基本介紹
- 中文名：主動遙感
- 外文名：active remote sensing
- 又稱：有源遙感
運用手段及原理,雷達,地震波,聲納,雷射,微波主動遙感,套用實例,雷射主動遙感發展趨勢,
運用手段及原理
雷達
微波雷達系統是構成主動遙感最重要的方法手段。採用電磁振盪器發生特有的頻率即可變成發射的傳輸信號，微波束的發射和聚焦技術採用已很成熟的多極天線，即可在觀察的任一目標的方向上實現聚射。微波信號可在任何天氣條件下具有良好的連續貫穿空氣的性能。它可做為專用載波調製技術，在傳輸中保持調製特性並易識別那些被觀察目標反射時的噪音與失真變形。此外，在反射波頻率變化時利用微波可預測和觀察目標移動速度。這是眾所熟知的都卜勒效應。
雷達用在航空跟蹤已是人們很熟悉的了。利用旋轉天線輻射某些固定頻率電波的規定脈衝串，電子束在目的域內從一邊到另一邊旋轉覆蓋掃描，如果，脈衝觸及到某一目標時則產生反射信號被接收天線接受。從天線到方位物或目標的距離可依脈衝到達目標後返回的時間斷定，其方向可由接收返回信號時的天線指向得知。由於波的往返速度很高，在脈衝往返期間天線迴轉量很小並可忽略。已知它的距離和方向，目標的位置即可由螢光屏(CRT)上自動顯示出來的反射信號來確定。即使用較慢的手算也可同樣完成，在天線迴轉觀察的期間內目標遊動的方向、速度以及相繼的位置和消逝的時間都是可確定的。換句話說，從天線發射方向，特別是直接向前或向後移動(換向)時都卜勒測量可更加精確。
目標尺寸規模的判斷也可依反射的能量值確定，但要考慮到方位物的反射強度隨距離增大而衰減並與移動距離的平方成反比的這種實際情況。
近代雷達技術用來判斷降雨。波長在厘米範圍的波段利用微波信號的反射測定局部降雨。降雨量和它的密集濃度以及其距離也像航空跟蹤天線那樣全方位的跟蹤連續記錄。但是，要辨認返回的信號有點困難，因為從降雨區域的邊沿到最遠處的距離有延續的時間周期，它是可依返回信號的幅度累加並以加權因子係數減去距離確定某方向到來的總雨量，依返回的持續脈衝串時間可繪製降雨面積圖。
雷達有各種不同的使用方法。用側視雷達技術從空中繪製的地形圖，表示在圖8.1中。由飛機載帶的天線設計成向前方發射扇狀微波脈衝，在飛機通過地域的地平面直線上， 目標系列垂直的反射到飛機的天線上。因每個目標與飛機距離不同，因而獲得返回的信號時間也不同。處理返回的信號系列，將允許識別線上的各個目標。當飛機向前飛行時，微波信號的扇面掃過位於該地域中的目標(圖8.2)。這樣，允許返回的信號繪製全面積的二維圖形。
雖然，側視雷達用於許多目的，而用於繪製地圖是其特別重要的原故。飛機前方的地形斜坡和地面地貌反射到天線上的信號率要比它離開斜坡時要高(見圖8.1)。因此，一個斜坡在圖板上顯示成亮域，而另一個則為暗域。從而側視雷達提供了快速，簡單地繪製大面積，包括重要的等高線地形圖。
兩個轉動的側視雷達天線，水平向尺寸要比垂直向長些。這使水平向達到較高的聚束，使得電子束有個明顯的方向，輸出的扇孤超過垂直向。這樣，在相同平面上可觀測多個目標。正如前面已闡述的那樣，達到集束，但天線的尺寸必須比探測方位物波長大許多。
地震波
在地質和礦物探測方面通常採用地震波主動遙測法實現。衝擊波是由鑽進地下一定深度的孔內放置硝化甘油火藥包的爆炸而產生的，用一系列地震探測器測量反射波(圖8.3)。這種反射發生在不同地質結構的邊界層之間，如土地與地下岩石之間或保持水平的油和水。依邊界層狀態和探測器相關的位置，在不同的時間裡反射到達探測器。
由一組探測器接收和分析的反響以及衝擊波反射到達的時間，可提供很好的深度及地質成分的概念。後者由於密度和地震波速度的差異則可進行判斷。
正像前面曾闡述的那樣，地震的級數是依地震擾動監視地球震動的振幅和方向。包括遲後相列差和每個地震通道記錄不同遲後值在內，由陣列線上相關連的特別方向到來增大的信號累加成陣列信號。這是因每個通道各自的遲後與每個測震儀組陣列方向和位置相互關連著。調正遲後時間周期，注意所設定的值增到最大信號，即可確定地震擾動的方向。
聲納
在水中聲反射波的方向如同空氣和空間裡插入的低頻壓縮波(頻率範圍——高頻可達數百千赫)干擾介質。它與雷達技術相類似，但這種方法在不同的聲波起源點稱為聲納。先進有效的聲納波在微波範圍內衰減較小， 當微波在水中通過時很快消散。微波通常是用薄石英片或其它材料在電場中的快速交變晶體振盪器產生。在電場內由於材料伸縮強度的變化而導致高音頻率的發生。它可以使這些波聚焦作為反射器。但這需要高能量束流，採用單獨的振盪器排成陣列組，並輸給全部陣列組中的振盪器相同電流，各個振盪器定向地放射聲波，總合的方向放射是很強的，放射是沿垂直陣列振盪器的方向定向相加，但其它方向趨於消除。這類似多極雷達波陣列天線的聚焦能力。
在船和潛艇上使用聲納航行，類似雷達；因機械振動套用是很廣泛地，它的回響僅能在很強的共振時才能識別。聲納工作套用範圍比航空導航雷達要小，但單個聲納接受亂比微波系統成本低。使用一組獨立天線和檢波器有可能記錄接收來自各方位的波(微波接收天線通常僅由一個檢波器集中接收進入波)。這能使許多複合信息實現摘錄處理，以及曾在前面闡述的類似地震系列信號處理系統。現今發展已投入使用的聲納可繪製的水下結構圖形表示在圖8.4中。
這裡是由陣列微音器組記錄的目標反射聲波。圖中展示的是三個微音器。從話筒獲得的電信號各自受到一個給定相位的延遲△，然後相加。相位延遲與傳輸路程的長度有關，依從B點反射來的信號而論，對路程Ba及Bc比更直接的路程Bb需要一個較長的延遲，以便使所有三個檢測器的反射信號在相位上是重疊的。從目標中的其它區域反射的信號也將有不同的重疊，因為我們已經假定延遲僅僅適合於B點。總的說來，從所有其它點到達的信號都會趨向於相加到零，並對累加的總數幾乎沒有什麼影響。如果我們考慮適當地增加其它點A，那么，由於有不同的傳輸路程的長度，對三種通道需要一組完全不同的延遲。在實際情況下，許多的話筒將會被排列成直線的或矩陣式的系統套用。相位遲後與矩陣組排列涉及到全部微音器為每個目標象素輸出總和的最大頻響，並平行載出，在這種情況下，我們能夠在普通光照射的地方為目標用聲波提供“照射”。這個系統的原理近似透鏡或望遠鏡，它們可將沿不同方向來的每束光聚集在呈像板的各自不同的點上，換句話說，用一組編制的延遲程式，依次對每一目標圖像所給定的輸出端進行一系列的操作，像由遲後校正值有效地檢測圖像一樣。另一方面，平行處理可用模擬法實現，也可用數位化法實現，順次的連續處理則要求計算機或微型計算機按遲後時序調正控制效果。
雷射
到目前為止，有些可見光用於主動遙測，由於它需要很大的能量光源和附加光，致使很難從接收的信號中析取反射。雷射源是克服這些問題最顯著的有效方法，普通的白光被稱為“不相干”光，那就是，它的能量是全方向的散布和有很寬的頻率帶。而且，它析出的頻率成分不在同一相位，事實上，它顯示的特性很像電訊系統內的噪音，稱為“白噪聲”。它這種混亂傳輸特性被廣泛的用做繪圖。為了產生有效能的窄光束，需要很龐大的反射聚光拋物鏡，使這光成為“平行”。雷射束的重要特性是它能產生平行光束，組成規則連續的單一頻率波和恆定振幅。因此，雷射系統能放射高聚焦和極大密度的窄光束，低的頻率和相同的相位。這意味著我們能用窄頻帶濾波消除其它頻率實現接收。這樣，干擾總量可大大減小，並允許很小的反射檢波。
全部信號記錄處理，可用被動遙感實現，但是，研製多通道，要在幾個不同頻率下生成數個不同雷射中的任一個或生成更經濟可調諧的雷射時，它的光頻率放射應是可變的。接收器要適合頻率特性的濾波。任一帶通的寬頻回響足以覆蓋全部可調諧的雷射頻率範圍。或者在雷射輻射頻率節距變化時是窄帶通和是可調的中心頻率。
自從光源被用以照射目標和觀察以來，已不只限於日光期觀察了。頻率的選擇特別適合給定的要求。例如，在試驗中的紅寶石雷射器用於監控大氣中的水蒸氣含量，觀測在該頻率下水分子粒子消散效應。另一個套用可行的雷射技術是通過都卜勒效應測量目標速度，但它僅能在一個特殊頻率下產生光的反射才能使用。
微波主動遙感
星載微波主動遙感主要包括散射計、海面高度計、雷達、合成孔徑雷達(SAR)、干涉SAR(INSAR)等。1978年Seasat載有單一頻率的散射計(14.6 GHz)和SAR(L波段，hh極化，25m空間解析度)，1991年與1994年開始的歐洲ERS-1，2上載有散射計(5.3GHz，vv極化，空間解析度45km)、雷達高度計(13.8GHz，解析度16～20km)。1997年開始的TRMM載有Ku波段降雨雷達，與被動遙感的輻射計一起主要探測雨強、降水分布等。
特別重要的是20世紀90年代以來的極化SAR高解析度成像技術在遙感套用中的廣泛開展。如：1994年進行的太空梭SIR-C/X-SAR多通道(L、C、X波段)全極化SAR觀測，圖1-4給出三通道極化合成的美國紐約的SAR觀測圖像。利用多頻段、多極化SAR觀測獲取地表特徵信息與分類是目前SAR遙感信息研究的重點。在SIR-C之後，有歐洲空問局(ESA)ERS-1、2 SAR(5.3GHz，vv極化)，2002年3月ESA的Envisat-1 ASAR(Advanced SAR，C波段、vv，hh極化，空間解析度30m)，日本JERS SAR(1.275GHz，hh極化，35.21。入射角，18m空間解析度)，加拿大Radarsat-1 SAR(C波段5.3GHz、hh極化、8m空間解析度)，以及2006年的Radarsat-2全極化SAR(C波段、3m解析度)等。也有不少機載SAR的研究任務，如美國JPL的全極化AirSAR(P、L、C、X波段)，歐洲EmiSAR(全極化，L、C波段)等。通過多通道(頻率、極化)的合成，來獲取與處理信息。
利用SAR兩次相干觀測的相位信息提取地表三維信息(地面高程、地面形變等)，形成了干涉SAR(INSAR)技術，極大地拓展了機載與星載SAR的套用領域，比如2000年2月美國NASA的太空梭雷達地形測繪任務(SRTM，Shuttle Radar Topography Mission，C、X波段)，在Radarsat-2中也將充分考慮INSAR套用。
雷達與SAR對於大氣降雨、大氣可降水量、雲中液態水含量，海面風場、颱風、海凍的監測，陸地土壤濕度、積雪、乾旱洪澇災害、陸地水文、植被與農作物生長監測等都有重要的套用。同時，還可在土地利用、地質資源與探礦、地下目標探測、大地河口與海岸監測、城市發展管理、海流與海面污染、海面艦船或地面目標的識別等民用和國防技術中有十分重要的關鍵性的套用。全極化SAR與INSAR圖像還可以用來反演森林樹木高度、地面數字高程、地面形變、各類地表的分類等。此外，逆合成孔徑雷達ISAR、雙站BiSAR等研究也正引起關注。
我國在神舟4號多模態微波遙感器中包括了輻射計、散射計與高度計的科學實驗，海洋2號衛星將載有微波散射計和高度計等。在機載和星載SAR的研製上也正取得重要進展，機載SAR已取得十分良好的空間解析度圖像，全極化SAR的研製也在進行中。
高解析度的主動微波遙感對於地表目標形狀等物理特徵及其同極化和交叉散射十分敏感。如何從多通道(頻率、極化等)主被動遙感數據圖像中提取和處理定量科學信息，完成從數據到信息、信息到知識的轉化是遙感信息科學的本質任務。
套用實例
氣象雷達——主動遙感探測
一般地面和高空探測的探測方法，都需要儀器的感應部分和大氣直接接觸。這給氣象探測造成了很大限制。能不能有不必和大氣直接接觸而從遠處探測大氣的呢?有的。這就是20世紀中期發展起來的遙感探測。其中氣象部門最大量使用的，便是氣象雷達。
雷達是1935年英國科學家瓦特(發明蒸氣機的瓦特的孫子)發明的。雷達探測的原理是，從雷達天線定向發射出的脈衝無線電波在碰到目標物體時，就有一部分電波散射返回。回波被雷達接收機接收後，目標物便能在螢幕上顯示出來。根據發射波束的指向可以確定目標物的方向，根據接收到回波的時間可以確定目標物的距離。
在第二次世界大戰以前，雷達主要用於軍事目的，例如雷達可以發現敵方飛機入侵。可是，每當天上有雲或有降雨的時候，雷達發射的電波首先被雲雨散射，使雷達螢幕上的軍事目標不清楚以至不出現。這就是雲雨對軍事雷達探測目標的干擾。1941年2月20日，一部美國的10厘米波長的軍用雷達，在執行探測任務時，在螢幕上發現距離海岸7海里(1海里=1.852公里)處的海上有很強的回波訊號。但弄不清楚這是怎么回事。經過氣象學家證實，這是大氣中降水雨滴造成的回波。就這樣，歪打正著，雷達開始被用來探測雲雨。雷達回波越強，表明雲中的水滴越大越多，暴雨的強度也越強。
據記載，專門製造出雷達來探測大氣雲雨風暴的是美國，時間在1943年。
氣象雷達所使用的無線電波長範圍很寬，從1厘米以下到1000厘米都有。氣象雷達的性能決定於它使用的無線電波波長。一般常用K波段(波長0.75～2.4厘米)探測不產生降雨的雲(因此稱為測雲雷達)，用X(2.4～3.75厘米)、C(3.75～7.5厘米)和S波段(7.5～15厘米)探測暴雨和冰雹(因此稱為測雨雷達)等等。
雷射主動遙感發展趨勢
(1)進一步借鑑微波雷達遙感的概念、方法
相對於雷射雷達而言, 微波雷達的發展更成熟、使用面更廣, 因此, 微波雷達的概念、信號處理的方法對雷射雷達的發展具有借鑑作用, 如相控陣、合成孔徑等概念就直接取之於微波雷達;連續波調頻和脈衝壓縮等信號調製及解調的方法正在被雷射雷達所採用;甚至在海洋雷射雷達中, 發射時將微波信號載入到雷射上, 接收到回波後在通過光電器件變成微波信號加以處理。總之, 未來微波雷達的技術和思路將進一步滲透到雷射遙感領域。
(2)與其他遙感手段的配合、融合, 發揮遙感系統的綜合優勢
雷射主動遙感與微波遙感、紅外遙感之間相比各有優勢, 微波波束的發散角大, 雷射發散角小, 因此, 雷射的精度和角解析度高, 而微波的搜尋能力強;微波雷達的電磁干擾敏感, 探測地空目標時, 回波信號就被地面的雜波所淹沒, 雷射雷達電磁抗干擾能力強, 它們之間存在著互補性。雷射高度計就和微波SAR合在一起用 ;未來的預警系統傾向於雷射主動遙感和紅外系統組合使用, 先用紅外系統大面積搜尋, 一旦發現可疑目標則通知雷射雷達跟蹤、測速、測距, 如夜晚沒有光源照明, 熱紅外成像不能將目標和環境區分開來, 如果和雷射主動遙感相配合則可以很好地解決這一問題。
(3)新技術和新器件不斷面世, 將不斷改善雷射雷達的性能
在雷射雷達領域, 許多新技術在不斷出現和進步, 如光纖雷射器功率的提高, 陣列半導體雷射器性能的提高, 雷射穩頻技術的改進;InGaAs和HgCdTe雪崩二極體陣列的研製成功等;解析度更高的濾光片和分光器件的使用等將不同程度地改善雷射雷達的性能;還有光子計數和距離門等技術都會對雷射雷達的發展產生重大影響。
(4)單台遙感設備功能綜合化
雷射雷達單台設備只測一個參數的情況在將來會越來越少, 往往是共用光源與光學系統, 儘量從散射和反射回波中獲得更多信息, 形成帶有一定綜合性的遙感設備。2001 年發射的ICESAT 衛星上的GLAS 雷射雷達, 是NASA 測量海冰而設計的主動感測器, 主要測量兩極地區的冰層, 建立高精度的陸地數字高程, 同時獲得全球尺度的雲和氣溶膠的垂直剖面, 還能進行海表和海洋次表層測量。構想中的飛彈預警系統, 雷射雷達跟蹤目標的同時, 不斷測距和都卜勒測速;2005年德國科學家Andreas等提出四維綜合性雷射大氣雷達, 同時用M ie散射測氣溶膠、Rotational Raman散射測溫度以及差分吸收測水汽。
