被动微波：听雨听风 听万物生 | 观天测地

编者按：从古至今，人类从未停止过探索未知世界的脚步，认知世界的能力和手段与日俱增。中科院之声与中国科学院空天信息创新研究院联合开设“观天测地”专栏，为大家介绍天上地上探索的那些事儿，带来空天信息领域最新进展，普及科学知识。

万物皆有微波辐射信号，这些信号就像“交响乐”，是大自然以独特方式演奏的生命之歌。而被动微波遥感技术就是大自然的“顺风耳”，自然界的一切声音都会传到这只“耳朵”中，让我们感受到自然力量的律动。

微波遥感中的介电常数：大自然的音符

微波的频率在300兆赫-300吉赫之间，波长在1毫米-1米之间，是分米波、厘米波、毫米波与亚毫米波、米波的统称。介电常数是微波遥感中决定物质和电磁波相互作用的物理量，它反映了物质对电磁波的吸收、散射和传导能力。介电常数越高，意味着物质对微波信号的阻碍程度越大，微波信号在物质中传播时会受到更大的衰减。相反，介电常数较低的物质则越能较好的传导微波信号。在微波遥感中，介电常数对于微波辐射与地球表面和大气相互作用的过程至关重要。

被动微波遥感就是通过接收和分析这些不同频率的微波信号，来传递地球表面的特征和属性。不同的物质具有不同的介电常数，例如空气的相对介电常数约为1，冰的相对介电常数约为3-6，水的相对介电常数约为80左右。地表各种物质的组合也会产生不同的介电特性，例如不同含水量土壤的介电常数存在显著差异，不同地物的介电特性及其形态分布都会对微波辐射过程产生影响。

微波辐射计：大自然的倾听者

微波辐射计是一种用于测量微波辐射强度并确定物体辐射特性的科学仪器，如同人类的耳朵，它通过收集“声音”来感知地球的特征与变化。常见的微波辐射计由天线、接收器、检测器、信号处理器以及数据记录和显示系统组成。

其中，天线用于接收来自大气或地面的微波辐射信号，其设计和性能对于接收信号的灵敏度与方向性具有重要影响。接收器是微波辐射计的核心部分，通常包括低噪声放大器和其他电子元件，用于接收和放大来自天线的微波信号。检测器将接收到的微波信号转换为电信号，以便进一步处理和记录。信号处理系统对接收到的微波信号进行滤波、放大、频率转换等处理，以便提高信号质量并提取所需的信息。微波辐射计通常也具有数据记录和显示功能，可以将测量到的微波辐射信号以数字或图形形式显示出来，方便研究人员对微波辐射进行分析和解释。

▲图1 微波辐射计的构成如同人类的耳朵

星载微波辐射计：微波耳聆逍遥行

相比起可见光、热红外，微波的波长更长、信号更弱，因此安装在卫星上的星载微波辐射计空间分辨率通常较低，往往只有几公里至几十公里，但一般具有较强的空间覆盖能力（即幅宽大），能够在2-3天内实现全球覆盖。由于空气的介电常数很低，所以微波遥感具有很强的大气透过能力，使得微波辐射计具备全天候、全天时、全球范围内的观测能力。

微波辐射的星载观测已历经50年发展，首次观测开始于1973年，美国太空实验室（Skylab）搭载S-194被动微波辐射计开展了L波段观测，但仅获得了9轨数据。随后，美国云雨7号卫星（Nimbus-7）搭载SMMR遥感器进行了多频段微波辐射观测，直到1987年终止。之后，美国国防气象卫星（DMSP）系列上搭载的SSM/I、SSMIS遥感器提供了长达30多年的持续观测数据。1997年的热带降雨测量任务卫星（TRMM）搭载的TMI微波成像仪主要用于降水的测量。

进入21世纪以后，随着被动微波数据的广泛应用，各国开始争相开展各种星载计划，数据获取方式不再仅仅局限于传统的多频段真实孔径辐射计，而是开始向对地表土壤水分和海洋盐度具有更高敏感性的L波段方向发展，由此出现了第一颗采用综合孔径技术获取地表微波辐射的欧空局土壤水分和海洋盐度卫星（SMOS），同时也开始发展主被动协同观测的星载遥感器，如美国的水瓶座海洋盐度卫星（Aquarius/SAC-D）和土壤水分主被动探测计划（SMAP），以期获得更高的地面空间分辨率或者产品精度。

▲图2 搭载被动微波辐射计的卫星发展情况

水循环微波遥感：临风听雨传墒情

水是生命之源，地球上的水循环过程是维持生态健康和人类文明的基础。在全球变化背景下，水循环的过程和水资源的储量复杂多变，水旱灾害频发，为生态保护和水资源管理带来巨大挑战。微波遥感可以“倾听”水是如何在地球上不断循环、转移和重新分配的，为研究人员认识水循环的机制和时空变化规律提供重要工具。

在海风的作用下，海面会形成不同的波浪，风浪越大，海洋表面的粗糙度越大，由此影响微波辐射的强度。我国“海洋二号”卫星搭载的微波辐射计就是基于海洋表面粗糙度变化的原理探测海洋风场的。此外，海洋盐度也会显著影响部分微波频段的海水介电常数，我国海洋盐度卫星即通过L波段微波辐射计，探测海洋盐度的变化。

大气中的水汽对不同频率的微波辐射也有不同的吸收特性，通过测量微波辐射在大气中的衰减特性可以推断水汽的含量和分布；当微波穿过降水区域时，它会与降水中的水滴或雨滴发生散射和吸收作用，通过测量微波辐射或散射的强度变化，推断出降水的强度和分布。例如我国“风云三号”G星就可协同主被动微波观测来反演降水参数。

此外，微波辐射可以透过植被覆盖层直接作用于土壤表面，通过测量陆表的微波辐射信号，可以推断不同土壤的水分含量。我国规划设计的陆地水资源卫星即可利用L波段对植被的强穿透能力，获取全球范围的高精度土壤水分（墒情）。

冰冻圈微波遥感：卧冰听雪话冻融

通过接收和分析微波辐射信号，还可以细致记录和解读冰冻圈（海冰、积雪和冻土等）中各种要素的变化。

被动微波遥感在极地的海冰覆盖密度、厚度探测等方面有着不错的应用。微波辐射在穿过海冰时，会与海冰表面的冰晶发生相互作用，海冰密集度越高，冰晶越多，从而导致微波辐射的强度增加。微波辐射在穿过海冰时还会与海冰底部的海水、海冰下表面发生相互作用，通过测量微波辐射在海冰中的衰减情况即可推断海冰的厚度。

不同微波频段下微波辐射对积雪颗粒的散射、吸收和透射特性不同，微波辐射在与雪粒和空隙的相互作用过程中会发生衰减，其强度反映了积雪的变化。此外，积雪消融与冻土融化主要牵涉到固态冰和液态水之间的转换，而冰和水之间的介电常数差异巨大，在微波辐射上也存在显著变化，因此微波遥感也成为探测积雪融化以及冻土消融的重要手段。

生物圈微波遥感：碳水相融万物生

被动微波遥感是生物圈研究的强大工具。例如，当植被的类型和结构、植被含水量和生物量发生变化时，就会引起微波辐射特性的变化。此外，不同频段的微波与植被不同部分的相互作用机制不同，如长波段对植被茎秆的作用更为显著，而短波段则对植被的冠层和叶片作用更为显著，因此研究人员会运用多波段协同观测来全面监测植被的水分和生长状态。通过测量和分析微波辐射信号，研究人员可以揭示生物圈的各种奥秘，还可以进行全球碳平衡、气候变化以及生态系统的功能等方面的研究。

▲图3 微波辐射传输过程（左为冬季，右为夏季）

来源：中国科学院空天信息创新研究院