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姜景山:微波遥感的现在与未来
2010-10-26 | 【     】【打印】【关闭

(作者:姜景山,中科院澳门金莎娱乐app)

姜景山,中国工程院院士,中国科学院澳门金莎娱乐app研究员。早年毕业于苏联乌里亚诺夫电工学院,获得苏联工程师头衔,后回国从事中国航天工程的筹建等工作,姜院士在微波遥感等方面有甚深造诣。

我下面讲的时候,尽量说一说,什么叫做微波遥感,因为我们行业不同,你们在某一方面是专家,我在微波遥感这个方面可能是专家,隔行如隔山,很多事情,可能(有)需要沟通的问题,这个是我们的宇宙,宇宙是一个无穷的东西,其中我们有一个太阳系,我们人类就在太阳系里边的,在地球里边很小的一个地方,那么在20世纪,人类做了很好的工作,其中非常具有一个划时代意义的,就是人类进入了太空,1957104号,原苏联发射了第一颗人造卫星,开创了我们人类进入太空的这样一个历史,所以我们研究宇宙,研究太阳系,研究我们地球,已经不是在地球上看自己。

上到天空要看地球,上到天空要看更远的宇宙,那就看得更清楚,我们以往做一个天气预报,大家就知道北京怎么样,天津怎么样,各地方都有自己的(气象)站,这个站(的收据)报来以后,把它汇总起来,但是这个云彩都是在活动的,天气系统是一个全球系统,它不但是跟地球的地面现象有关,跟外边也有关,那么我怎么了解,使得我们整个过程,如果站得高,登高望远,那么站得越高,我看得越宽,那么了解的更深一点,所以人类长期以来希望能够在脱离地球在地球以外某一个轨道上,要看看自己住的地球,也要看看我们的邻居,月球 太阳还有其他的星球,所以20世纪我们做的工作,就是开阔了我们的眼界,然后扩大了我们人类活动范围,不但(在)地球轨道有活动,那么探索了一个整个地球的本质。

21世纪,我们要揭开宇宙的奥秘,进一步研究我们的地球,掌握整个的变化规律,这就需要有一系列的知识和技术做市场,这个是太阳系,那么有,这边太阳,然后比较近的,水星 金星 地球,地球外边有我们自己的卫星在活动 月球,那么人类想了解宇宙,想了解太阳系,但是更重要的是我们要了解自己的地球,这个是实实在在的东西,因为我们生活在这个地球上面,这个地球就是我们要讲的通过遥感,拍出来的这么一个全球的,这样的一个图像,让它转的话都可以看得见,那么这里面我们有海洋,陆地,植被高山河流,和湖泊,人类靠着这样的资源赖以生存的,所以地球给人类创造了一个,我们要世世代代生活在这儿,发展这么一个空间,是非常美好,提供了很好的地方,但是这个地球并不是那么安分,这里边有很多灾害,有自然的,人工的,还有我们面临的是 能源,资源 环境问题,给人类带来很多很多的威胁和影响,所以人类面临这样的问题,我们想方法要解决,我们继续要生活下去,这些问题不解决的话,我们就很难世世代代,子子孙孙生活下去,所以面临这样的问题,我们怎么解决我们能源的问题,我们环境越来越恶化,怎么解决这个问题,灾害那么多,我们怎么解决。

20世纪我们发展了太空技术,也叫宇航技术,那么有了这样的技术以后,我们做了很多很多的科研和技术研究,发现其中有一个就是叫做遥感,那么我今天要讲的是遥感里边的一个片段,这个是我们在地球上产生的台风,这个图是用遥感拍出来的“台风眼”,这个大小,每天天气预报的大小,(我们)都看得见,这就是遥感拍下来的,这个是比较有名的1987年,黑龙江大兴安岭的一个火灾,当时我们用卫星拍下来,把这个资料提供给国家,指导了灭火,以后再进一步,我们的森林让它生长,这是台湾发生的几次大地震,这个是1992416号,台湾的大地震,地震发生的过程,然后我们通过遥感,是从天上要了解为什么发生这个地震,它的变化规律,研究这个东西,那么下边我简单说一说什么叫遥感,遥感就是遥远的感知,那么举例来说,我这个眼睛是非常典型的遥感器,到目前为止,做得再好的,谁都超过不了我的眼睛,我指的是太阳光底下,那么,从我的眼睛作比较的话,现在比较远的地方,我看见了对方,我们的观众们,我都看见了,如果我再远一点,在卫星 几百公里以外的,甚至几万公里,三万六千公里同步轨道上我要看地球,就是很远的距离里边,要感知我们地球的一个现象,这种科学和技术叫做遥感技术,这个名称,中国的语言相当丰富的,遥感一听就知道是遥远感知的意思。

那么这里边有卫星平台,还有飞机,我们这样的仪器,可以放在卫星上面,也可以放在飞机上面,然后它所(拍)摄下来的照片或者其他数据,传到地面来进行分析,我们每天的海洋预报。天气预报,都这么(拍)下来的,那么我们到目前,遥感就在一个电磁波波段里面,那么观众,很多人可能对电磁波是比较熟悉,很熟悉的,我们听广播,传播电视,那么这些东西都是一个电磁波的作用,当然我们接触比较多的电磁波,是可见光,这使我的眼睛能够看物体,这个是它的波段,是0.3(微米)到0.8(微米)左右,在这个频段里边,人的眼睛是很好的遥感器,它是一个电磁波段很短的一部分,再短的是紫外的 光的,大家到医院去照相,X光照相,这个都属于电磁波的,再往长的话,是我们现在广播电台用中波、短波还有长波,再更长一些波长,整个这个波长,这个图上面所说的,都是一个电磁波,这个电磁波不同的波段都有它自己的特性,那么我们利用这样的电磁波的某些特长,要观察我们的目标,我们现在分成三个波段,一个就是可见光,刚才说了,我们照相 摄像,这都是可见光里边的遥感器,还有一个就是红外,红  绿 紫,红(外线)是可见光里边最长的一个波长,再长的话,人都看不见了,但是蝙蝠它的视觉能够覆盖红外的一部分,红色以外的它能够看得见,人类看不见,我们的仪器能够看得见,它有它的波段,再长就是我们的,我们平常大家知道的,微波,这里边是厘米波和毫米波,亚毫米波,这个指的是一个波长的长度,但可见光是微米一级,甚至纳米一级的也有,所以 遥感的过程是这样的,遥感必须由几个方面组成,组成一起的话,首先第一个遥感器,这个遥感器就是我们的眼睛是我们的相机,红外成像仪的相机,雷达,这都是它的遥感器,这个遥感器在空中,获取了目标以后,在上边进行预处理,处理好了以后,传到 也许两个部分,一个在上边,在胶卷里面存储,把胶卷送回来,再处理,这个跟我们(的)相机是一样的,另外一个我把这些数据都传到地面来,在地面处理,处理以后送给用户处理,因为这个图像,一个图像用的也很多,用在森林里边,用在水位里边,用在城市管理里边,用在农业的,农作物的估产,还用在灾害的监测,其中我今天讲的是微波。

这个微波频段一般都是从厘米开始,然后是到毫米,到亚毫米,再短的话,是跟红外线接起来,我把它叫做全球观测的不知疲倦的哨兵,可见光大家知道,灯一关大家谁都看不见了,可见光必须有日光或者是人造光,所以黑夜里它不能工作,或者大家说,黑夜不能工作,我必须黑夜要看呢,所以用了红外,凡是有热的物体,它都能看得见,不论白天黑夜,所以它比可见光能看得时间更长一点,比如说这边停了一个飞机,它飞走了,也许飞走以后,还有三四个小时以后,我照样能够把飞机原来的影子我能照下来,因为飞机停在那儿,它温度和飞机没有停的温度不一样,只要有温差它就能照下来,已经很好了,但它的问题,有了云彩,下雨它就不行,所以它也有局限性,那么怎么办呢,我全天候的全天时的要工作,就是微波,在微波 大部分波段里边,它是全天候能够工作,它不受天气的影响,不受下雨,不受昼夜的影响,所以它是一个全天候的,这三个如果是合起来,一块工作,那全天候都能工作,我们卫星发射了,已经几十年了,我们的遥感也是,这个技术发展也就三十多年,但靠可见光和红外,到目前为止,整个地球上仍然有30%的地方没有图片,而微波遥感是在70年代以后,20世纪70年代以后发生的,自从有了它以后,我们才能拿到全球的图像。

下面简单我介绍一下这个技术怎么回事,微波遥感必须有一个,遥感就像我们照相机一样的,必须有这么个东西,遥感器,那么在我们照相机或者红外都是被动的,我并不是发射什么东西,只要有太阳光、日光我就能照出来,到微波这儿呢,是两个模式,一个 不需要任何外边照射,叫被动式的,我照样能够照相,还有一种像大家知道雷达一样,我照射一个电磁波,一去要它反射回来,因为反射回来它的强弱信号,各种各样无线电参数的变化,我可以测量,所以我们分成被动的和主动的,那么被动我们叫辐射计,那么主动里边,什么叫散射计 高度计 合成孔径雷达,这个专业性太强,我不再介绍。

那么下边我简单说明一下这些东西怎么用法,这个在海洋探测里边用的,海洋(占)我们整个地球60%的面积,甚至还多,那么人类现在,上个世纪我们主要是靠陆地,有了资源,有了食品,现在地球里边的,非再生资源越来越少了,石油越勘探越少,煤越来越少,我们的食物,(因为)人口膨胀,食物越来越少了,怎么办呢,我们现在提出口号向海洋要资源,那我们必须得要研究海洋,要研究海洋的话,海洋的很多动态,我们需要研究的,一般都是浪长 海浪 风长,海洋的风向风速,温度长,海面的温度怎么分布的,流长,海流怎么流法,因为这些东西,跟我们所需要的人类的活动密切相关。

比如说我们出海,必须知道今天的天气,海流往哪儿走,风向应该往哪儿走,不知道这个,他回不来了,另外我们的海洋动物,生物,各种不同的鱼,它跟海洋的温度,海洋的叶绿素的分布,都有关,如果是我们比较准确地掌握了这个东西,我们就,渔民直接到那儿去,所以可以大量地捕鱼,我们国家已经使用这个东西指导海洋的捕鱼,这就是海洋的应用,那么海洋的灾害也比较多了,台风,厄尔尼诺现象,大家听到了,温度异常,反过来拉尼娜现象,这个都是跟人类生活非常非常(密切的),拉尼娜 它是厄尔尼诺的一个反面,厄尔尼诺是温度升温,拉尼娜是降温,那么这个东西,如果我们不了解的话,为什么最近我们天气比较异常呢,跟这个有关,以往我们不知道,现在我们可以准确地预报它,这个开发海洋资源里边,这个图像是海洋的地貌,不但是能够给表面地貌,而且能够给出海底的地貌,这很重要。

因为我们现在大陆架,伸出去,大陆架是我们中国的领土,如果不了解我们  大陆架怎么延伸的,你说少了,我们受损失,说多了,人家笑话你,大陆架延伸多少,这是海面的温度,温度差是很重要的,刚才已经说了,举个简单例子,捕鱼的问题,除了这个以外,厄尔尼诺现象是靠温度和海洋的高度变化探测的,大气,是我们非常关注的,因为我们的空间,海洋大气在空间,那么大气里边 降水,降雨 降雪,这些东西你总得有预报,要预报的话,我需要知道云彩,另外云彩里边的含水量,这个水的颗粒多少,一般的云彩不会下雨的,我们现在说人工下雨,都是掌握了这些知识以后,再添一点,它就下雨了,所以大气探测对人类是至关重要的,我们的天气预报就是靠这个东西,我们遥感比较准确的给出这些数据。

下边就是陆地,我们生活的陆地,陆地应用比较多的是植被的分配,还有风沙,我们现在不是沙化厉害吗,现在遥感就在这儿发挥作用,这个沙眼究竟在什么地方,你说酸雨下来,这个雨从哪儿来,另外我们现在衣食住行,吃的东西,我们每年的农作物 估产,这个是对我们国民经济的发展是相当重要的,我们国家计委为什么到年底才开一个明年的计划会议,有时候年底开不了,到第二年的1月份开会,就等着这个估产,估产准确了,有些东西我可以出口多少,有些我调节粮种,进口多少,这个掌握不住的话,不该出口的出口了,不该进口的进口了,所以我们农业的估产,现在我们做的,小麦的估产做到95%的准确度,水稻 低一点85%左右,玉米 大豆稍微高一点,85%到90%,这已经形成了我们每年向国家(上)报,国务院(上)报的,当然现在预报并不是单纯这个,还有其他途径。

另外一个地震,地震预报是一个世界的难题,现在没有很好的办法,但我们利用这些空间技术,和地质技术,(逐步了解)这些东西,我们逐步逐步地改进,对地震预报能力越来越强,这里边遥感主要是从空中看地面的温度变化,有红外的,也有微波的,另外一个探矿,我们地下有很多油田,怎么发现,打井是最好一次(成功),但不能到处打井,究竟打在哪儿更准确一点,这样大量省经费,省人力,这个遥感技术就提供这个(信息),可能在这个方位有油,你去打吧,下边(是)国际上已经发射的几个典型的遥感器,我们看一看。

这个是带有微波遥感器的第一个海洋卫星,1978年美国发射的,它装的是几个微波遥感器,散射计 雷达高度计等等,这个(是)它上边的一个高度计,这个高度计在一千公里以外,对海面的距离测量精度现在已经达到4.5厘米,相当准确,然后它给出一个海浪的高度,海浪高度10%的精度,那么知道了这个以后,再加上温度,我可以告诉你,  厄尔尼诺现象是不是(正)在形成,这个是叫“GEOSAT”,这个是另外一个高度测量的卫星,这是上边的一个高度计,这个是加拿大的雷达卫星,是专门用雷达的,它主要是观测地面的,加拿大(我有一个同行在搞这个工作),因为加拿大地处北极,冰的分布,这些东西它(能)了解,这个是日本发射的实际上美国研制的,先进的对地观测卫星, 这个是欧洲发射的,欧洲遥感卫星一号,这是它的二号,这个是欧洲发射的专门测量环境的,环境卫星,这个是最新一代的专门高度测量的卫星,上边我比较概念(化)说了说,下边我讲讲中国的发展,中国的遥感发展是(20世纪)70年代初开始的,微波遥感稍微晚一点,到目前为止我们走了三个阶段,最初呢,跟着人家学,把遥感这样概念引入到中国,这个阶段大概是(20世纪)70年代中期,那个时候我们到处宣传,向中央写报告,我们国家应该发展(遥感技术),比人家已经晚了,大概8年左右,第二个阶段,我们已经进入到自己有能力做科学研究和技术系统的开发,这个时间比较长一点,而且国家,正式把这个计划列入到国家的五个五年计划的攻关计划里,所以我们65 75 85 95(计划),现在十五(计划)了,每个五年计划科技攻关里边都有这个内容,第三个,我们不但在地面和在航天航空这一级做了这个工作,而且已经上了卫星,直到我们现在天上发射的气象卫星海洋卫星还有无人飞船“神舟号”,都有这个遥感器,我们的微波遥感器还没有上天,很快的,“神舟”系列里边我们有微波遥感器上天,我是这个微波遥感器的总师,下边我大概有个图,这个是我们研制的2个系列,下边(我)一个一个会说的,那么搞遥感的时候,我必须同样的探测地面的目标特征,因为照相以后,根据图片,我要判(断)一下,究竟这是什么东西,所以地面相应的测量,各种各样的地物的一个特征,所以这里边很多测量,测量农作物,水稻的,高粱的,雪的冰的,这些东西都有,这就是测量海洋,掌握了这个以后,(要)进行数学模型的建立,然后我们的卫星数据下来以后,根据这个东西进行判断,这个是我们做的第一台我们国家的机载散射计,这个是机载高度计,这(是)一个天线了,这个就是我们在农作物的实地测量,目的是掌握它的特征,掌握不住这个特征,估产就比较差劲,农作物的生长,不同期间 不同的阶段,它反映在遥感器里是什么特征,这里边有跟叶绿素有关,水分有关,肥料有关,这是在北京郊外,用大吊车测量我们北京郊外的一个桃树林,桃树当年生产情况,右边这个是我们在湖南测量水稻,当时我们这个车进不去,路比较泥泞,所以当地的农民搭了这个台子,我们的仪器放在上面,做测量用的,这里列的是我们到目前为止做的各种各样的仪器,我们已经做了这么多工作,我们国际上现在,做哪些方面的工作呢,一个 遥感器的发展,是更加集成化,模块化,另外一个小型化,因为大家可能听说过,我们现在的卫星都是几吨几吨的,吨级的卫星 很大,最近正在发展几十公斤的,一百公斤的,五百公斤的小卫星,甚至是由,大概几十克的一个纳卫星,但纳卫星做不了这个工作,但五十公斤以上的小卫星可以做的,那么卫星变得很小,这样发射卫星的周期一两年就可以发射了,不像以前发射一般都是五年以上,卫星要做得小,上边放的仪器一定要小,所以(这是)我们小型化的问题,这个就是我刚才说的,美国最近做的,20012月发射的,一次性的能够给予三维图像,这个非常成功,它高层的精度,(美国)对外公布它做到了10,实际上它已经做到4,我们分析的结果,这样,它把全世界覆盖一遍,那么中国怎么发展,我们已经发展了很多,但是离外国有相当大的距离,但我们现在使劲赶,我们几个原则,第一个原则,中国是一个发展中国家,中国的国力有限,不能跟中国拼经济实力,但是我必须做,所以必须重点突出,不能他有什么我有什么,第二个原则是我们我们国民经济发展需要空间遥感,应该发展这样的工作,所以发展是必须要发展的,尽管没有钱,第三个,我们发展不能亦步亦趋的跟人家走,所以我们叫做跨越式发展,(国外)是一步一步走的,我们第一步做完了以后,从这儿跳过去,一下子做到前沿里边去,我们已经这样做了,所以我们经过这几年以后,有些水平上,已经接近(国外先进水平),这么说吧,我们中国的微波遥感,在亚洲还是第一,国际上大概美国 俄罗斯,欧空局,欧空局跟我们差不多,日本也不如我们,印度不如我们,至少到目前为止,第一个,我们首先要做到,现有的 已有的遥感技术,水平要提高,这是第一个要做的,第二个要扩展我们的频率,刚才我说了,我们现在,中国掌握的频率,到现在为止是8毫米,能够上天的,但这个东西就比起人家来差远了,美国做了多少,已经400G,就是已经到亚毫米,零点几毫米,我们是8毫米,差一个数量级,西欧国家有的已经做到大概是0.5毫米,那我们现在中国,是在这个方面要做到,本世纪的初期,就是2005年以前我们要达到400G,就是0.8毫米左右,然后越来越接近,估计花个十年左右的时间,跟(国外先进水平)差不多,下边就是小型化的问题,刚才已经讲了,第四个我要加强基础研究,基础研究跟不上,你新的技术出不来,你很难有突破性的进展,很难赶上美国,下边是应用研究,我们有了这么多东西,怎么应用法,因为用户我们需要培养,到目前为止有些用户就是看图识字了,图片有了以后就看(图片),这样不行,必须从已经获取的信息和图像里边挖掘出更深层次的信息,中国现在正在做的工作,一个叫多模态遥感器,马上上天了,还有一个是先进模块化的遥感器,还有三维成像的,合成孔径雷达的,我们即将要发射海洋二号卫星,风云系列的卫星,风云系列到目前为止,只有红外,没有微波,而海洋和大气没有微波,是绝对不行的,所以我们已经立项 正在做,我估计过个五年左右,我们海洋卫星,我们的气象卫星,都已经有微波,所以(和)国际上可以相比拟,还有月球的探测,里面我们将准备用微波,还有新的知识,叫空间虚拟遥感,这个是多模态遥感器,这边这个是即将要上天的,遥感器的卫星的一段,这个(是)“神舟”系列里边的,下一次发射就发射它,我是这个系统的总师,这个如果上去的话,对海洋 对大气,我们中国就突破了我们的零,零的突破,在这个水平里边我们有两项是超过美国的,这里边,这个是 现在研究人员都在调整上天的仪器,那么先进模块化是这样的,因为刚才那个,我们三个模态的东西都在这儿,但有的时候,不一定三个都要,所以怎么办呢,就做成模块,需要哪个上那个,这个就是,去年我们的江主席,他们都来参观过这个(模块),这个是我们自己有知识产权的,我们有发明专利的,一个三维成像的高度计,到目前为止,国际上还没有这个东西,我们一次性的,比较小的东西,一成像出来,它就是立体图,不像美国刚才那样,伸出60多米的,那个东西(美国)做得了,我们做不了,我们没那个钱,所以穷人有穷办法,做出来的东西也许可能比别人就好,这是我们今年4月份,第一次试飞,这个图好象不是太好,这个是我们在(陕西)阎良(机场),试飞时飞的,西安(试飞研究所)帮我们飞的,飞得很好,但这个图像不太好在那儿呢,飞机姿态不稳定,这个三维成像,立体成像是非常要求姿态稳定,但是至少证明这个原理通(过)了,所以我们对外宣布我们已经成功了,这里边(就)是,这边这个是  干涉图,有了干涉图以后可以出现三维,进一步处理,下边我们叫综合孔径辐射计,国际上(现在)美国有,丹麦有,我们有,什么意思呢,就是刚才说,有一个被动的,它作用很简单,没有反射计,很简单,但是这个分辨率比较差,我们发展这个技术,它的分辨率能够提高,在地面做之前,这个也是成功的,下面我们就是频率爬高的(问题),刚才说了,我们这个是山后面飞的,也在(陕西)阎良飞,这个(是)我们得到的,黄河和渭河(的遥感图),在(陕西)阎良飞的,叫做“飞黄”,这个图相当漂亮,下边叫空间虚拟,这个是我们第一个提出来的,新的技术,但这个,要发展成真正能应用的,我估计有十年,什么意思,现在我们很多仪器刚才说的做得很大,越来越大,为了提高它的精度,提高它的分辨率,做得很大很大,上卫星有点困难了,怎么办呢,我现在把它分化,放在不同的卫星上面,然后到上边以后,它就虚拟成像,大家知道,我们虚拟用在电影里边很多,本来后边没有沙滩,两个人在那儿打排球,就在这个屋里边,这个后边凭空搞了一个沙滩,好象挺热闹,在沙滩里边打排球一样,一样 这个虚拟技术用在空间里边,那么美国也在研究,我们也在研究,我们希望在这个问题上,跟美国同步,但他有钱,他肯定比我们快一点,但至少我们不会比别人落后十几年,所以如果只要这个成功的话,不但在空间这里边,将来要看非常远的星球,大家知道哈勃望远镜看到150光年以外的一个东西,如果是虚拟成像上去的话,我这个机械拉得非常非常长,几百公里,几千公里,再看星球,那就分辨率很高了,看得很远,所以这个技术很有前途,我们目前现在是大力发展这个问题。

上边,是介绍了一下(遥感的知识),因为我本人不是搞科普工作的,也许讲的,可能是学究性的东西多一点,大家可能很多问题不一定完全听得懂,不过至少,有这么一个概念,那么我们国家现在大力发展这个(技术),我想我们国家在这个领域里边,已经有比较好的开端,总的来看,跟先进国家越来越接近,刚才说了,我们(在)世界上大概第三、第四位,那么只要我们努力工作,我们少花钱(办大事的信心),我们中国的科学家是出名的,中国的技术人员都是能工巧匠,我们有信心,把中国的遥感事业做好,为老百姓的衣食住行(服务),要了解好我们的地球,进一步了解将来的月球,(和)更远的星球,谢谢!

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