微波遥感
AI 摘要：微波遥感是利用微波波段（约1 mm–1 m）电磁波探测地物特性的遥感技术，分为主动和被动两大类。主动遥感（如合成孔径雷达）自己发射微波脉冲并接收回波，具备全天时全天候能力；被动遥感（如微波辐射计）接收地物自身微弱的热辐射，对大气温湿廓线和土壤湿度敏感。微波遥感的核心优势是穿透云层和非降水大气、不依赖太阳光照，能获取可见光和红外无法得到的信息。高分三号是中国首颗分辨率达1米的C频段多极化SAR卫星，风云三号微波湿度计使中国首次拥有自己的微波遥感气象数据。
一句话定义
微波遥感是指利用微波波段（波长约1 mm至1 m）的电磁波，通过主动发射脉冲接收回波或被动接收地物自身热辐射的方式，探测地表和大气特性的遥感技术。
概念边界：微波遥感与光学遥感的区别
微波遥感与光学遥感（可见光、红外）的根本差异，在于工作波段和能量来源的不同。
光学遥感工作在可见光至热红外波段（约0.4–15 μm），波长较短，依赖太阳反射辐射或地物自身热辐射。它的优势是空间分辨率高、图像直观，但受云层遮挡和光照条件制约。
微波遥感工作在微波波段，波长比可见光长三到五个数量级。这一波长差异带来了两个决定性优势：穿透云层——微波波长远大于云滴和雨滴粒径，云层对微波的散射和吸收很弱，微波能够穿透非降水云层实现全天候观测-6；不依赖太阳光照——主动微波遥感自己发射信号，被动微波遥感探测的是地物热辐射，两者都可在夜间工作。
微波遥感的代价是空间分辨率较低。在给定天线尺寸下，波束宽度与波长成正比，微波的波束远宽于光学系统。高分三号SAR通过15米长的天线和合成孔径技术才实现了1米分辨率-9，而同等分辨率的光学相机天线口径可以小得多。
需要澄清的一个常见误解是：微波遥感的“穿透”能力不仅限于云层。微波对干燥地表也有一定的穿透深度，L波段（波长约21 cm）在干燥沙土中可穿透数厘米至数米量级，能反映表层以下的介电特性。但穿透深度受地表含水量影响显著，湿润土壤会大幅减小穿透深度。
主动与被动：两类微波遥感
微波遥感按能量来源分为主动和被动两大类，它们的工作机制和获取的信息类型完全不同-1-16。
主动微波遥感自己发射微波信号并接收回波。雷达是典型的主动传感器，通过测量回波的时间延迟、强度和相位来获取目标信息-12。主动微波遥感包括成像雷达（合成孔径雷达SAR）、雷达散射计和雷达高度计-7。
被动微波遥感不发射信号，只接收地物自身发射的微弱微波热辐射。微波辐射计是被动传感器，测量的是亮度温度，其数值取决于地物的物理温度和发射率-12。被动微波遥感的主要问题是空间分辨率有限，因为辐射计的空间分辨率取决于天线孔径与波长的比值-7。
两类微波遥感在应用上形成互补。下表归纳了核心差异：
| 维度 | 主动微波遥感 | 被动微波遥感 |
|---|---|---|
| 能量来源 | 自身发射 | 地物热辐射 |
| 典型载荷 | SAR、散射计、高度计 | 微波辐射计、微波探测仪 |
| 核心测量量 | 后向散射系数、距离、相位 | 亮度温度 |
| 空间分辨率 | 较高（SAR可达米级） | 较低（千米级） |
| 主要优势 | 高分辨率成像、形变测量 | 大气温湿廓线、土壤湿度 |
| 典型任务 | 高分三号、Sentinel-1 | 风云三号MWRI、SMOS |
主动微波遥感：从成像到测高
主动微波遥感通过发射信号并分析回波来探测目标，不同载荷类型的观测对象和输出物理量不同。
合成孔径雷达（SAR） 是最具代表性的主动微波遥感器。它利用卫星运动合成等效大口径天线，在数百公里轨道高度上实现米级分辨率成像-6。SAR图像反映的是地物对微波的后向散射强度，取决于表面粗糙度、介电常数和几何结构。高分三号是中国首颗分辨率达1米的C频段多极化SAR卫星，具备12种工作模式，分辨率1米至500米，幅宽10公里至650公里，功率达万瓦级，设计寿命8年-9。
雷达散射计专门用于测量海面风场。其物理基础是风吹过海面产生毛细波，后向散射系数随风速增大而增强。散射计是“唯一能给出海洋风场的遥感器”-7。海洋二号卫星搭载的微波散射计是中国星载散射计的起点。
雷达高度计测量卫星到海面的距离。通过精确测量脉冲往返时间计算海面高度，精度可达厘米级。海洋二号雷达高度计测距精度优于2厘米（星下点），用于测量海面高度和有效波高。Sentinel-3是全球首颗进行合成孔径测高的卫星，大大提高了测量精度。
频段选择影响主动微波遥感的性能。Ka波段（2.5–40 GHz）分辨率最高可达0.25米，但雨雪衰减明显；Ku波段（12–18 GHz）抗雨性能较好，适合海洋监测；X波段（8–12 GHz）分辨率1–3米，是市面高分辨率SAR的主力；C波段（4–8 GHz）在对海洋、气象和减灾的探测中具有独特优势-6。
被动微波遥感：探测大气与地表
被动微波遥感接收地物自身的热辐射，核心输出量是亮度温度。微波辐射计是被动微波遥感的主要载荷。
大气探测是被动微波遥感最成熟的应用。大气中的氧气和水汽在特定频率有吸收峰——氧气在50–60 GHz和118 GHz附近，水汽在183 GHz附近。不同频率的微波辐射来自不同高度的 atmosphere，通过多频率观测可以反演大气温度和湿度廓线-5-13。微波探测仪是数值天气预报同化系统的关键数据源。ATMS（先进技术微波探测仪）频率范围23.8–183 GHz，22个通道，可实现近全天候的大气温度、湿度廓线测量和降水测量。
风云三号微波湿度计是中国被动微波遥感的代表性载荷。它采用被动微波遥感技术，直接接收大气中水汽等目标自身的微波辐射，经反演得到大气湿度、降水等气象要素。风云三号使中国“首次有了自己的微波遥感气象数据”-3。
土壤湿度与海水盐度是被动微波遥感的另一重要应用。欧空局SMOS卫星是全球第一台采用干涉式微波辐射成像技术的卫星，通过8米口径的Y字形稀疏天线阵列接收地球表面的微波辐射亮温，用于观测土壤湿度和海水盐度-15。微波对土壤介电常数敏感——干燥土壤介电常数较低（约2–3），水的介电常数约80，土壤含水量的微小变化会引起发射率的显著改变。
典型星载任务
神舟四号多模态微波遥感器（中国，2002年）是中国第一台进入太空的多模态微波遥感器，包含雷达高度计、雷达散射计和微波辐射计三种设备，频率范围6.6–37 GHz，探测海洋表面温度、土壤湿度、降水等要素-19。
高分三号（中国，2016年发射）是中国首颗分辨率达1米的C频段多极化SAR卫星，自然资源部为主用户。具备12种工作模式，功率万瓦级，单次连续成像时间近小时量级，设计寿命8年。高分三号03星发射后，星座组网使全球观测最大重访周期从84小时缩短至12小时-9。
风云三号（中国）是极轨气象卫星系列，搭载微波湿度计和微波温度计等被动微波载荷。风云三号微波湿度计采用183 GHz水汽吸收峰进行大气湿度探测，数据被欧洲中期天气预报中心（ECMWF）纳入业务预报模式使用，标志着中国微波遥感数据质量获得国际认可-3。
海洋二号（中国，2011年发射）是中国首颗以微波遥感为主载荷的海洋动力探测卫星，搭载雷达高度计、微波散射计和微波辐射计。在轨运行一年多完成5000多轨探测，使中国成为继美国和欧盟之后第三个具备综合海洋动力环境卫星能力的国家-3。
SMOS（欧洲，2009年发射）是全球首台干涉式微波辐射成像卫星，760公里轨道，8米口径Y字形天线阵列，专门观测土壤湿度和海水盐度，用于研究全球水汽循环和气候变化-15。
常见问题 FAQ
微波遥感为什么能穿透云层？
因为微波波长比云滴和雨滴的粒径大得多。云滴粒径通常在微米量级，而微波波长在毫米至米量级。当电磁波波长远大于粒子尺寸时，散射效应很弱，微波能够“绕过”云滴继续传播。这一特性使微波遥感具备全天候观测能力，不受云层遮挡。可见光遥感的波长与云滴尺寸可比，云层会强烈散射和吸收可见光，导致无法观测地表-6。
主动微波遥感和被动微波遥感有什么区别？
主动遥感自己发射微波信号，接收回波。雷达是典型代表，通过测量回波的时间和强度来获取目标信息。被动遥感不发射信号，只接收地物自身发出的微弱微波热辐射。微波辐射计是被动传感器-1-16。主动遥感的优势是分辨率高（SAR可达米级），可进行精确测距和形变测量；被动遥感的优势是系统相对简单，对大气温湿廓线和土壤湿度敏感。两者在气象、海洋和陆地观测中互补使用。
微波遥感能穿透植被看到地面吗？
取决于频段。X波段（波长约3 cm）只能看到植被冠层表面；C波段（约5 cm）穿透至冠层上部；L波段（约21 cm）可以穿透森林冠层到达地表-6。L波段SAR被广泛用于森林生物量估计和冠层下土壤湿度测量。穿透深度还受植被含水量影响——湿润植被的穿透能力会下降。对于茂密森林，即使是L波段也可能只能部分穿透。
微波遥感的数据为什么比光学数据“难用”？
图像判读难度大是主要挑战。微波图像反映的是后向散射强度，取决于表面粗糙度、介电常数和几何结构，与人类视觉经验不一致。平静水面在微波图像中呈暗色调（镜面反射使回波偏离卫星），粗糙地面则因强后向散射而明亮。斑点噪声是相干成像的固有特征，虽然可以通过滤波抑制，但仍会影响图像质量。此外，微波数据的定量化处理需要专门的辐射定标、几何校正和物理反演算法，对处理人员的技术要求更高。