我國又多一顆微波遙感衞星，“微波”是什麼呢？_風聞

出品：科普中國

製作：王錚

監製：中國科普博覽

2022年6月27日23時46分，長征四號丙運載火箭在酒泉衞星發射中心點火升空，隨後成功將“高分十二號03星”送入預定軌道，發射任務取得圓滿成功。

高分十二號03星是高分辨率對地觀測系統國家科技重大專項安排的微波遙感衞星，主要用於國土普查、城市規劃、土地確權、路網設計、農作物估產和防災減災等領域。

高分十二號03星發射瞬間（圖片來源：新華社）

“高分”衞星，“高”的是什麼“分”？

顧名思義，這顆衞星是“高分”衞星第十二號，這裏的高分可不是指我們考試中的分數，而是“高分辨率”的簡稱，就像我們看視頻有480p、1080p、4k視頻，手機、電視畫面離我們遠了顯得很模糊，但分辨率越高看得越清楚。

2010年，國家批准實施了《國家中長期科學與技術發展規劃綱要（2006-2020年）》確定的16個重大科技專項，其中就有一項名為“高分辨率對地觀測系統”，簡稱“高分專項”。

這一項目關注的是對地球地面的觀測，中國大地廣袤，只有居高臨下才能一覽無餘，但衞星飛得高、看的廣與不那麼清晰之間的矛盾，航拍看得清晰但範圍小、不全面之間的矛盾，成為觀測地球的一大障礙。

於是，高分專項應運而生，它不是由一兩顆衞星或一兩台望遠鏡組成，而是以衞星、平流層飛艇和飛機的高分辨率對地觀測系統為基礎，完善相應的地面系統，建立數據與應用中心，從而實現不同高度、不同層面全覽地面，形成全天候、全天時、全球覆蓋的對地觀測能力。

我們説的“高分衞星”，就是系統中的一環。

2013年首顆高分一號衞星發射，2018年還發射了同款的高分一號02、03、04衞星，2014年高分二號發射，它具有米級空間分辨率。

隨後的高分三號衞星更是高分系統中唯一使用無線電的合成孔徑雷達(SAR)衞星，可以無懼雲和雨進行全天時、全天候的工作。再往後高分衞星已經到了第十二號，每個號又有幾顆衞星，總數已經有幾十顆，到了2020年12月6日，我國又發射了高分十四號衞星。

由此説來，“高分專項”真可謂是一個龐大的系統，它們在中國的國土普查、農作物估產、環境治理、氣象預警預報、綜合防災減災和“一帶一路”建設等服務國家需求上都打上了“高分”！

微波是一種什麼波？

微波是一種電磁波，是我們肉眼能看到的可見光，比如身體發出的紅外線，太陽光中的紫外線，都可以看作是電磁波。不過我們一般説到的電磁波，指的是身邊用到的無線電波，手機信號就是最典型的一種。

電磁波是電場和磁場在空間中交變的傳播，電場和磁場振盪一次是一個週期，每秒能振盪多少次就是電磁波的頻率，而電磁波以光速傳播，波長就是一個振盪週期電磁波傳播了多遠，故而波長/頻率這一對兒，是電磁波性質的重要參數。

常見的無線電波按照波長可以分段為：

從表中的名稱就能看出微波就是指波長很短，短到“微小”。而無線電波其實還有更多精細劃分。

無線電波最初主要用在通訊和雷達領域。在第二次世界大戰期間（1945年），美國的雷達工程師斯彭塞在做雷達實驗時偶然發現口袋裏的巧克力塊融化發粘，他懷疑是自己的體温引起的，後來在連續多次的試驗中才發現了微波的熱效應，並進而誕生了微波爐。

（圖片來源：veer)

這是一種什麼原理呢？

這其實是因為波長較短的電磁波穿透能力強，我們用x射線這類極短波長的電磁波進行人體透視就是這個原理。

與可見光、紅外線等不同，微波可以穿透食物，因為電磁場會隨着微波傳播而變速變化，食物內部的水分子也由此快速振動，而物質的温度正是由構成它的微小顆粒的振動速度決定的，由此食物獲得了加熱。

其實，在宇宙中到處都有微波，但自然界存在的微波很分散，不能集中加熱。

而微波爐核心的磁控管可以產生每秒鐘振動24.5億次的微波，這種肉眼看不見的微波能穿透食物達5cm深。微波可以穿過玻璃、陶瓷、塑料等絕緣材料且不消耗能量，但碰到金屬就發生反射，所以咱們微波爐裏一般用陶瓷碗而不能用金屬碗。

由廚房到太空，微波經歷了什麼？

説回到高分衞星，它的目標是從數百公里高度的衞星上以高精度、高分辨率來觀測地面。但是，正如陰天我們無法透過雲層看見太陽一樣，如果衞星像咱們肉眼一樣接收可見光，或者像地鐵檢查體温的設備一樣探測紅外射線，地球周圍厚厚的大氣雲層就會阻礙“視線”。

我們前文説到，波長較短的電磁波穿透能力強。使用微波作為遙感的工具，具有全天候晝夜工作能力，能穿透雲層，不易受氣象條件和日照水平的影響。此外，它還有穿透植被，探測地表下目標的能力，而它獲取的微波圖象會有明顯的立體感，能提供可見光照相和紅外遙感以外的信息。

那麼，微波遙感收到的微波，是地面物體自己發射出來的，還是由衞星發射並反射回去的呢？

微波遙感分為主動遙感和被動遙感兩類，也就是説主動發射微波並收到回波，以及不發射微波只是被動接收，這兩種情況都有。

然而，被動遙感利用微波輻射計或微波散射計等傳感器，接收自然狀況下地面反射和發射的微波，這種強度毫無疑問很弱，通常不能形成影像，故而微波遙感衞星是要主動向地面發射微波的。

當然，由於距離很遠，微波強度是很低的，只有衞星上的儀器很敏感才能接收回波，咱們地面的人並不用擔心被“煮熟”。

就拿最近發射的高分十二號03星這樣的微波遙感衞星來説，它可以從約600千米高的太空中，向地面發射微波，由於微波有很好的穿透性，能穿過大氣到達地面，而這些到達地面的微波經過地面物體的反射，將再次被衞星接收，並進行圖像的解算和轉換，最終就獲得高分辨率的地面圖像啦。

高分一號衞星把全色影像2米分辨率與多光譜影像8米分辨率融合成高清圖像（圖片來源：中新網）

不過，儘管衞星的飛行速度對於以光速傳播的微波來説差別不大，但圖像終歸會有幾何畸變，這就需要科學家計算並設定雷達對圖片處理的方法。

微波與探測目標具有散射、透射、發射等相互作用，可以通過測量這些複雜的效應，來計算反演豐富的信息，例如地表粗糙度、濕度等等。

如前所説，“高分”項目對我們政府治理國家提供了非常多的信息，例如國土普查、城市規劃、土地確權、路網設計、農作物估產和防災減災等。大家可以看到，中國航天不僅僅是詩與遠方，更是與民生緊密相連的，發展航天無疑能使我們的生活越來越美好！