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微文周刊·2022年14期

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时代 栏目

我国又多一颗微波遥感卫星,“微波”是什么呢?

出品:科普中国

制作:王铮

监制:中国科普博览

2022年6月27日23时46分,长征四号丙运载火箭在酒泉卫星发射中心点火升空,随后成功将“高分十二号03星”送入预定轨道,发射任务取得圆满成功。

高分十二号03星是高分辨率对地观测系统国家科技重大专项安排的微波遥感卫星,主要用于国土普查、城市规划、土地确权、路网设计、农作物估产和防灾减灾等领域。

高分十二号03星发射瞬间(图片来源:新华社)

“高分”卫星,“高”的是什么“分”?

顾名思义,这颗卫星是“高分”卫星第十二号,这里的高分可不是指我们考试中的分数,而是“高分辨率”的简称,就像我们看视频有480p、1080p、4k视频,手机、电视画面离我们远了显得很模糊,但分辨率越高看得越清楚。

2010年,国家批准实施了《国家中长期科学与技术发展规划纲要(2006-2020年)》确定的16个重大科技专项,其中就有一项名为“高分辨率对地观测系统”,简称“高分专项”。

这一项目关注的是对地球地面的观测,中国大地广袤,只有居高临下才能一览无余,但卫星飞得高、看的广与不那么清晰之间的矛盾,航拍看得清晰但范围小、不全面之间的矛盾,成为观测地球的一大障碍。

于是,高分专项应运而生,它不是由一两颗卫星或一两台望远镜组成,而是以卫星、平流层飞艇和飞机的高分辨率对地观测系统为基础,完善相应的地面系统,建立数据与应用中心,从而实现不同高度、不同层面全览地面,形成全天候、全天时、全球覆盖的对地观测能力。

我们说的“高分卫星”,就是系统中的一环。

2013年首颗高分一号卫星发射,2018年还发射了同款的高分一号02、03、04卫星,2014年高分二号发射,它具有米级空间分辨率。

随后的高分三号卫星更是高分系统中唯一使用无线电的合成孔径雷达(SAR)卫星,可以无惧云和雨进行全天时、全天候的工作。再往后高分卫星已经到了第十二号,每个号又有几颗卫星,总数已经有几十颗,到了2020年12月6日,我国又发射了高分十四号卫星。

由此说来,“高分专项”真可谓是一个庞大的系统,它们在中国的国土普查、农作物估产、环境治理、气象预警预报、综合防灾减灾和“一带一路”建设等服务国家需求上都打上了“高分”!

微波是一种什么波?

微波是一种电磁波,是我们肉眼能看到的可见光,比如身体发出的红外线,太阳光中的紫外线,都可以看作是电磁波。不过我们一般说到的电磁波,指的是身边用到的无线电波,手机信号就是最典型的一种。

电磁波是电场和磁场在空间中交变的传播,电场和磁场振荡一次是一个周期,每秒能振荡多少次就是电磁波的频率,而电磁波以光速传播,波长就是一个振荡周期电磁波传播了多远,故而波长/频率这一对儿,是电磁波性质的重要参数。

常见的无线电波按照波长可以分段为:

从表中的名称就能看出微波就是指波长很短,短到“微小”。而无线电波其实还有更多精细划分。

无线电波最初主要用在通讯和雷达领域。在第二次世界大战期间(1945年),美国的雷达工程师斯彭塞在做雷达实验时偶然发现口袋里的巧克力块融化发粘,他怀疑是自己的体温引起的,后来在连续多次的试验中才发现了微波的热效应,并进而诞生了微波炉。

(图片来源:veer)

这是一种什么原理呢?

这其实是因为波长较短的电磁波穿透能力强,我们用x射线这类极短波长的电磁波进行人体透视就是这个原理。

与可见光、红外线等不同,微波可以穿透食物,因为电磁场会随着微波传播而变速变化,食物内部的水分子也由此快速振动,而物质的温度正是由构成它的微小颗粒的振动速度决定的,由此食物获得了加热。

其实,在宇宙中到处都有微波,但自然界存在的微波很分散,不能集中加热。

而微波炉核心的磁控管可以产生每秒钟振动24.5亿次的微波,这种肉眼看不见的微波能穿透食物达5cm深。微波可以穿过玻璃、陶瓷、塑料等绝缘材料且不消耗能量,但碰到金属就发生反射,所以咱们微波炉里一般用陶瓷碗而不能用金属碗。

由厨房到太空,微波经历了什么?

说回到高分卫星,它的目标是从数百公里高度的卫星上以高精度、高分辨率来观测地面。但是,正如阴天我们无法透过云层看见太阳一样,如果卫星像咱们肉眼一样接收可见光,或者像地铁检查体温的设备一样探测红外射线,地球周围厚厚的大气云层就会阻碍“视线”。

我们前文说到,波长较短的电磁波穿透能力强。使用微波作为遥感的工具,具有全天候昼夜工作能力,能穿透云层,不易受气象条件和日照水平的影响。此外,它还有穿透植被,探测地表下目标的能力,而它获取的微波图象会有明显的立体感,能提供可见光照相和红外遥感以外的信息。

那么,微波遥感收到的微波,是地面物体自己发射出来的,还是由卫星发射并反射回去的呢?

微波遥感分为主动遥感和被动遥感两类,也就是说主动发射微波并收到回波,以及不发射微波只是被动接收,这两种情况都有。

然而,被动遥感利用微波辐射计或微波散射计等传感器,接收自然状况下地面反射和发射的微波,这种强度毫无疑问很弱,通常不能形成影像,故而微波遥感卫星是要主动向地面发射微波的

当然,由于距离很远,微波强度是很低的,只有卫星上的仪器很敏感才能接收回波,咱们地面的人并不用担心被“煮熟”。

就拿最近发射的高分十二号03星这样的微波遥感卫星来说,它可以从约600千米高的太空中,向地面发射微波,由于微波有很好的穿透性,能穿过大气到达地面,而这些到达地面的微波经过地面物体的反射,将再次被卫星接收,并进行图像的解算和转换,最终就获得高分辨率的地面图像啦。

高分一号卫星把全色影像2米分辨率与多光谱影像8米分辨率融合成高清图像(图片来源:中新网)

不过,尽管卫星的飞行速度对于以光速传播的微波来说差别不大,但图像终归会有几何畸变,这就需要科学家计算并设定雷达对图片处理的方法。

微波与探测目标具有散射、透射、发射等相互作用,可以通过测量这些复杂的效应,来计算反演丰富的信息,例如地表粗糙度、湿度等等。

如前所说,“高分”项目对我们政府治理国家提供了非常多的信息,例如国土普查、城市规划、土地确权、路网设计、农作物估产和防灾减灾等。大家可以看到,中国航天不仅仅是诗与远方,更是与民生紧密相连的,发展航天无疑能使我们的生活越来越美好!

出处:科普中国

栏目:时代

2022-08-15 (

微文周刊 2022年14期

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