姜景山：微波遥感的现在与未来

（作者：姜景山，中科院空间中心）

姜景山，中国工程院院士，中国科学院空间中心研究员。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，1957年10月4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。

在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1992年4月16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  橙 黄 绿 青 蓝 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，2001年2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米，实际上它已经做到4米，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400个G，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400个G，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！