遥感如何穿透云雨雾和黑夜，从太空看破地球？

Posted 2021-11-11 大彤小忆

  遥感卫星上搭载了遥感传感器，它会接收并分析来自地面的电磁波信号，在遥远的距离下感知地面物体，所以得名遥感。这些卫星一般位于距地400~700千米的高空轨道上。根据接收的电磁波波长不同，遥感可以分为多种不同类型。

  可见光遥感接收的电磁波就是可见光，波长一般在0.38~0.76微米之间，只要采用其中三个波段就能合成出一张彩色的图像。

  通过观察可以发现，下面这两张照片的清晰度有所区别。

  原因之一是它们拍摄时的镜头孔径不一样。

  根据以下公式$$R_{空间分辨率}=\frac{a_{探测器像元间距}{h}_{轨道高度}}{f_{焦距}}$$$$f_{焦距}=D_{镜头孔径}{N}_{光圈值}$$可知，镜头孔径越大，焦距越长，R值就越小。其中，空间分辨率R是照片中一个像素格对应到地面时的实际长宽，所以R越小，遥感影像就越清晰。

  在2021年3月，中国的天问一号探测器传回三张遥感拍摄的火星照片。其中下面的两张黑白照片是通过可见光遥感的全色模式拍摄而成的，把0.38~0.76微米的全部可见光打包混合而成的图像，相比普通的彩色图像，它虽然是黑白的，但其实包含更多的科学信息，清晰度也更高。

  不过在强的可见光遥感遇到云雨雾或者黑夜时，也只能两眼一抹黑，此时就需要微波遥感了。
  微波的波长在1毫米到1米之间，波长更长、散射更小，在大气中衰减较少，能够穿透云雨雾的限制。

  更重要的是微波遥感接收的是自身发射的电磁波，在夜晚也能使用。而负责发射和接收微波微波信号的传感器就是雷达，雷达就是能够发射然后接收一个固定频率的电磁波，根据回波信号的强弱，生成一张如下图所示的灰度图。

  其中金属的船只对电磁波反射率更高，回波信号更强，所以呈现出亮灰色。而水体、植被、泥土等反射率更低，呈现出深灰色。

  雷达能在各种气候条件下使用，这是雷达最大的优势。为了让雷达更清晰地观测地球，还需要用一些特别的技巧。雷达的分辨率分为距离向分辨率和方位向分辨率，如下图所示。

  距离向分辨率是垂直于飞行方向的影像清晰度。根据如下公式，$$P_{g距离向分辨率}=\frac{{\tau }_{脉冲宽度}{c}_{波速}}{2cos{\Phi }_{俯角}}$$脉冲宽度越小，距离向分辨率越小，清晰度就越高。所以只要使用如下这样一枚脉冲调制器，把较宽的回波信号压缩成更窄的信号，就能获得更高的清晰度，称为脉冲压缩技术。

  方位向分辨率平行于飞行方向的影像清晰度，它与雷达的孔径有关。根据如下公式，$$P_{a方位向分辨率}=\frac{{\lambda }_{波长}{R}_{距目标地物的距离}}{D_{天线孔径}}$$孔径越大，方位向分辨率越小，清晰度就越高。所以需要在卫星的运行过程中，让雷达不断地发出电磁波信号，再回收和组合这些信号，就能得到更大的虚拟孔径。这样，雷达就能在体型不变的情况下，获得更高的清晰度，称为合成孔径技术。

  利用脉冲压缩技术和合成孔径技术，雷达就能穿透云雨雾和黑夜，24小时全天候观测地球。
  除了可见光遥感和微波遥感外，其他类型的遥感卫星也在为人类提供农作物长势监测、森林火灾监测，大气臭氧探测等服务。