一、电磁波谱与波段划分
地球表面物质会反射或辐射不同波长的电磁波:
- 可见光波段(400-700nm):捕捉物体颜色和纹理
- 近红外(700-1300nm):植被健康监测
- 短波红外(1300-2500nm):矿物识别、土壤水分
- 热红外(8-14μm):地表温度测绘
- 微波波段(1mm-1m):穿透云层、夜间成像
二、传感器核心技术
分光系统
- 棱镜/光栅:通过色散原理分离不同波长(如WorldView-4卫星)
- 滤波片阵列:在焦平面集成微型滤光片(如Sentinel-2的MSI传感器)
- 干涉仪:用于高光谱成像的傅里叶变换技术(如NASA的AVIRIS)
探测器材料
- 硅基CCD/CMOS:覆盖可见光至近红外(0.4-1.1μm)
- 铟镓砷(InGaAs):短波红外(1-2.5μm)
- 碲镉汞(MCT):中长波红外(3-14μm)
- 合成孔径雷达(SAR):主动发射微波并接收回波
三、成像过程
光路传输
- 卡塞格林反射式光学系统减少色差(如Landsat-8的OLI)
- 辐射定标:通过太阳定标器(如MODIS的SD)或黑体校准源(如Landsat热红外传感器)
信号转换
- 光子→电子转换:光电效应产生电荷
- 电荷量化:ADC将模拟信号转为12-16bit数字值
- 典型动态范围:Landsat-8为4096灰度级
扫描方式
- 推扫式成像(Pushbroom):线阵探测器同步扫描(占现代卫星90%)
- 摆扫式(Whiskbroom):旋转镜扫描(如NOAA的AVHRR)
四、多/高光谱数据处理
- 光谱分辨率
- 多光谱:10-20个离散波段(Sentinel-2:13波段)
- 高光谱:200+连续波段(EO-1 Hyperion:242波段@30m)
- 典型应用
- NDVI = (NIR - Red)/(NIR + Red)
- 矿物识别:SWIR波段吸收特征分析
- 海温反演:Split-Window算法校正大气衰减
五、技术演进
分辨率提升
- 空间分辨率:从Landsat-1的80m到WorldView-3的0.31m
- 光谱分辨率:Hyperion达到10nm带宽
- 时间分辨率:Sentinel双星组网实现5天重访
新型传感器
- 光子计数激光雷达(ICESat-2/ATLAS)
- 偏振传感器(PACE/SPEXone)
- 量子阱红外光电探测器(QWIP)提升热灵敏度
六、数据流链路
星上处理:辐射校正、数据压缩(JPEG2000/DWT)
数传系统:X波段(最高800Mbps)、激光通信(如DRAGEN终端达1.8Gbps)
地面站:全球网络(如NASA的NDSN)配合极轨卫星每天4次过境
七、应用实例
- 环境监测:TROPOMI传感器检测全球NO₂分布(0.25nm分辨率)
- 灾害预警:Sentinel-1 SAR穿透云层监测地表形变(毫米级精度)
- 农业普查:PRISMA高光谱数据识别作物病虫害(精度>90%)
卫星遥感技术通过将电磁波谱信息转化为多维数据立方体(空间x光谱x时间),构建了对地球系统的全息感知能力。随着光子集成电路、量子传感等技术的发展,未来将实现厘米级分辨率、小时级更新的全球实时监测网络。