微波遥感讲课演示文稿-12-1

1、微波遥感微波遥感MICROWAVE REMOTE SENSING PART ISEASATSIR-A SIR-B SIR-CERS-1 ERS-2JERS-1RADARSATENVISATALOS我国发射环境与灾害监测小卫星星座我国发射环境与灾害监测小卫星星座2+2包括两颗雷达卫星包括两颗雷达卫星微波遥感空前发展微波遥感空前发展全天时全天时全天候全天候一定的穿透能力一定的穿透能力提供特殊信息提供特殊信息 海面形状海面形状, 海面风速海面风速, 土壤水分土壤水分提供相位信息提供相位信息 高程信息高程信息, 地形形变信息地形形变信息波长与频率波长与频率 c = f * l = 3 *108 米米

2、/ 秒秒 1mm 300 GHz 1m 0.3 GHz主动与被动工作方式主动与被动工作方式 成像雷达与微波辐射计不利之处不利之处影像几何变形大影像几何变形大, 处理困难处理困难不易解译不易解译与可见光红外影像在几何上很难一致与可见光红外影像在几何上很难一致尤其雷达影像尤其雷达影像电磁波基本特征电磁波基本特征叠加叠加 两波相遇点上的物理量等于各个波的物理量之和两波相遇点上的物理量等于各个波的物理量之和相干性相干性 两波相遇时的特殊情况两波相遇时的特殊情况 ( 相位相位 /相位差相位差 / 频率频率 / 振动方向振动方向 相同相同 ) 相干波相干波 矢量和矢量和 非相干波非相干波 代数和代数和 单

3、色波都是相干波单色波都是相干波衍射衍射 波与某些物体相遇时的情况波与某些物体相遇时的情况极化极化 ( 偏振偏振 ) 电场场强振动方向的变化趋势电场场强振动方向的变化趋势 参考平面参考平面入射波方向和地表法线方向入射波方向和地表法线方向 水平极化水平极化 ( 振动方向与参考平面垂直振动方向与参考平面垂直 ) 垂直极化垂直极化 四种极化方式四种极化方式多普勒效应多普勒效应 发出时频率发出时频率 f 接收时接收时 f 目标朝向目标朝向 f f 背离背离 f 激发态激发态 基态基态 + 能量释放能量释放 ( 辐射辐射 ) 外来能量外来能量E = h*v 黑体与电磁辐射定律黑体与电磁辐射定律普朗克公式普

4、朗克公式 随波长不同的辐射变化随波长不同的辐射变化斯蒂芬斯蒂芬 玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律 某一温度状态下的辐射总和某一温度状态下的辐射总和 ( 普朗克公式的积分普朗克公式的积分 ) 2 5 k 4W = T 4 = T 4 15 c2 h3 维恩定律维恩定律 辐射温度越高辐射温度越高 辐射量最大值所对应波长越短辐射量最大值所对应波长越短 ( 普朗克公式的微分普朗克公式的微分 )瑞利瑞利 金斯公式金斯公式 ( 普朗克公式在波长很长时的表现形式普朗克公式在波长很长时的表现形式 )微波与物质的相互作用微波与物质的相互作用大气干扰大气干扰 一般很小 主要在毫米波吸收中心波长: 氧 2.53mm和5.0

5、mm处 水 1.6mm和13.5mm处散射: 小于2.81cm 大雨、暴雨时M为含水量(每M3 1克)入射电磁波与地表面各类地物的相互作用入射电磁波与地表面各类地物的相互作用微波辐射计 吸收 发射成像雷达 反射 透射 散射反射地表平滑 极化方式与入射波相同关键是反射方向 散射地表粗糙 主要散射分量 保持相干特性关键是后向散射 一部分为同极化, 与入射波极化方式相同一部分为正交极化透射主要在长波复介电常数小 较干燥 地物结构疏松 如沙复介电常数大 则无透射 如水面、铜 折射 波的分解 T E （水平）TM（垂直）反射系数表达式说明信号的不同 微分散射系数（和表面极化发射率）微分散射系数（和表面极

6、化发射率） 入射方向的功率密度 S0 （0 0 ） 地表A接收能量 S0 A 在（0 0 ）方向上的投影面上， 接收的能量 S0 A cos 0 散射方向 （s s ）距A 为R处的功率密度SS若漫反射 在以A为中心，距A为R的球面上的散射能量总和 强调入射方向（接收的信号主要在后向散射方向）地表A的微分散射系数 在入射方向上单位投影面积内的散射率地表A单位面积散射系数 = cos 散射截面 4R2SS /S0 物理意义: 目标的散射 强度可用一表面面积度量表面极化发射率 地表A接收的能量 =散射出去的能量+吸收的能量 （发射能量）散射率 ij 入射极化 i 散射极化 j 表面极化发射率朗伯余

7、弦定律地表散射以地表实际单位面积散射系数表示，与入射角余弦和散射角余弦乘积成正比 0为与地表介电特性有关常量两边同除 (= cos )从入射场和散射场概念图出发，在半球内积分，所有方向上相同。 频率分配频率分配非成像雷达非成像雷达散射计 强度后向散射系数 即定标后的雷达 高度计 与测距雷达原理相同无线电地下探测器 低频率波束 对于某些地物可穿透成像雷达成像雷达微波辐射计微波辐射计输出电压: 直流分量对应输入功率平均值 交流分量噪声低频(高频已滤)微波辐射计 具体公式见第五节与雷达中的接收机不同a. 接收机噪声功率 必须是高灵敏度（因此必须检出 即检出TREC） 雷达信噪比 1b. 自然辐射，各

8、波段都有，接收某一波段。 雷达发射和接收的为单波段。侧视雷达侧视雷达 短脉冲 信号之间必须相差一个脉冲长度才能分开来 距离向分辨力 以半个脉冲长度计（脉冲长度按时间算） 如米波波宽为10度量级厘米波波宽为几度左右考虑双程， Rs = d/2 雷达波频率 S 波速回波频率 (不同时段的相位差）从单位时间周数理解 多普勒频率偏移 对于同一目标的多普勒频率带宽 接收到同一目标信号的时间由频率变化一周时间 （时间分辨率） 方位向分辨率即 卫星运动速度与频率变化一周时间乘积 BA:芭蕉RD:稻茬RC:水稻WT:水体天天 线线天线天线 辐射方向图 方向( (,),)上上单位立体角辐射功率发射、接收皆如此主

9、要方向显著归一化辐射方向图 能量大小相对估计方向系数 能量分布比例 辐射立体角 单位立体角 d =sin d d 辐射源与距它r 处的球面微分dA所开成的立体角 方向图立体角 可以理解为按每一个单位立体角的能量相对大小加权和近似表示为 为xz平面内半功率宽度 天线有效面积 由波辨角 雷达方程雷达方程发射机将电磁能供给天线后，天线获得的总功率为发射机将电磁能供给天线后，天线获得的总功率为Pt天线将电磁波发射出去时，天线将电磁波发射出去时，进入自由空间的电磁波功率为进入自由空间的电磁波功率为 Po一部分能量一部分能量 Pl 在天线中耗散为热能在天线中耗散为热能辐射效率辐射效率 Po l = Pt

10、天线在某一方向天线在某一方向(,)上的增益上的增益 G(,) Sr(,) G(,) = Sri 天线辐射的功率密度天线辐射的功率密度 = 无耗各向同性天线辐射功率密度无耗各向同性天线辐射功率密度无耗各向同性天线辐射的总功率为无耗各向同性天线辐射的总功率为 Poi = 4r2Sri 实际天线辐射的总功率实际天线辐射的总功率由由 Sr(,) 在半径为在半径为 r 的球面内积分得的球面内积分得Po = Sr(,) r2 d = r2Sr(,)d 4 4 ( Po = Sr(,) dA , dA = r2 d)由于由于 Pt = Poi = Po/l ，故有，故有 (由由 Po = Sr(,) r2d

11、 ) Poi Po 1 Sri = = = Sr(,)d 4r2 4r2l 4l 4 4lSr(,) G(,) = = lD(,) Sr(,)d Sr(,)( 由由 = ) Sr(,)max天线辐射功率密度天线辐射功率密度 Sr 与天线输入功率与天线输入功率 Pt的对应关系的对应关系 G(,)Po/r2 Pt G(,) Sr(,) = = 4l 4r2 ( 由由 G(,) = Sr(,) / Sri Sri = Po / 4r2l Pt = Poi = Po/l ) （考虑到散射回程，用不同字母表示功率）（考虑到散射回程，用不同字母表示功率）雷达发射机的发射功率为雷达发射机的发射功率为 W W

12、t t , , 天线增益为天线增益为 G Gt t ，地物目标在与天线相距地物目标在与天线相距 R R 处接收到雷达球面波，处接收到雷达球面波， 则在地物目标处单位面积上所接收的能量为则在地物目标处单位面积上所接收的能量为 W Woror地物目标在获得能量后向雷达天线方向再散射回去地物目标在获得能量后向雷达天线方向再散射回去( 这里未计入大气衰减的影响这里未计入大气衰减的影响 、地物穿透、吸收、地物穿透、吸收。理想状态的分析理想状态的分析。 )如果其有效的散射面积为如果其有效的散射面积为，那么它的总的那么它的总的散射散射功率就应为功率就应为 Wt Gt Woe = 4R2回波同样是球面波，是以

13、地物目标为中心的球面波。回波同样是球面波，是以地物目标为中心的球面波。这样这样，在雷达接收天线处单位面积上的回波功率即为在雷达接收天线处单位面积上的回波功率即为 WWt tG Gt t 1 1 WWrr rr = = 4R 4R2 2 4 4RR2 2如果接收天线的有效面积为如果接收天线的有效面积为 Ar ，那么接收机所接收的回波的总功率为那么接收机所接收的回波的总功率为: Wt Gt 1 Wr = Ar 4R2 4R2 由最大方向系数由最大方向系数 ， 考虑无耗天线考虑无耗天线 (一般说来，雷达天线与发射天线是同一天线，一般说来，雷达天线与发射天线是同一天线，故接收天线增益故接收天线增益 G

14、r 与发射天线增益与发射天线增益 Gt 是相等的，是相等的，它们与接收天线有效面积下波长它们与接收天线有效面积下波长 之间的关系是之间的关系是)所以，有所以，有 W t G 2 2 Wr = (4) 3 R 4 Wt Gt 1 Wr = Ar 4R2 4R2一般用地物单位面积的平均散射系数一般用地物单位面积的平均散射系数o (或地物单位面积的散射截面或地物单位面积的散射截面) 表达地物的散射特性表达地物的散射特性如果雷达波束照射到地物的面积为如果雷达波束照射到地物的面积为 A ，则地物目标总的有效散射截面则地物目标总的有效散射截面为为 = o A对于分布目标的雷达方程为对于分布目标的雷达方程为

15、 W t G 2 2 Wr = o A (4) 3 R 4 灰度方程灰度方程 分辨单元内分辨单元内 可能是同一地物可能是同一地物 可能是不同地物可能是不同地物 或同一地物或同一地物 不同状态不同状态 不同粗糙度的个体或样本不同粗糙度的个体或样本N个样本个样本 随机分布的散射中心随机分布的散射中心 (即即N个个独立样本独立样本) 于是有于是有 归一化高斯随机变量，即其均值为零，方差为归一化高斯随机变量，即其均值为零，方差为1 1。 W Wt tG G2 22 2 P Pr r = A(1 + R = A(1 + Rn n/N)/N)o o = K(1+R = K(1+Rn n/N)/N)o o

16、(4) (4)3 3 R R4 4 其中其中 W Wt tG G2 22 2 K = A (4)(4)3 3 R R4 4回波功率的大小由雷达接收机视频输出信号强度回波功率的大小由雷达接收机视频输出信号强度 I 表示表示即即 I = M Pr M 是接收机的传递函数。是接收机的传递函数。转换为胶片密度转换为胶片密度 D ，有有 D = lgI + lgk 为胶片的传递函数，为胶片的传递函数， k 为胶片和曝光时间有关的常数为胶片和曝光时间有关的常数D = lgo + lgM + lg K + lg k + lg(1 + Rn/ N) ( P ( Pr r = K(1 + R = K(1 + Rn n/N)/N)o o )D = lgo + lgM + lg K + lg k + lg(1 + Rn/ N) 令令 H = lgM + lg K + lg k 则则 D = lg o + lg(1 + Rn / N) + H这个方程表达