基本介紹
- 中文名：被動遙感
- 外文名：Passive remote sensing
- 又稱：無源遙感系統
- 特點：本身不帶有輻射源
被動遙感介紹,運用手段,聲的被動遙感,套用實例,
被動遙感介紹
大氣對電磁波的吸收作用，主要發生在電磁輻射的紫外、紅外和微波波段。根據基爾霍夫定律可知，大氣對某個波段有強烈的吸收，必然在該波段有強烈的輻射。這些輻射作為大氣信息傳 輸出去，成為人們探測的依據。利用一定的接收設備，直接接收 大氣自然輻射信息，用這種方法探測遠距離目標稱被動遙感。
被動遙感可分微波、紅外和可見光遙感。這 些遙感儀器功率小、噪聲低、易攜帶，可以安裝在地面向上空遙感，也可裝在氣球或飛機、衛星上向下遙測，人造地球衛星上的氣象探測就是首先裝上這類儀器向下探測大氣溫度、濕度、雲等。
運用手段
光
由於以下因素，可見光至今被認為是被動遙感最重要的手段。
1．可用性。太陽對人類而言無代價地向地球上的萬物提供了強光照明，小範圍講，對群星也是這樣(月光是陽光的反射光)。許多物體也可以發光，但這種光通常還不能用於遙感。但是，黑夜中地球的衛星照片，由於人口居住中心發射的光，卻可以提供一個人類居住環境的精確地圖。
2．可攜帶信息。十分明顯，物體的照片越多，能對它提供的信息就越充分，更為重要的是，在一個遙感過程中，從數據源得到的光的頻率範圍是相當重要的， 因為每一物質都有它自己反貯或吸收光的特性。這種特性被稱為光譜。因而頻率譜的分析對於獲得信息是一個非常重要的方法。
3．檢測的簡易：有許多方法可用於光的檢測，不僅僅局限於我們視力的感覺，在照片寬裕的面積上記載光的發射是既便宜又相當簡單，用彩色照片則可以提供來自每一數據源的光的頻率範圍。通過使光經過不同的濾光片，並分別記錄每種結果，我們可以獲得進入信號的頻率範圍的更精確的概念。更精確的結果或許可依靠皮用光測器、分光儀或干涉儀獲得。
4．信號強度的增強：要對通過鏡頭或反射鏡在寬廣的前方收集到的光聚焦是相當容易的。這就使得信號的能量積聚，而噪音無意中被消除。因而，帶有大口徑鏡頭的望遠鏡產生充足的輸入信號積聚，使得即使十分遙遠模糊的星星也能觀察到。另一種增強光能量的方法是在用照相的方式記錄光的時候對模糊的光源進行長曝光，也能改善信號—噪音比。因為，雖然干擾的瞬時值引起波動，但在一相對長的時間內平均值很小，且它的主要影響是對於記錄增加了一個均勻的”背景曝光”。
5．清晰度的增強：通過光學聚焦手段，我們也可以有選擇地從一個點源識別光，從而可以獨立地研究它周圍的事物，這電右助於增加信號—噪音比， 因為它把不是來自點源的光排斥於外，因而也就包括了不想要的信息(噪音）。
可見光作為一種信息源的主要缺點，是它的氣候依賴性。因為光不能很容易地穿透雲、雨或暴風雪，而被懸浮的灰塵顆粒所隔散。
紅外線輻射
當觀察僅在紅外線範圍內進行時，光譜測定技術被有效地使用。從獨立數據源的發射靠一個干涉儀或光柵接受，發射的光譜也是靠這種方法獲得。因為光譜是由一個物體的化學成分和溫度決定的，因而從中可獲取相當有用的信息，但是，要對一排物體進行同時檢測時代價是昂貴的，因為這將使儀器重複使用多次。代之，使同一儀器用於對不同物體的連續檢測，例如，可一次一個地進行以多頻、單目標的檢測。單頻道、多目標的檢測或許靠對從一矩形光電檢測器群上方區域收集到的光進行聚焦而實現，每個總能量的記錄均來自一點，但是不具備指示頻率值的能力，用光譜影像器檢測多頻道、多目標的技術迄今還沒有被大規模的採用。
紫外線及其他射線
基於多種原因，採用較可見光波長較短的輻射是在遙感中僅用於特殊目的，它們難以用光學方法聚焦。這是因為它們敏感於在一可見光中顯示為平滑表面中的缺陷，因而，反射可見光的鏡頭對於較高頻射線將不是十分有效的(一般而言，任何頻率的波僅僅受到尺寸相當或大於它們波長的物體的影響，這就是為什麼可見光被雲中的水蒸氣隔斷的原因，而無線電波則不會這樣)。
但是，目前正在尋求一項可用於物理學或化學試驗室試驗的技術，諸如紫外線光譜學、光電倍增管、螢光性、蓋革計數器、閃爍試驗室等，以適用於這些特殊射線能發揮特殊優點用途的遙感。例如，太陽發射的紫外線在到達地球之前的臭氧層時就被大量地吸收了。測量這種輻射的程度因而給出這一氣層狀態的顯示，從中可獲得大氣污染及太陽表面活動情況的信息。X光自上世紀末就已在醫院用於短範圍觀察(不需要聚焦)，用螢光屏和特殊膠片。它們的波長如此之短以至於可通過分子之間的空隙，因而也就能很容易地穿透人的身體，相對不同的角度，它們被各類網狀體所吸收，形成一種可反映人體內部結構的畫面。最後，如先前提到的， γ射線探測器可對地域勘探藏有放射性的物質。發射γ射線的放射性同位素，也可作為跟蹤劑使用，例如，用於觀察人體的進食或化學吸收情況。
無線電波在被動遙感中最重要的運用是在無線電天文學中。在此領域，與相應的光學系統比較，它們具備能在全天候觀測的顯著優點。無線電望遠鏡的構造包括可覆蓋一廣闊領域的許多獨立天線，以某種方式聯接到一起，使得它們在一特定方向的輻射相加，反之，將來自其它方向的輻射相互抵消。這很類似於光學望遠鏡的聚焦能力。因為地球是旋轉的，陣列天線指向天空的不同部位，為強輻射源精確定位的無線電圖被描繪出來。合適的聚焦僅當望遠鏡的總體尺寸比所發現的波長大時才能獲得，結果地球上物體的無線電波檢測僅能在微波範圍進行，適用於厘米波或更短的波長，也就是說，尺寸小易於操縱的接受天線可以被採用。
無線電波
在運用被動遙感裝置中，在微波範圍內的波長使用引起兩個額外困難：信號在低功率水平被檢測，因而不可能期望有清晰度高的細節再現，而發射紅外線的物體總是以低頻(每個頻率下的數值與每個物體特性光譜相一致)發射一些能量，發射的能量僅是總能量的很小一部分。況且，如先前解釋過的原因，比它們的發射波長要小的構造是不能“看到”的。最後，被檢測的信號受到許多人為因素的干擾，從廣播電台到電子儀器都有這種情況。基於這些和其他原因，我們被動微波遙感的運用仍然停留在早期的研究階段。
一種長期形成的採用機械振動(衝擊波)的遙感過程用於地震觀測。其例之一是地震監視。許多地震探測儀被安置在不同的位置上，它們的讀數通常在一個中心監視站被記錄下來，在數據傳遞失敗的情況下，本地記錄也可以提供一種備份的信息。因地質問題或火山噴發運動產生的衝擊波被接收和記錄，接受到的脈衝系列的形狀提供了這類地震活動的顯示。通過對它到各觀察站的時間，是由來自各站到地震信號源的距離所決定，人們可正確地確定出信號源的位置，一旦決定了這個問題，通過研究衝擊脈衝的尺寸，考慮到在到達每一站之前，它們必須傳遞多遠，就有可能估算出活動的強度。
地震探測儀也可以用於監測人造結構，諸如河堤、水壩、道路或機場跑道的應力和張力：在一個水庫充水的時候，增大的壓力作用到水壩上，微小的沉澱可能發生，這種現象在新構造中更易出現。通過對這種活動連續不斷的監測，在嚴重狀態下可獲得預先警告，相似的情況適於公路和跑道。當車輛在它們上面行駛的時候，產生機械振動，這些情況被記錄下來以用於分析公路上的交通密度或檢測構造的基礎的任何薄弱地方。
聲的被動遙感
聲的被動遙感主要是檢測遙遠地方傳來的聲波，根據聲波的特徵判斷聲源的性質及其代表的物理現象．其次，聲波經過高層大氣到達地面，其路徑會受到風和溫度層結的影響，故可以測量同一聲源的聲波到達不同地點的到達角和相位來反推風速和溫度的垂直分布．聲波經遠距離傳輸受到的衰減很大，頻率愈高衰減愈大，只有很低頻率的聲波才能傳到遠方．因此，聲的被動遙感實際上就是對次聲波(包括一般次聲波、聲重力波和內重力波)的檢測．
大自然產生的次聲波的聲壓多在0.1～1 Pa範圍內，很少超過5 Pa，但也可能小到0.01 Pa．而風速擾動引起的壓力起伏可達50Pa．因此，次聲波的接收和檢測靠一組高靈敏度微氣壓計．微氣壓計記錄一參考容積內的氣壓變化，此容積通過一毛細泄漏管與外界大氣相通．泄漏管起高通濾波器的作用，也對背景大氣壓的起伏起補償作用．微氣壓計通常與“減噪長管”相連．該長管的典型長度約為300m，每隔約1.5m開一小孔，其作用是在該特定空間區域內對感測器的感應進行平均，從而濾去較小尺度的壓力起伏．可以設計出不同的空間和時間濾波器，使一定頻率範圍的壓力起伏得以通過，抑制那些被我們視為“噪聲”的壓力起伏，以滿足我們研究特定現象的次聲波的頻帶要求．為了能測出入射波的聲壓，判定入射波的來向及波的水平相速度，要用三個以上的接收裝置分置在相隔幾千米的不同地點．
套用實例
氣象衛星——被動遙感探測
氣象雷達通過主動發射無線電脈衝探測遠方雲雨，因此被稱為“主動大氣遙感探測”。另外，還有一種遙感探測並不主動向目標物發射電波脈衝，而只是接收目標物本身發射的無線電波而完成探測任務，因此被稱為“被動大氣遙感探測”。因為目標物發射的這些無線電波在大氣中傳播時會發生一系列散射、折射、吸收、頻散等物理效應，這些物理效應因大氣物理狀態的不同而發生變化。通過測量這些變化就能知道大氣的這些狀態。這就是被動大氣遙感探測的原理。
由於被動大氣遙感儀器沒有發射訊號的設備，因此它的體積、重量和能耗都比主動大氣遙感要小，可以安裝在飛機、太空梭甚至人造衛星上； 人造氣象衛星正是由此誕生。
氣象衛星就是攜帶各種(被動)大氣遙感探測儀器，從空間對地球大氣進行氣象觀測的人造地球衛星。氣象衛星的發展歷史要回溯到20世紀40年代末期，美國的一枚氣象火箭從美國新墨西哥州白沙發射場升空後，從太空拍攝到了一張半徑500英里(1英里=3.609公里)的地球照片。這使得科學家萌生了從太空觀測地球，即人造氣象衛星的思想。以後這類火箭雲圖越來越多。1954年10月他們還收到了一張從墨西哥灣侵襲美國的完整的颱風螺旋狀雲系的雲圖。正是這個颱風引起了美國芝加哥地區的暴雨和洪水泛濫。1957年10月4日前蘇聯人造衛星上天，推動了美國加速人造衛星的研製：繼1958年1月31日“探險家1號”衛星上天之後，1960年4月1日，重達300磅(1磅=0.454公斤)的世界上第一顆氣象衛星。“泰羅斯1號”終於上天了。到今天，天上飛行的各國氣象衛星已經有一百多顆。我國也發射了“風雲一號”三顆和“風雲二號”一顆等氣象衛星。
按氣象衛星運行的軌道和用途來分，現今世界上業務用的氣象衛星可以分為兩種。一種叫極軌衛星(我國發射的“風雲一號”系列就是極軌衛星)，即軌道通過兩極，繞地球一周約需100分鐘。由於軌道距地球只有約1000公里左右，因此又稱低軌衛星。這種衛星雖每天可對指定地區進行兩次觀測，但卻不能連續監視，因此對日常天氣預報意義不大。另一種叫同步衛星(我國發射的。風雲二號”就是同步衛星)。它位於赤道上空35800公里高度(因此又稱高軌衛星)，24小時繞地球一周，相對地球而言是不動的(因此又稱靜止衛星)。它能連續監視一個地區的天氣變化，這對天氣預報十分有用。例如，自從氣象衛星上天，肆虐人類常造成重大災害的颱風，就再也沒有逃過人類的這隻“火眼金睛”。
氣象衛星探測裝置的核心是接收遙感圖像的遙感器。遙感器按接收目標物發出的電磁波波長可以分為：接收波長0.4～0.75微米(即可見光從紅到紫的波長)的叫可見光遙感器。它所收到的地球雲圖圖像實際上就是一幅幅可見光照片，接收3～14微米紅外線波段的叫紅外遙感器，如果說可見光遙感器接收到的實際是陽光照射地面和雲系後的反射光，那么紅外和下面要講的微波(波長比紅外更長，0．001～1米)遙感器遙感接收到的卻是地面和雲系本身發射的電磁波，溫度越低，發射的電磁波波長越長。因此紅外遙感器遙感到的便是地面和雲層的溫度分布(這也就是衛星能夠觀測地面和海面溫度的原因)，溫度越低的地方，顏色就越白。因此如果說在可見光雲圖上不易分辨地面積雪和雲層的話(因為它們反射率都很高，都是亮白色)，那么在紅外雲圖上差異就很明顯了。因為高空雲層的溫度總要比地面積雪低得多，因而顏色也要白得多。
微波遙感器接收的波長由於：比紅外輻射又長得多，因此它能穿透雲霧，甚至達到一定深度的土壤，因此可以探測雲下和雲上的大氣溫度和濕度，以至雲和降水的結構，也就是大氣中溫度和濕度等的垂直分布。“無球探空”的說法正是由此而來。當然這些技術也正在逐漸完善之中，商業務使用還有一定距離。
和氣象雷達一樣，一顆氣象衛星也不能觀測到全球風雲。即使高度達到35800公里的高軌靜止衛星，也只能觀測到地球的三分之一，而且圖像邊緣部分還會不同程度失真，因此從70年代末開始，就已經建立起了由5顆均勻分布在赤道上空的高軌靜止衛星和2-3顆低軌極軌衛星組成的全球空間氣象觀測系統。它和龐大的地面觀測系統一起，共同組成了現今世界天氣監視網的全球大氣觀測系統。氣象衛星現在已經成為天氣預報業務和大氣科學研究不可缺少的工具和手段。
