经典雷达资料-第12章 地 物 回 波-3.doc

469第12章 地 物 回 波地面和直升机载的散射仪和频谱仪许多地面散射测量都采用安装在吊车和直升机上的测量系统。它们中的绝大多数都是调频-连续波系统6667，并采用大带宽来获取额外的独立抽样数据而非高分辨力。某些系统还采用非常大的带宽来实现好的距离分辨力，以精确定位散射源68。此外，它们中的大多数都具有多种极化能力，因为正交极化的两个接收信号的相位是可测的，某些还有测定极化方式的能力。调频-连续波散射仪的基本组成如图12.20所示。扫频振荡器须产生线性扫频，用钇铁石榴石（YIG）调谐振荡器很容易实现线性扫频，但若用变容二极管调谐则需要线性化电路。如果采用双天线（如图12.20所示），则必须考虑波束重叠问题69。人们有时也采用具有环流器（隔离发射机和接收机）的单天线系统。由于环流器内部反射，以及发射机通过它时的泄漏，单天线系统的某些性能低于双天线系统。 图12.18 有限波束宽度对接近垂直入射 图12.19 天线波束宽度对以入射角为的散射系数测量误差的影响 函数的散射截面积的影响图12.20 调频-连续波散射仪射频部分的基本框图图12.21和图12.22示出调频-连续波散射仪的两种控制和数据处理方法。图12.21为普通的距离跟踪散射仪框图。当雷达和目标间的距离改变时，如用固定雷达观测海面或将雷达放置在直升机上，该系统能用于测量地面的散射系数。若散射仪放置在吊车上则不需距离跟踪仪。但由于距离随着入射角的变化而变化，因而这种方法也是很方便的。图12.22示出一种能在一定空域内测量散射系数的系统。通过分析回波的频谱，使用者可获得不同距离地面的散射系数。该系统已经用于确定植被2527和雪地上的散射源。图12.21 调频-连续波距离跟踪散射仪的基本框图：控制和数据处理系统图12.22 调频-连续波距离识别散射仪的基本框图：控制和数据处理系统超声波在水中的传播可用于模拟电磁波在空气中的传播7072。由于传播速度不同，1 MHz音频对应的波长为1.5 mm。对很多仿真测量来说，这个波长很方便。而且，1 MHz频率范围内的设备操作起来在很多方面比微波范围内的设备容易。显而易见，这种设备比波长为1.5 mm的微波设备操作简单而且经济。音频平面波和电磁平面波满足相同的边界条件。若散射表面不是平面以及当入射角相当倾斜时，声波和电磁波之间的模拟则是无效的。由图像测得的散射系数实际孔径或合成孔径雷达产生的雷达图像可用于散射系数的测量。但令人遗憾的是，大多数的这些系统都是未校准的，因而，它们的结果都或多或少包含不确定因素，甚至在不同时间采集的数据也可能不同。在某些系统中已引入了相对校准1218207375。绝对校准（在某些场合下可能是相对的）可通过使用强参考目标（具有ARC转发器则更好）来实现76。另一种方法则是，用地面或直升机载的已经校准过的系统测量各参考区域的散射系数，然后将雷达图像与这些测量值进行比较7377。双基地测量当发射机和接收机分置时，地物回波的测量比较罕见。这些测量很难在飞机上进行，这是由于发射机和接收机天线必须同时观察同一地面，并且信号必须与已知的天线视角相关。此外，回波的极化方式难于确知，两个天线波束共同照射区域的精确尺寸和形状有时也难以确定。基于这些原因，文献中极少报道过从飞机上对地面所做的双基地测量78。水道试验站（Waterway experiment station）24和俄亥俄州立大学24利用电磁波在实验室中做过双基地测量，堪萨斯大学71利用声波在实验室中也做过同样的测量。贝尔电话实验室做过激光辐射双基地测量79。堪萨斯大学还完成了建筑物C波段双基地测量80。由于天线方向性的问题，绝大部分双基地电磁测量都是前向散射的，也就是说，接收机、发射机、目标都处在同一垂直平面内。声波测量和光学测量较容易在较宽的角度范围内进行，并且人们已经完成了固定的入射角的测量，其散射方向覆盖整个半球。由于发射机功率和接收机灵敏度都必须采用绝对基准，所以在实验室外进行双基地测量时，需要增加复杂的校准。然而，在实验室中则可利用和单基地测量类似的方法。12.6 散射系数的通用模型（杂波模型）20世纪70年代，人们基于散射测量提出一些关于大面积反射地面的平均后向散射模型。特别是，它们包括美国空间实验室辐射计-散射仪（RADSCAT）83的测量和堪萨斯大学车载微波有源频谱仪（MAS）81的测量。在相同数据的基础上，人们提出了两个不同的模型，一个是线性模型，另一个则是用更加复杂方程描述的模型。在此仅给出线性模型。这些模型都是用于计算平均散射系数的，而且模型不包含系数在平均值周围的变化。但是，通过分析航天飞机成像雷达B（SIRB）的数据，人们可估算不同大小照射面积所对应的散射系数的变化。人们掌握不同入射角上雷达后向散射的一般特性已经有几十年了，如图12.23所示。对于类极化波（Like-polarized waves）而言，散射可分为三种角度区域：接近垂直区（准镜面反射区）；1580的中间角度区（平稳区）；接近擦地入射区（阴影区）。交叉极化散射没有独立的准镜面反射区和平稳区，它的平稳区延伸到垂直区，并且由于散射系数太小以至于无法确定是否存在阴影区。图12.23 散射系数随入射角变化的一般特性（引自参考资料21）几乎每一种地形的测量数据都十分符合下面的形式： （12.23a）或 （12.23b）式中，值Ai和qi在接近垂直区和中间区是不同的。图12.24示出这种变化的一个实例。任何理论都不能得出这个结论，但几乎所有的测量数据都十分符合这个模型，并且在相关区域内该模型逼近大多数的理论曲线。这个简单的结论表明，尽管许多遥感应用需要采用更复杂的模型，但是简单的杂波模型仍应得到发展和采用。图12.24 频率为13.8 GHz的微波有源散射仪所测得的耕地数据平均值的回归（1974年和1975年）（引自参考资料82）线性模型82的基础综合了空间实验室（Skylab）在北美的实验结果83和堪萨斯大学利用微波有源频谱仪（MAS）在三个季节内对耕地的测量结果84。空间实验室13.9 GHz的辐射计-散射仪（RADSCAT）在地面上的有效照射区由垂直方向的10 km圆到入射角为50的20 km30 km的椭圆。而1.1 GHz微波有源频谱仪在50时，有效照射区为5.5 m8.5 m，17 GHz则是1.4 m2.1 m，且成百万计的测量结果取平均后应用于该模型。因为空间实验室的数据仅是在一种频率下获得的，并且在该频率下两实验的结果本质上是相同的，因而，模型所呈现的频率响应完全取决于微波有源频谱仪的测量数据。空间实验室的夏季观测包括沙漠、草地、耕地和森林，而堪萨斯大学的测量仅为耕地的测量。但是，栽种季节的初期和后期耕地完全是裸露的，它和夏季的沙漠相似，除了水分含量不同外。在农作物生长的鼎盛时期，耕地茂盛足以使其散射系数与森林的散射系数相似。总之，总的模型似乎代表了夏季北美地面的平均散射系数。该模型的形式为 （12.24a）式中，A,B,C,D对不同极化方式和频率高于和低于6 GHz时取不同值。低于6 GHz的频率响应比高于6 GHz时陡峭得多。此外，当频率高于6 GHz时，它的频率响应与入射角无关，因而D0。而在更低的频率时，频率响应是与角度相关的。当角度小于20时，只有两点是可用的，即0和10，所以在这些点进行频率回归。这些角度的模型为 （12.24b）由于低于6 GHz的频率响应在1975年和1976年不一致，因而，在这两年模型具有不同的常数值。堪萨斯在1976年非常干燥，因此，1975年的值更具有代表性，在此给出两年的参数值见表12.2。图12.25表明，中等入射角的杂波模型是频率的函数。由于垂直极化和水平极化的结果相似，因而，在此只给出垂直极化的图形。表12.2 线性散射模型的常量（夏季*）方程式极化方式角度范围（）频率范围（GHz）常量A或M（ dB）角度斜率B或N（ dB）频率斜率C（ dB/GHz）斜率修正D（ dB/（GHz）12.24a12.24bVVVHHHV,HV,HV,HV,HV,HV,H20602050207020602050207000010101016（1975）16（1976）61716（1975）16（1976）61716（1975）16（1976）61716（1975）16（1976）617-14.3-4.0-9.5-15.0-1.4-9.17.66.40.9-9.1-3.6-6.5-0.16-0.35-0.13-0.21-0.36-0.121.12-0.600.321.24-1.030.25-1.03-0.730.100.51-0.410.070.00510.0360.0150.040*引自Moore,Soofi和Purduski 82。表12.3 大雪覆盖地面测量值的回归结果*时 间极 化 方 式频率范围（GHz）常数A（ dB）角度斜率B（ dB/）频率斜率C（ dB/GHz）斜率修正D（ dB/（GHz）白天夜晚VVHHVVHH181317181317181317181317-10.00.02-11.9-6.6-10.0-10.9-10.5-16.9-0.29-0.37-0.25-0.31-0.33-0.13-0.30-0.0240.052-0.500.550.0011-0.320.700.201.0360.0220.0210.0120.0130.0330.000500.027-0.0069*引自Moore,Soofi,Purduski82。 注：q2070。表中的系数值亦考虑了模型。图12.25 通用的地面散射杂波模型（垂直极化）水平极化与此非常相似。（引自Moore,Soofi,Purduski82）Ulaby根据堪萨斯植被散射数据提出一种不同的、更复杂的模型85。该模型认为，测量数据符合曲线而不是直线。对大多数的应用而言，直线模型已经足够，而且也更容易使用。大雪覆盖草地的直线模型与植被的直线模型相似，它依赖非常有限的数据8687。这些数据仅仅是美国科罗拉多州一个季节地面散射的数据，而且是当雪的厚度达50 cm的数据。这也意味着，当频率低于6 GHz时，电磁波可能穿透雪层到地面。不过，该模型仍显示出在这种重要状态下人们所预测的结果。表12.3给出式（12.24b）所使用的结论性常数。雪地散射几乎完全取决于雪地表层自由水的含量，因而白天潮湿雪地的散射非常弱（雪在太阳光照射下会逐渐溶化），而夜晚干燥雪地的散射则较强。因此，通过比较图12.26所示的测量数据，白天和夜晚须使用不同的模型。在35 GHz频率时，白天和夜晚雪地散射之间的差距是肯定的，但是由于缺乏1735 GHz间的散射数据，因而模型不包括35 GHz。图12.26 雪地垂直极化杂波模型的回归曲线：（a）白天；（b）夜晚注意它们的区别。水平极化时与此相似。（引自Moore,Soofi和Purduski82）尽管森林尚没有特定的杂波模型，空间实验室辐射计-散射仪和海洋探测卫星散射仪的结果表明，亚马逊雨林散射几乎与入射角度无关，即使在接近垂直入射时也如此88。13.9 GHz雷达在33入射角时所测得地面散射的平均值为-5.9 0.2 dB。航天成像雷达（SIRB）的观测表明，1.25 GHz频率也出现这种散射截面积s0的角度无关性，但是由于缺乏统一的标准，限制了人们对该频率下地面散射的了解。上述的模型都是基于一个非常大的观测区域上的平均。在这种情况下，一地与另一地的变化比较小，特别是在中等入射角度时尤其如此。图12.27是天空实验室辐射计-散射仪在北美测量到的最大、最小和平均的地面散射截面积s0 (dB)。在垂直方向附近散射截面积变化较大，这显然是由水面的镜面反射效应引起的。当波束有效照射区面积较小时，s0的变化更大。通过分析航天成像雷达（SIRB）用平均的波束照射面积观测地面散射的变化可得出图12.28的曲线。对于小的波束照射面积，地面的散射变化范围大，系统设计者必须考虑这一点。图12.27 空间实验室（Skylab）散射仪在北美观测到的夏季最大、最小和平均的地面散射截面积s 0(dB)（引自Moore等人，堪萨斯大学遥感实验室技术报告243-12,1975）12.7 散射系数数据早在1972年之前，人们就已在很多计划中着手收集雷达散射系数方面的数据，而实际地面散射的数据非常少见。但是，1972年之后的几个重要计划使之发生了改变，人们现在可利用许多地面散射数据。事实上，它的信息量是如此之大，以至于不可能在一本文献中将它概括总结。因此，这一节仅给出它们的重点和主要的计划。读者可参阅参考资料21,23和114的结果和目录。许多早期的散射系数测量方案都具有参考价值，它们包括海军研究实验室1516、Goodyear航空公司12、Sandia公司（接近垂直入射的数据）8990和俄亥俄州立大学24的测量计划。自1972年以后，最大的一个计划在堪萨斯大学672153576991。此外在法国9、荷兰8、加拿大遥感中心17和瑞士伯尔尼大学（雪地）92也有广泛的测量实验。它们的许多结论出版在国际地球科学和遥感论文集摘要（IGARSS）、IEEE地球科学和遥感协会，以及诸如IEEE地球科学和遥感学报及海洋工程汇刊、国际遥感、环境遥感、摄影测量工程和遥感等杂志中。图12.28