由姜景山、吴一戎、金亚秋主编的《空间微波遥感研究与应用丛书》第一批10部专著^［1-10］，已由科学出版社在2019~2020年先后正式出版。

遥感从光学影像开始，经过对水汽特别敏感的多光谱红外辐射遥感，发展到了全天时全天候的微波被动与主动遥感。被动遥感获取电磁辐射值，主动遥感获取电磁回波。遥感数据与图像不仅是获得这些测量值，而是通过这些测量值，反演重构数据图像中内含的天、地、海目标多类多尺度、多维度的特征信息，进而形成科学知识与应用，这就是“遥感—遥远感知”的实质含义。因此，空间遥感从各类星载遥感器的研制与运行到天地海目标精细定量信息的智能获取，是一项综合交叉的高科技领域。

在1970~1980年代，中国的微波遥感从最早的地基与车载微波辐射计研制、雷达技术观测应用等开始，开展了大气与地表的微波遥感研究。1992年作为“九五”规划之一，我国第一个具有微波遥感能力的风云气象卫星三号A星开始前期预研，多通道微波被动遥感信息获取的基础研究也已经开始。当时，我们与美国早先已运行的星载SMMR微波遥感差距大概是30 a。

自上世纪“863”国家高技术研发计划开始，合成孔径雷达的微波主动遥感技术调研和研制启动。

自2000年之后，中国空间遥感技术得到了十分迅速发展。中国的风云气象卫星、海洋遥感卫星、环境遥感卫星等微波遥感技术相继发展，覆盖了可见光、红外、微波多个频段通道，包括星载高光谱成像仪、微波辐射计、散射计、高度计、高分辨率合成孔径成像雷达等被动与主动遥感星载有效载荷。空间微波遥感信息获取与处理的基础研究和业务应用得到了迅速的发展，在国际上已占据了十分显著的地位。

现在，我国已有了相当大规模的航天遥感计划，包括气象、海洋、资源、环境与减灾、军事侦察、测绘导航、行星探测等空间遥感应用。

我国气象与海洋卫星近期将包括星载新型降水测量与风场测量雷达、新型多通道微波辐射计等多种主被动新一代微波遥感载荷，具有更为精细设置的通道与高时空分辨率，多计划综合连续地获取大气海洋及其自然灾害监测、大气水圈动力过程等遥感数据信息，以及全球变化的多维遥感信息。

中国高分辨率米级与亚米级多极化多模式合成孔径成像雷达SAR 也在相当迅速地发展，在一些主要的技术指标上日益接近国际先进水平。干涉、多星、宽幅、全极化、高分辨率SAR都在立项发展中。我国嫦娥探月、天问火星计划等空间遥感与深空探测技术也在令人瞩目地发展之中。

我国正在建成陆地、海洋、大气三大卫星系列，实现多种观测技术优化组合的高效全球观测和数据信息获取能力。空间微波遥感信息获取与处理的基础理论与应用方法也得到了全面的发展，逐步占据了世界先进的行列。

如果说，21世纪前10 a中国的遥感技术正在追跑世界先进水平，那么正在到来的20~30 a将是与世界先进水平全面的“平跑与领跑”研究的开始。

为了及时总结我国在空间微波遥感领域的研究成果，促进我国科技工作者在该领域研究与应用水平的不断提高，姜景山、吴一戎、金亚秋主编了“空间微波遥感的研究与应用”丛书。第一批专著10本包括了5本SAR雷达遥感、3本气象与海洋遥感、1本行星微波遥感、1本高光谱图像处理。今后还将有一些专著，如城市遥感的干涉SAR雷达等，将后续出版。

为了让与遥感科技相关的广大科研工作作者了解这些专著，本文对这10本专著予以意义介绍述评。

全天时全天候高分辨率多模式多极化星载合成孔径成像雷达（SAR），已成为空间微波遥感最主要的研究方向之一。在发展高分辨率SAR多维度信息感知技术中，能够获取单航大幅宽图像对于满足对地快速精细大区域侦察等应用需求是十分重要的。

但是，宽幅SAR要求低脉冲重复频率，而高方位分辨率要求高脉冲重复频率（PRF），两者是相互制约的。因此，突出实现宽幅SAR利用空间采样来代替时间采样，降低PRF，而利用方位空间高采样，保证方位空间分辨率。

专著系统地总结了我国星载SAR高分辨率宽幅成像的研究成果。内容包括：

高分辨率宽幅星载SAR实现体制、其系统原理与约束难题、宽幅成像模型及其轨道理论、姿态控制、斜距模型等；特别是我国的多子带技术实现高分辨率成像的系统工作模式、主要问题与解决方法，我国在该方向所做的重要技术突破以及相关验证等研究成果，为我国高分辨率宽幅成像相关型号的发展，解决了重要瓶颈技术问题。

专著总结的研究工作得到国家高分重大科技专项、国家重点研发计划、航天专项预研等多项国家科研计划的支持。其中方位多通道技术成果获得军队科技进步一等奖，高分辨率成像方面的成果获得国防科技进步一等奖。在国际上，也得到德国宇航局、加拿大等国科学家多方面的高度评价。

SAR高分辨率成像技术在环境监测、灾害评估、地形测绘、军事侦察、武器精确制导等方面有着十分重大的应用，是我国战略高技术之一。随着高分辨率多模式SAR技术的发展，所获取海量多波段、多极化、多成像模式的SAR数据，通过人工判读获取目标内在特征信息是极其耗时的，甚至是无法实现的。内在的多维度信息也是人工视觉感受都所做不到的。现在计算机智能解译技术还主要局限于光学视觉图像判读的初始阶段，不能满足多模式SAR目标监测的实际需求。

近年来，人工智能技术的蓬勃发展极大地鼓舞了SAR图像智能解译算法的研究。作者在国际上第一次提出了“物理智能”与“微波视觉”的新概念。在这个研究方向上，本专著总结了作者团队近5年来的研究成果。

从深度学习基本原理到SAR图像智能目标识别、地物分类、多极化SAR图像重构等，详细地介绍了深度学习算法在SAR图像解译领域的应用。对于SAR对地目标智能识别方面，介绍了地面车辆与机场飞机的检测识别，全卷积网络与小波散状网络在公开数据集MSTAR上均取得了优异的结果。在地海目标检测方面，提出了高精度机场检测和海陆分割的算法，有效地降低目标检测虚警与计算量（图2）。

基于SAR图像目标数据集样本不足，提出了适用于SAR 图像的零样本学习、少样本学习方法，基于生成网络的数据增强方法以及自动地为目标构建特征空间的方法，解决SAR图像数据源不足条件下目标识别问题。

因成像机理不同，SAR图像不如光学图像易懂，为了提高SAR图像的目视效果，建立了一种单极化重构全极化SAR图像、SAR图像翻译成光学图像的互译研究（图3）。

专著总结的研究工作得到国家级基础加强的微波视觉项目、国家重点研发计划、国家自然科学基金重大项目、多项国家自然科学基金项目（如：基于数值散射模拟与机器学习的SAR自动目标识别研究、散射机制成像与SAR目标重构、三维电磁散射机理及微波视觉信息感知逆问题）的支持撑。在2019年12月，作者团队还获得了航天系统部组织的首届“天智杯”人工智能挑战赛SAR图像飞机目标检测识别与舰船目标检测两个赛道的冠军。

专著作为作者SAR目标智能信息研究的第一本专著，将在今后研究中继续得到深入研究与应用。

提高SAR数据图像资源的应用能力，关键在于建立系统的SAR图像解译能力。根据我国采集SAR数据的实际能力和SAR图像应用需求，本专著的研究力图建立适合实际应用的SAR图像解译系统。根据作者20 a以上所经历的国家在SAR图像解译领域的研究及应用项目，推出两个实用性强、操作性好的SAR图像解译系统：

（1）基于图像信息挖掘于物理解释的人机分工方式的目视解译系统，其中关键点是特征降维将一个高维度的特征空间映射到另一个低维度空间，以适用于分类器高精度分类。

（2）具有人为干预主动反馈的人机交互方式的目标检索系统， 由模式识别自动处理和判读，再将相关程度的反馈信息送入检索系统用来更新查询，使得搜索更符合用户的真实意图。

专著包括这两个解译系统的应用：斑点噪声抑制、目标特征提取的地物分类、Turbo迭代SAR图像滤波、稀疏域子空间分解等。该专著还给出了一些重要数学公式的命名并索引，为理解和应用操作提供便捷的查阅途径。该专著的一个主要特点是以基本理论为基础，构建了实用的SAR图像信息解译系统为特色。

图4显示出一幅利用“信息可视化系统”构成的地物信息图像。凸显了尤为感兴趣的目标，还根据特定的应用，用红色的深浅度表现出用户关心的地势坡度信息。

利用“SAR图像目标检索系统”，图5给出SAR图像“变化检测”技术得到的变化区域图以及用户需要的土地资源调查图。

该专著的研究工作得到6项国家自然科学基金和2项国家重点实验室的资助，以及一项国际合作项目的支持。作者曾获得法国科技棕榈勋章。

雷达目标成像信息感知在空间目标监测、电子对抗、空天目标电磁一体化信息感知都具有十分迫切重要的应用，这是“认知雷达”重要概念的技术内容。“认知雷达”智能化是雷达技术发展及其空间目标监测的重点方向。

“认知雷达”最大的技术特点是具有闭环反馈系统结构，能够根据接收机到发射机的反馈信息，逐步实现对外界环境的认知，并依据目标、环境等信息来改变发射信号形式和信号处理方式，从而实现对目标的最佳探测。

将认知思想扩展到雷达成像技术中，该专著提出的“认知成像”技术，为有效解决传统成像技术中复杂多目标高效成像难题、提升雷达系统的整体工作性能提供了新的技术途径。该书总结了作者近10 a来完整体系化的研究成果，为提升我国空天目标监测与识别能力提供了理论和方法支撑，同时也将有力推动空天目标压感监测的雷达技术的智能化发展。

专著以空间目标编目、防空反导目标识别等具体应用为需求背景，从空天目标成像基本原理、发射波形认知优化设计、雷达资源优化调度、新体制雷达认知成像、微动目标认知特征提取与成像等方面，进行了详细介绍与阐述，反映了作者团队在该研究领域的最新进展。

图6给出混合多输入多输出MIMO相控阵雷达实现两个目标的瞬时成像，无需进行复杂的运动补偿处理；避免了不同目标的回波混叠，并具有更高的信噪比增益。

本专著的研究工作获得了国家自然科学基金重点项目、多项国家自然科学基金项目以及相关预研项目的支持。

著作以极化散射矩阵为理论基础，着重讨论了基于极化散射特征函数的极化SAR目标分解及其目标检测与识别应用。

专著总结了其作者团队20 a间在极化SAR散射特性分析、散射特征提取及应用方面的成果。这些内容包括：①围绕极化共零点、等功率曲线等新概念的最优极化理论，给出了最优特征极化状态的求解方法及解析公式；②对于目标极化特征的提取，提出了相似性参数、极化熵快速算法、基于极化比的目标分解方法；③为简极化SAR数据处理，基于成分分解的伪全极化数据重建方法；④广义最优极化对比增强新模型及求解方法等。本书从电磁波散射与传输出发，特别介绍了简极化SAR系统的特点，及其实际应用， 包括海面溢油、舰船、机场、港口、桥梁和道路等典型目标的检测方法。

专著的研究得到了多项国家自然科学基金项目的支持。取得的研究成果曾多次受到国内外专家的好评，如：广为传播的法国应用软件“PolSARPro”中采用了本书作者研制的5种算法；美国人、法国人、日本人在其几本专著中都介绍了上述最优极化、目标分解最优极化公式、极化熵计算等。

进入21世纪以来，新一轮的月球、火星等地外星球的科学研究计划相继进行。特别是，我国开展了嫦娥探月工程、火星天问探测工程等，是我国在太阳行星系等宇宙天体科学探测的重大科学活动的开始，是21世纪中国太空科学的一个里程碑。

该专著是国内外第一本行星微波主被动遥感研究的理论方法与应用专著，总结了作者近15 a在月球、火星等星载微波遥感研究的成果。其中包括：

（1）以中国嫦娥1-2号4通道微波辐射计遥感测量全月球表面微波辐射亮度温度为背景，讨论了辐射传输理论建模、数值模拟、数据处理与月壤厚度的反演，实现月壤中氦3含量的估算。比较分析了微波与红外遥感月球数据的不同与融合的诸多科学问题何数据验证。

（2）以Mini-SAR探月和MASIS-SHARD高频雷达探测火星为背景，讨论了雷达探测仪和极化SAR对月球两极永久阴影区的水冰探测、月表面结构与成分、火星表层特征等的研究。建立月表层面散射与石块体散射的理论建模、数值成像模拟和圆极化率数值计算，对国际上一些似是而非的论点予以了订正。针对于中国火星天问探测，本书建立了火星表面与分层结构的雷达回波数值模拟及其分层结构厚度和介电特征反演。

该专著还讨论了小行星运转的雷达观测，对小行星非均匀结构的逆散射成像的数值模拟与非均匀介电结构特征反演分析等。

在深空与地外星球探测中，往往把探测与遥感视为一个概念。“遥感”的感知概念包含了从探测数据到内在特征信息的科学转化。因此，该专著系统地提出了理论建模、数值模拟、定量反演、多模式融合等科学问题的研究。

以该专著为基础，作者的行星微波遥感将改写为英文专著，由国际著名出版社出版。

我国2011年发射的海洋2号（HY-2）开始了我国星载海洋微波遥感的在轨运行与业务应用。面向“十四五”及其后续计划，我国将发射的新型海洋微波传感器的HY卫星系列，本专著针对我国海洋微波遥感发展，整理我国海洋遥感地面数据处理的一些关键技术瓶颈，建立了相对应的研究与反演产品算法。

该专著介绍了干涉成像雷达高度计小入射角情况下，测高误差校正、海面高度、有效波高、海面风速等海洋信息提取等关键技术，已成功应用于在轨运行的天宫2号成像雷达高度计地面应用系统中，获得了海面高度、表层流场、海浪、海面风速等海洋动力环境信息。

该专著详讨论了国产波谱仪散射模型和海浪谱信息提取技术，并为中法海洋卫星的数据处理提供了技术支撑，反演海浪数据产品，及其与光学数据的对比等都获得了很好的精度。对于我国海洋盐度卫星的综合立项，专著还介绍了国产海洋盐度探测器海表盐度主被动联合反演算法和理论模型。专著也讨论了波浪破碎的多尺度全极化粗糙海面微波散射模型，应用于高风速条件下同极化和交叉极化海面微波数值仿真。

该专著的研究成果得到国家重点研发计划“海洋环境安全保障”的支持，部分成果已部分应用于天宫2号成像雷达高度计、中法海洋卫星的波谱仪等数据处理系统建设中，发挥了重要的技术支撑作用。

云和降水是全球水和能量循环中的重要环节，在天气和气候变化中起着举足轻重的作用。云和降水不仅是天气现象，其异常变化也是气候变化的一种指示；反过来也影响区域气候。为了改进天气预报精度和减少气候预测的不确定性，需要使用多种技术手段对全球的云和降水分布进行高时空分辨率的监测。

近20 a，星载降水雷达和云雷达提供了丰富的遥感数据，本专著对星载主动微波遥感云和降水领域近年来的工作做一个简明报告。内容包括：

从云和降水物理学和微波雷达探测原理出发，系统地介绍当代星载微波降水和云雷达的技术与特点，包括在轨近20 a的热带降雨测量卫星单频降水雷达（TRMM PR）、全球降水测量卫星双频降水雷达（GPM DPR）、云卫星单频云廓线雷达（CPR）、将发射的欧洲地球监测云卫星上双频多普勒云雷达（EearthCARE CPR），以及我国正在研发的风云气象卫星上的双频降水雷达。给出星载降水和云雷达各级产品生成的步骤和主要算法，使读者了解不同产品的应用方向。

该专著还讨论了一些新的云和降水的雷达遥感。如：极轨卫星雷达以星下点中心的圆锥扫描观测，刈幅）大于800 km，从而实现三维风场反演。偏振信号的信息也能得到有效的利用，以及对云和降水分类以及粒子谱参数的反演。该专著还讨论了星地多基地雷达。实现多个不同方向的散射观测，来反演降水的平均下落速度和风场等。

最后，对星载降水和云雷达的技术与应用进行一些展望。

该专著的研究工作得到国家重点研发计划“超大城市垂直综合气象观测技术研究及试验”、“近海台风立体协同观测科学试验”，多项国家自然科学基金项目与国防科工局项目的资助。

依托我国风云（FY）气象卫星重大工程，针对国家防灾减灾对我国风云气象卫星大气微波遥感定量应用的重大需求，本专著集中阐述了微波遥感模式中的云雨大气微波辐射传输的数值模拟、多变量大气参数反演方法和风云卫星微波载荷辐射定标等关键技术最新成果。

这些成果不仅支撑了我国风云气象卫星微波载荷遥感数据处理和产品生成业务系统。及其在国家防灾减灾中发挥应用，同时以风云三号微波大气探测仪为代表的国产卫星微波遥感数据得到世界气象组织的认可发布，在世界数值天气预报中心业务同化和中国气象局数值天气预报中心业务同化得到应用。

该专著的研究工作得到国家重大工程：风云三号气象卫星工程、国家973项目、国家重点研发计划等国家重大项目的支持。 “风云三号微波大气参数反演技术”是获得国家科技进步二等奖的成果之一；“风云卫星微波外定标技术”是获得国家科技进步二等奖的成果之一。

红外光谱遥感图像与微波遥感图像的处理有些共同的研究问题，因此本丛书也包括了这本高光谱遥感图像的专著。高光谱遥感图像将光物理成像与光谱技术结合起来，具有“图谱合一”得优势，获得高分辨率高光谱（高达5~10 nm，波段数可达 ）的数据源，应用于对地目标信息的获取、分类与识别。波段数的急增蕴含了巨大的信息源的质变，使得高光谱遥感能探测以往探测不到得谱信息，显著地增强目标识别和精细分类的能力。

由于光谱带宽很窄，须用较大的瞬时视场维持可接受的信噪比。另一方面，高空间分辨率系统瞬时视场很小，须加宽光谱通道。因此，在空间分辨率限制下的高光谱遥感图像中，存在着大量混合像元。

混合像元分解技术的研究来实现亚像元信息的解译、软分类等应用。其核心在于如何结合各种地物特征以及不同的探测要求，从海量且高度相关的高光谱数据中精确地进行地物属性信息的提取。包括了图像恢复（降噪和修复）、降维（特征选择和特征提取）、像元分类、光谱解混、目标探测（光谱匹配和光谱异常目标探测）、图像融合、超分辨、亚像元制图等。

郁郁地物之间的光谱响应复杂，很少为线性组合，更多的是光以及目标间多次散射非线性关系，需要非线性光谱解混的研究，以更为精确的解混结果。该专著从线性解混开始到非线性解混问题的难点展开讨论，总结了作者团队20年的研究成果，系统地整理和介绍了高光谱遥感图像解混的主要理论与方法，反映了当前该研究各分支的研究进展和现状。

该专著的研究工作得到多项国家自然科学基金项目、国家高技术863研究项目等支持。

《空间微波遥感研究与应用丛书》反映了我国微波遥感领域近年来的部分研究成果，可以看出我国空间微波遥感这些年里取得进展的一个脉络，在我国科技发展中起着十分重要的作用，在国际上也占有了显著的一席之地。可喜的是，丛书专著的大部分作者都是在近10年里涌现出来的中国青年学者，取得了很好的研究成果，值得作为学术研究与应用来总结与进一步提高。希望这套丛书以其高质量、高品味向国内外遥感科技界展示与交流，百尺竿头更进一步，为伟大的中国梦的实现贡献力量。