（电子扫描微波辐射计），单波段（19.3GHz）图像从Nimbus5气象卫星接收，提供了两个极地的海冰数据。开阔水域呈灰绿色。

|由Nimbus卫星上的被动微波扫描仪（ESMR）确定的南北极区域周围的温度变化（彩色编码）。|

一些其他卫星，如TRMM，使用被动微波来了解更多气象条件，在上进行了讨论。 page 14-5 . 国防部卫星DMSP系列上的SSM/I（特殊传感器微波/成像仪）是一种特殊的通用性。它可以测量风速、土壤湿度和降雨量等变量。它的主要功能之一，对军事和民用需求都有用，是监测海冰，这与上文所讨论的ESMR的方式非常相似。这是一张由SSM/I衍生的北极冰层地图，左面板显示冬季分布，右面板显示夏季冰层。

SSM/I使用它的几个通道来确定陆地和海洋上的亮度温度。下一张图片显示了美国南部陆地和墨西哥湾水域的温度变化（开尔文度）。

另一个活跃的传感器系统，在某些方面类似于雷达，是激光雷达（光探测和测距）。激光雷达以一系列脉冲（每秒100秒）的形式，以各种可见或近红外（近红外）波长将相干激光发射到表面，其中一些光从表面反射。往返行程时间是测量的参数。我们可以操作激光雷达仪器作为利润和扫描仪，日夜。激光雷达可以作为一个测距装置，以确定高度（地形测绘）或作为一个空气粒子分析仪。光线穿透某些目标，因此一个主要用途是评估树的冠层条件。从树顶、树内和地面获得回报，如图所示：

|由机载激光雷达仪器扫描的森林返回的光脉冲；信号功率根据飞行线距离绘制，树冠顶部和地面返回之间的时间差表示树的高度。|

我们可以解释这些数据来表明主要与叶片相关的生物量。这一信息对于确定控制CO生产的植被的全球状况非常重要。2 和O 2 这是维持生命的关键因素，现在人们非常关注，因为热带和温带的森林砍伐耗尽了这些气体资源。

激光雷达还可以穿透浅水水体，提供有关水深的信息（通常是剖面图）。从水面返回和从水底返回（从水底返回将变弱）之间的时间延迟差异表示任何点水柱的厚度（深度）。

某些激光雷达波长会使材料发出荧光（以不同于入射光束的波长发射光辐射），调谐后的探测器可以分辨出。浮油的反应是这样的，而海洋生物中的叶绿素也发出荧光。

激光雷达通常在飞机平台上工作，但在1994年航天飞机上飞行了一个星载传感器（Lite，用于空间技术实验中的光）。它监测云和测量大气粒子。另一个仪器，植被冠层激光雷达，将在美国国家航空航天局的新地球系统科学探路者（ESSP）计划的一系列低成本卫星任务的第一次飞行。激光高度计（GLAS）仍然是EOS系列中发射（大约2002年）的传感器之一（参见 page 16-7 ）

我们已经到了这一节的结尾，希望你们已经认识到微波光谱的范围可以做很多有用的事情，除了烹饪你们的食物。特别是雷达，现在已经成为民用和军用空间观测的主要手段，因为它独立于大多数天气条件，所以非常宝贵。随着经验的积累，我们正在学习如何进行特征分类，提供与从可见和近红外图像中提取的信息内容大致相同的信息。下一步，我们需要了解热遥感的能力，以便识别地面类别和海洋条件。


主要作者：Nicholas M.Short，高级电子邮件： nmshort@nationi.net