微波遥感Word格式文档下载.docx
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发生多次散射.
微波遥感极化
极化:
电波的振动仅在单一平面
水平极化:
电场振动方向平行于水平面（"
H"
极化）
垂直极化:
电场振动方向垂直于水平面（"
V"
HHorVVimageryarereferredtoas'
like-polarised'
;
HVorVHare'
cross-polarised'
.
与地表发生作用后,极化状态可能改变.
背向散射通常为两种极化的混合.
传感器可以设计成只探测H或V极化的背向散射.
依据发射的及接收的极化的差别,可以有四种组合:
HH,VV,HV,VH
地物的微波辐射
地物的微波发射
热扫描波段
8-14m
300K黑体辐射曲线
1m10m100m1000m1000mm
被动
微波
光谱辐射
波长（λ）
传感器所接收的被动微波信号由很多来源的信号（发
射的,反射的和透射的）所组成
1目标的发射;
2大气的发射;
3地表的反射
4从地表下的透射
41
3
2
被动微波传感器
特点:
辐射源多且微弱,需要很大面积的地表来提供能
量,图像细节少;
来自地面的信号受大气干扰小;
不同物体的微波发射率差别往往比红外波段发射率
差别大（如海水的微波发射率一般为0.4,陆地的微
波发射率为0.8）依据微波辐射鉴别地物
波长范围:
0.15~30cm
频率范围:
1~200GHz
中心频率:
1,4,6,10,18,21,37,55,90,157,183GHz
应用:
植被
与空地想比,植被表面的发射较低.而且当植被覆
盖度增加时,微波辐射的水平极化和垂直极化的差
别减小.评估植被覆盖度.
海洋
水的微波辐射通常比较低,发射率随温度及盐分变
化.监测海冰,估计海温.
土壤湿度
液态水吸收微波辐射.因此,湿润的土壤的微波辐
射主要来自表面薄层.对于干燥的土壤,微波辐射
可以来自10倍波长甚至100倍波长深的地里.
对于雪和冰,微波可以透过,我们可以获得被雪或
冰覆盖的地物的信息.
北极地区海冰图.左图:
冬季;
右图:
夏季
利用被动微波遥感海冰
利用被动微波估计陆地及海洋亮温
美国南部陆地及墨西哥湾海水温度
地物对微波的反射
散射镜面反射
角反射
对于长波雷达,地表较光滑,背向散
射小.
同样的地表对于短波雷达就显粗
糙,在雷达图像中由于背向散射
强而显得亮.
微波散射与表面粗糙程度的关系
微波散射与入射角的关系
入射角:
雷达入射波束与地表法线的夹角
ERSSAR数据的入射角是23o,适合探测海洋波浪及其他
海洋表面特征.
大的入射角可以增加林地及空地的对比度.
同一地区不同的入射角可以形成立体图像.
微波散射与地物的介电常数的关系
介电常数:
描述材料的电性质（电容,传导率,反射
率）.通常定义为物体电容与真空电容之比.
自然界一般物体在干燥时,其介电常数在3~8之间,
而水的介电常数接近80.
岩石的介电常数差别很小,很难依据介电常数来区别
不同的类型.
介电常数增加,反射增加.
土壤含水越多,反射越强.
金属物体有很大导电率,故雷达回波信号也很强.
冠层的背向散射与下列因素有关:
散射几何（specular---diffuse）
散射体尺寸分布
冠层下表面反射率
叶面积（densityofscatteringelementsperunitvolume）
极化（垂直极化的背向散射较强）
行结构及方位
冠层背向散射与极化的关
系（L-bandat1.5GHz,C-
bandat5GHz,X-bandat
10.5GHz）
土壤的背向散射与下列因素有关:
雷达俯角（多数土壤近镜面反射）
与土壤含水量正相关
不同土壤湿度时背向散射
的变化
液体水的背向散射:
水的介电常数依赖于:
温度——波长大于10-15cm时,0摄氏度时的介电常数大
于20度.
波长——波长小于10-15cm时,介电常数迅速减小
盐分——波长大于3-5cm时,纯的H20比海水的介电常
数更大
雷达是倾斜照射,水面平静时,背向散射很小,雷达图
像上通常很黑.但当波浪的尺度足够大时,图像也可以
探测到.
冰的背向散射:
冰的介电常数很低（e.g.2.5-6.0）
海冰的介电常数与盐分含量直接相关（greatersalinity=
greaterdielectricconstant）
海冰的介电常数与温度直接相关（highertemperatures
associatedwithgreaterdielectricconstants）
淡水冰的介电常数非常低,容易被雷达穿透
可以识别冰下物质（watervsregolith）
可以探测冰川内部结构
雪的背向散射:
干雪的背向散射比湿雪更大
波长较短时,雪的背向散射大,长波的背向散射小.L
波段基本看不到雪.
对于干雪,雪水当量与背向散射有强的正相关.
利用雷达制作雪水当量图必须选在夜晚（sinceitiswet
duringtheday）
总的来说,背向散射需考虑以下因素:
Physicalfactorssuchasthedielectricconstantofthe
surfacematerialswhichalsodependsstronglyonthe
moisturecontent;
Geometricfactorssuchassurfaceroughness,slopes,
orientationoftheobjectsrelativetotheradarbeam
direction;
Thetypesoflandcover（soil,vegetationorman-made
objects）.
Microwavefrequency,polarisationandincidenceangle.
微波对物体的透射
微波辐射透入物体的深度和介电常数,电阻率及
频率有关
金属有良好的导电性能,微波的穿透系数等于0.
冰和雪是不良导体,因此微波能穿透冰和雪的覆盖,以
探测冰,雪覆盖下的地面情况.
水的介电常数大,微波很难透射.
微波遥感器
Microwaveradiometer:
测量微波区域地球的热辐射.强度与目标的温度与发
射率,反射率及透射率有关.
波长较短.由于能量较低,图像相对'
noisy'
空间分
辨率低,解译复杂.
可以测量视场中大气总的含水量,进行海—冰制图,
估算其他海洋参数（比如表面风及降雨速率）
Radaraltimeter
非成像雷达
垂直入射及接收
高度可以从发射及接收脉冲的时间延迟来推断
Microwavescatterometer
非成像
测量背向散射
在两个或更多方向扫描地表（usuallybymultiplesensors）
主要应用为测量海洋表面的风矢量（thatis,speedand
direction）.基本原理是海洋表面粗糙度的变化由风引起.
虽然不能成像,但也可以在很大的尺度上重建全球的风速
图.
成像雷达（真实孔径雷达—RAR;
合成孔径雷达—SAR）
一般结构
发射机转换开
关
天线
接收机
记录
显示器
脉冲发
生器
脉冲
回波
发射
（1）脉冲发生器产生微波脉冲
（2）发射机
（3）双向通讯器（转换开关）
（4）方向天线把脉冲聚焦成一束
（5）返回的脉冲被天线接收,发送到接收器,进行转换,
放大为视频信号.
（6）数字式记录或实时显示
过程
分辨率
（1）距离分辨率
在垂直于飞行方向上对目标物的分辨能力（所能分辨
的目标间最小距离）.由脉冲宽度（脉冲持续时间）
决定.
地距分辨率Rg
斜距分辨率Rs
θd:
Depressionangle
θ1:
off-nadirangle
Rs:
slant-rangeresolution
C
Rs
τ
=
Rg:
ground-rangeresolution
d
g
R
θ
cos2
C:
speedoflight
τ:
pulsewidth
:
sla
n
t-ra
e
脉冲宽度τ,则在一个脉冲宽度内,电磁波往返距离:
2Rs=Cτ
距离分辨率的物理含义:
脉冲时间为t,两个不同距离的
目标产生两个回波,要使两个回波不完全重叠,才能分
清是哪一个回来的信号,必须有τ<
2r/C
距离分辨率与距离无关.
若要提高距离分辨率,需要减小脉冲宽度.
脉冲宽度小,则S/N降低,需加大发射功率,造成设备
庞大,费用昂贵.
目前一般采用脉冲压缩技术来提高距离分辨率.
脉冲压缩技术（Pulsecompression/De-chirping）
对宽脉冲进行线性调频调制（啁啾—Chirp）,随时间的变化频
率增加.
接收时采用匹配滤波器对先收到的低频信号进行延迟,实现叠
加增强,但脉冲宽度降低.
来自两个相
邻目标的回
波可能重
叠,但重叠
区中两个回
波在某一时
刻的频率不
同,也可以
被分开.
（2）方位分辨率
由波束宽度与目标的距离决定.
波束宽度由天线大小及波长决定.
方位分辨率与天线大小,波长,距离有关,要提高方位分
辨率,需采用波长较短的电磁波,加大天线孔径和缩短观
测距离.这几项措施无论在飞机上或卫星上使用时都受到
限制.目前是利用合成孔径侧视雷达来提高侧视雷达的方
位分辨率.
合成孔径雷达（SyntheticApertureRadar--SAR）
在距离向上,采用脉冲压缩（与真实孔径雷达相同）
在方位上,采用合成孔径原理
合成孔径基于多普勒效应
Dopplereffect:
当目标与观测者之间有相对运动时,观测者接收到
的频率与波源发出的频率不同,二者之差为多普勒
频移.互相接近时,频率增加,远离时频率减少.
波源
θcos
'
V
ffffd==
V<
<
C
合成孔径
原理
方位压缩
实际波束宽度:
β=λ/D
实际分辨率:
L=βR=Ls（合成孔径长度）
合成波束宽度:
βs=λ/2Ls=D/2R
合成分辨率:
Ls=βsR=D/2
合成孔径雷达的方位分辨率与距离远近无关,因此可
以用于高轨道卫星;
分辨率的大小为小天线的一半,这将提供很高的分辨
率.
天线不能太小,因为合成孔径技术的基本原理是:
小天线+信号处理=大天线
缩小天线带来的一切技术问题都由星上的信号处理
系统去解决,这对于星载的信号处理设备要求是很
高的,使之技术复杂化.
微波遥感平台
典型的微波遥感平台:
卫星:
SARsensorshavebeenusedonanumberofsatellites,（Seasat,
ERS-1/2,JERS-1,RADARSAT）
航天飞机:
SIR-A,SIR-B,SIR-C/X-SAR
ERS
EuropeanRemoteSensingSatellite,EuropeanSpaceAgency
ERS-1waslaunchedinJuly1991andERS-2inApril1995.
ERS-1usesaSARinstrumenttoacquireimagesofocean,ice
andlandregardlessofcloudandsunlightconditions.
Othermicrowaveinstrumentsmeasureseastate,seasurface
winds,oceancirculation,seaandicelevels,aswellasthesea'
s
surfacetemperature.
Nearpolarsun-synchronousorbit
Primarilyorientedtowardsoceanandicemonitoring,butwith
anall-weatherhighresolutionmicrowaveimagingcapability
overlandandcoastalzones.
ERS-2ispracticallyidenticaltoERS-1,withtheadditionofthe
GOMEsensorforglobalozonemonitoring.
TheorbitsofERS-1and2aresuchthatERS-2followsthesame
groundtrackasERS-1,exceptfora1-daydelay.Thisprovides
anopportunitytoobtaintandeminterferometricdataofanarea
usingtheSARonthetwosatellites.Thetandemdatahasbetter
coherencepropertythanthedataobtainedfrom35-dayrepeat
passesofasinglesatellite.
Currently,onlyERS-2remainsinactiveoperation.
ERS-1,2Orbit
TypeSun-Synchronous
Altitude782km
Inclination98.5deg
Period100min
RepeatCycle35days
ERSSARInstrumentCharacteristics
Frequency5.3GHz（Cband）
PolarisationLinearVV
Bandwidth15.55MHz
Peakpower4.8kW
Antennaesize10mx1m
Incidenceangle23onominal
Swathwidth100km
Resolution30m（azimuth）,26.3m（range）
RADARSAT
RADARSAT,Canada
RADARSATisaCanadiansatelliteoperatedbythe
CanadianSpaceAgency（CSA）/CanadianCenterforRemote
Sensing（CCRS）forgatheringglobaldataoniceconditions,
crops,forests,oceansandgeology.
ThesatellitewaslaunchedinNovember1995,withthe
launchserviceprovidedbyNASA,USA.
Usingasinglefrequency（C-Band）,theRADARSATSAR
hastheuniqueabilitytoshapeandsteeritsradarbeamover
a500kilometrerange.Userscanhaveaccesstoavarietyof
beamselectionsthatcanimageswathfrom35kilometresto
500kilometreswithresolutionsfrom10metresto100
metresrespectively.Incidenceanglesrangefromlessthan
20degreestomorethan50degrees.
RADARSATOrbit
Altitude798km
Inclination98.6deg
Period100.7min
RepeatCycle24days
Sensor
SAR（SyntheticApertureRadar）:
TheSARisabletooperatein
severalbeammodes:
Standard:
Sevenbeammodeswithincidenceangleranging
from20to49degnominal,100kmswathwidthand25m
resolution.
Wide:
Threebeammodeswithvaryingincidenceangles,
150kmswathwidth.
Fine:
Fivebeammodeswith50kmswathwidthand
resolutionbetterthan10m.
Scansar:
Wideswathwidth（300-500km）withacoarser
resolutionof50to100m.
Extendedmode.
RADARSATOperatingModes
MODE
Resolution（m）
Rangexazimuth
（m）
LOOK
S
WIDTH
（km）
INCIDENCE
ANGLE
（degrees）
Standard25x28410020-49
Wide-148-30x28416520-31
Wide-232-25x28415031-39
Fineresolution11-9x914537-48
ScanSARnarrow50x502-430520-40
ScanSARwide100x1004-851020-49
Extended（H）22-19x2847550-60
Extended（L）63-28x28417010-23
Frequency/wavelength5.3GHz（Cband）/5.6cm
PolarisationLinearHH
Bandwidth11.6,17.3or30.0MHz
Peakpower5kW
Antennaesize15mx1.5m
IncidenceangleModedependent
ResolutionModedependent
RADARSATSARInstrumentCharacteristics
JERS-1
JERS-1（JapaneseEarthResourceSatellite）,Japan
JERS-1waslaunchedinFebruary1992byNASDA
（JapaneseSpaceAgency）.
ThissatellitecarriesaL-bandSARandanopticalsensorfor
generationofglobaldatasetinordertosurveyresourcesand
toestablishanintegratedEarthobservationsystem.
JERS-1Orbit
Altitude568km
Inclination97.7deg
Period96min
RepeatCycle44days
Sensors
SAR（SyntheticApertureRadar）
OPS（OpticalSensor）
升级会员 