第4章遥感传感器及其原理B-微波遥感与成像(3)

1、123微波波段毫米波厘米波分米波0.1-1.0mm0.1-1.0cm0.1-1.0mKaK,Ku,X,C,SS,L,P4常见雷达卫星载波常见雷达卫星载波5卫星卫星发射发射波段波段波长波长(CM)频率频率(GHZ)SEASAT1978L23.51.275SIR-A1981L23.51.278SIR-B1984L23.41.282SIR-C/X-SAR1994L/C/X23.5/5.8/3.1Lacrosse1988L、X23.5/3.01.278/10ALMAZ1991L103.1ERS-1/21991/1995C5.75.25JERS-11992L23.51.275RADARSAT-11995

2、C5.75.25XSAR/SRTM2000C5.75.25ENVISAT2002C5.75.25ALOS PALSAR2005L23.51.275RADARSAT-22005C5.75.25COSMO Sky-med2007X3.110Terra SAR-X2009X3.110微波辐射的特征微波辐射的特征-叠加叠加6p 当两列波在同一空间传当两列波在同一空间传播时，空间上各点的振动播时，空间上各点的振动为各列波单独振动的合成。为各列波单独振动的合成。p 任何复杂的电磁波都可任何复杂的电磁波都可以分解成许多比较简单的以分解成许多比较简单的电磁波；电磁波；p 比较简单的电磁波也可比较简单的电磁波也

3、可以合成为复杂的电磁波。以合成为复杂的电磁波。（白光的色散和合成，计算机显示器的工作原理， 混合像元的分解 ）微波辐射的特征微波辐射的特征相干相干7 由两个(或两个以上)频率频率、振动振动方向相同方向相同，相位相同或相位差恒相位相同或相位差恒定定的电磁波在空间叠加时，合成波振幅为各个波的振幅的矢量和。因此，会出现交叠区某些地方振动加强，某些地方振动减弱或完全抵消的现象。这种现象称为干涉干涉。产生干涉现象的电磁波称为相干波。电波天线正是利用电磁波的相干性制成的。正因为微波的相干性，微波雷达图像的像片上会出现颗颗粒状或斑点状的特征粒状或斑点状的特征，这是一般非相干的可见光像片所没有的，也是对解译很

4、有意义的信息。微波辐射的特征微波辐射的特征-偏振与极化偏振与极化8极化极化即电场振动方向的即电场振动方向的变化趋势，变化趋势，线极化线极化是电是电场矢量方向不随时间变场矢量方向不随时间变化的情况，分为化的情况，分为水平极水平极化化和和垂直极化垂直极化。9HH - for horizontal transmit and horizontal receive, VV - for vertical transmit and vertical receive, HV - for horizontal transmit and vertical receive, and VH - for vertica

5、l transmit and horizontal receive.极化的概念和极化类型极化的概念和极化类型水平极化水平极化：电磁波的电：电磁波的电场矢量与入射面垂直场矢量与入射面垂直(入射波入射波与目标表面入射波处的法线与目标表面入射波处的法线所组成的平面所组成的平面)。垂直极化垂直极化：电磁波的电：电磁波的电场矢量与入射面平行。场矢量与入射面平行。10。微波辐射的特征微波辐射的特征-多普勒效应多普勒效应13电磁波因辐射源（或者观察者）相对于传播介质的运动，而使电磁波因辐射源（或者观察者）相对于传播介质的运动，而使观察者接受到的频率发生变化，这种现象称为观察者接受到的频率发生变化，这种现象称

6、为多普勒效应多普勒效应。 类似声波的多普勒效应。类似声波的多普勒效应。 -（合成孔径雷达的工作原理）（合成孔径雷达的工作原理）多普勒效应不仅仅适用于声波多普勒效应不仅仅适用于声波,它也适用于所有类型的波，包括电磁波。科它也适用于所有类型的波，包括电磁波。科学家爱德文学家爱德文哈勃（哈勃（Edwin Hubble）使用多普勒效应得出宇宙正在膨胀的结）使用多普勒效应得出宇宙正在膨胀的结论。他发现远离银河系的天体发射的光线频率变低论。他发现远离银河系的天体发射的光线频率变低,即移向光谱的红端，称即移向光谱的红端，称为为红移红移，天体离开银河系的速度越快红移越大，这说明这些天体在远离银，天体离开银河系

7、的速度越快红移越大，这说明这些天体在远离银河系。反之，如果天体正移向银河系，则光线会发生河系。反之，如果天体正移向银河系，则光线会发生蓝移蓝移。141）、）、能全天候、全天时工作能全天候、全天时工作2 2）、对某些地物具有特殊的微波特征：）、对某些地物具有特殊的微波特征：在微波波段，水的比辐射率为在微波波段，水的比辐射率为0.40.4，冰的，冰的比辐射率为比辐射率为0.990.99；而在红外波段，水的比；而在红外波段，水的比辐射率为辐射率为0.960.96，冰的比辐射率为，冰的比辐射率为0.920.92。3 3）、对冰、雪、森林、土壤等具有一定）、对冰、雪、森林、土壤等具有一定穿透能力。穿透能

8、力。 4 4）、对海洋遥感具有特殊意义：）、对海洋遥感具有特殊意义：适合于海面动态情况（海面风、海浪等）适合于海面动态情况（海面风、海浪等）的观测的观测 5 5）、分辨率较低，但特性明显。）、分辨率较低，但特性明显。 15全天候全天候/全天时工作能力全天时工作能力CSX 对云的透过性对云的透过性（全球日平均云层覆（全球日平均云层覆盖率为盖率为40%-60%） 对雨的透过性对雨的透过性（当波长大于（当波长大于3cm、 大雨倾盆的地区、大雨倾盆的地区、 对微波影响很小）对微波影响很小） 白天晚上工作白天晚上工作一定的穿透性Surface penetration capabilities 穿透深度与

9、穿透深度与 土壤湿度、土壤湿度、 频率、土壤频率、土壤 类型的关系类型的关系对干沙可以穿透对干沙可以穿透几十米，对冰层几十米，对冰层能穿透能穿透100m左右左右LCX1617Landsat andSIR-A imagesof Selimasand sheet,N.W. Sudanpenetrationof clouds18 成像雷达是工作于微波波段，一方面大气对电磁波的衰减与电磁波有关，波长越长，衰减越小。（a）TM影像（b）SAR影像19SIR-A测绘沙特阿拉伯古河道（测绘沙特阿拉伯古河道（1981年）年）Shuttle Imaging Radar不同于可见光和红外的独特探测能力不同于可见光

10、和红外的独特探测能力 微波高度计：大地水准面测量，内波，海面风微波高度计：大地水准面测量，内波，海面风场，海浪高度测量场，海浪高度测量 合成孔径雷达：内波，海底地形，海洋溢油，合成孔径雷达：内波，海底地形，海洋溢油，舰只潜航尾迹，相位变化测量舰只潜航尾迹，相位变化测量20相位测量相位测量-合成孔径雷达干涉测量合成孔径雷达干涉测量 SRTM全球地形三维测量 Landers地震同震形变场Soufriere Hills volcano,Montserrat，UKLanders earthquake1992，natureSRTM全球地形三维测量全球地形三维测量航天飞机雷达地形测绘任务航天飞机雷达地形测

11、绘任务Shuttle Radar Topography Mission2000年2月11日，11天生成全球80%陆地表面DEM（30m,16m）和SAR图像（30m），完成 了人类有文明以来5000年未能完成的使命。2324主动方式主动方式被动方式被动方式1、雷达（侧视雷达）：成像、雷达（侧视雷达）：成像2、微波高度计微波高度计：不成像：不成像3、微波散射计微波散射计：不成像：不成像1、微波辐射计：成像、微波辐射计：成像2、微波散射计微波散射计：不成像：不成像微波散射计微波散射计：测量地物的散射或反射特性：测量地物的散射或反射特性微波高度计微波高度计：测量目标物与遥感平台间的距离，从而准确：测

12、量目标物与遥感平台间的距离，从而准确得知地表高度变化，海浪的高度等参数。得知地表高度变化，海浪的高度等参数。25微波散射计微波散射计 测量地特表面（或体积）的散射或反射特征。测量地特表面（或体积）的散射或反射特征。组成：微波发射器、天线、微波接收机、检组成：微波发射器、天线、微波接收机、检波器和数据积分器。波器和数据积分器。测量散射特性随雷达波束入射角、极化、波测量散射特性随雷达波束入射角、极化、波长变化的规律。长变化的规律。只要能精确测量目标信号强度的雷达，都可只要能精确测量目标信号强度的雷达，都可称做散射计。称做散射计。散射计-小麦散射计-玉米散射计-海风散射计-积雪地基微波散射计应用实例

13、地基微波散射计应用实例 27微波辐射计微波辐射计 微波辐射计主要用于探测地面各点的主要用于探测地面各点的亮度温度亮度温度并生成亮度并生成亮度温度图像。由于地面物体都具有发射微波的能力温度图像。由于地面物体都具有发射微波的能力 , 其发射强度其发射强度与自身的亮度温度有关。通过与自身的亮度温度有关。通过 扫描接收这些信号并换算成对应扫描接收这些信号并换算成对应的亮度温度图的亮度温度图 , 对地面物体状况的探测很有意义。对地面物体状况的探测很有意义。亮度温度是指辐射出与被测物体相等的辐射能量的黑体的温度。是指辐射出与被测物体相等的辐射能量的黑体的温度。FY-3微波辐射计微波辐射计29侧视雷达侧视雷

14、达 雷达成像的基本条件：雷达发射的波束照在目标不同部位时，要雷达成像的基本条件：雷达发射的波束照在目标不同部位时，要有时间先后差异，这样从目标反射的回波也同时出现时间差，才有时间先后差异，这样从目标反射的回波也同时出现时间差，才有可能区分目标的不同部位。有可能区分目标的不同部位。 侧视雷达在随飞行器前进过程中，向侧视雷达在随飞行器前进过程中，向垂直于航线方向（垂直于航线方向（距离向距离向range）发）发射一个很窄的波束，这个波束在航行射一个很窄的波束，这个波束在航行方向（方向（方位向方位向azimuth）上很窄，在）上很窄，在距离方向上很宽，覆盖了地面上很窄距离方向上很宽，覆盖了地面上很窄的

15、条带。的条带。 波束从飞行器较近的距离（波束从飞行器较近的距离（近距点近距点）照射到离飞行器较远的距离（照射到离飞行器较远的距离（远距点远距点）。）。 每个波束，由以一定时间间隔（每个波束，由以一定时间间隔（脉冲脉冲宽度宽度）的具有特定波长的微波脉冲组）的具有特定波长的微波脉冲组成。成。30侧视雷达（侧视雷达（SLR）工作原理）工作原理 雷达发射器通过天线在很短的微秒级时间内发射一束能量很雷达发射器通过天线在很短的微秒级时间内发射一束能量很强的脉冲波，当遇到地面物体时，被反射回来的信号再被天线强的脉冲波，当遇到地面物体时，被反射回来的信号再被天线接收。接收。 由于系统与地物距离不同，同时发出的

16、脉冲，接收的由于系统与地物距离不同，同时发出的脉冲，接收的时间不同。时间不同。 目标目标由近到远由近到远地记录在显示器、胶片上。由于是地记录在显示器、胶片上。由于是距离成像距离成像，目标实际地面距离（目标实际地面距离（地距地距）大于记录在显示器、胶片上的距离）大于记录在显示器、胶片上的距离（斜距斜距）。）。31侧视雷达（侧视雷达（SLR）工作原理）工作原理平台向前飞行，天线交替发射和接收雷达脉冲；在波束宽度范围内，平台向前飞行，天线交替发射和接收雷达脉冲；在波束宽度范围内，地面不同的地物由于距离不同而在不同的时间反射回波。反射回波地面不同的地物由于距离不同而在不同的时间反射回波。反射回波的信号

17、记录一条图象扫描线。返回的信号被天线接收并记录下来。的信号记录一条图象扫描线。返回的信号被天线接收并记录下来。32侧视雷达（侧视雷达（SLR）工作原理）工作原理侧视雷达工作原理侧视雷达工作原理有关术语有关术语A：飞行方向；：飞行方向；B：天底方向：天底方向E：方位向；：方位向；D：距离向；：距离向；C：扫描宽度：扫描宽度A：入射角; B：视角; C：斜距; D：地距;：俯角33侧视雷达（侧视雷达（SLR）工作原理）工作原理侧视雷达工作原理侧视雷达工作原理距离分辨力距离分辨力Pg在侧视方向的分辨率在侧视方向的分辨率距离分辨率距离分辨率 Pg=c /2cos 脉冲持续期脉冲持续期(脉冲宽度脉冲宽度

18、)， 俯角俯角，c光速光速俯角俯角 越大，越大， Pg越大，分辨率越越大，分辨率越低低即：距离越近，距离向分辨率即：距离越近，距离向分辨率越低。越低。A: 近射程(near range); B: 远射程(far range)34侧视雷达（侧视雷达（SLR）工作原理）工作原理3536侧视雷达（侧视雷达（SLR）工作原理）工作原理沿航线方向的分辨率沿航线方向的分辨率方位分辨率、沿迹分辨率方位分辨率、沿迹分辨率 Pa= *R波束波束波瓣角波瓣角， R天线到该像元的倾斜距离天线到该像元的倾斜距离= /l, 波长，波长， l天线长度天线长度 Pa = ( /l)*R天线越长，天线越长， Pa越小，方位分

19、辨率越高越小，方位分辨率越高距离越近，方位分辨率越高；与距离向分辨率变化规律相反。距离越近，方位分辨率越高；与距离向分辨率变化规律相反。提高方位分辨率提高方位分辨率加大天线孔径，波长较短电磁波，缩短观测距离加大天线孔径，波长较短电磁波，缩短观测距离合成孔径技术合成孔径技术。方位分辨力方位分辨力Pa 对于一部机载雷达对于一部机载雷达,假设其脉宽为假设其脉宽为100纳秒纳秒,飞行高度为飞行高度为5千米千米,天线波束宽度为天线波束宽度为3毫弧毫弧(也就是说其天线孔径长约为也就是说其天线孔径长约为波长的波长的300多倍多倍,如对如对X波段雷达波段雷达,波长为波长为3cm,天线长为天线长为9m),可以算

20、出斜距分辨率可以算出斜距分辨率Rr约为约为15m,Ra方位向分辨率方位向分辨率在在45角入射时为角入射时为23m。 将其装在飞行高度为将其装在飞行高度为500千米的卫星上千米的卫星上,则方位向分辨率则方位向分辨率在在45角入射时退化为角入射时退化为2.3千米。如果要通过减小天线千米。如果要通过减小天线波束宽来改善方位分辨率波束宽来改善方位分辨率, 在技术上是非常困难的在技术上是非常困难的,因此因此真实孔径雷达只能是机载的。真实孔径雷达只能是机载的。Rr = (10010-93108)/2 = 15mRa = (3/900) 5000/cos45 = 23m37=波束之脉冲时间越小，距离向分辨率

21、距离向分辨率越高，但太小则发射功率下降，降低后向散射的信噪比脉冲压缩技术脉冲压缩技术理论上增加孔径D就可以提高方位向分方位向分辨率辨率，但实际上难以实现，因为孔径的大小决定了天线几何尺寸的大小合成孔径技术合成孔径技术=38侧视雷达方位向分辨率 Pa = ( / l)*R侧视雷达地距向分辨率 Pg=c /2cos侧视雷达斜距向分辨率 Pr=c /239合成孔径雷达合成孔径雷达 合成孔径雷达与侧视雷达类似合成孔径雷达与侧视雷达类似 , 也是在也是在飞机或卫星平台上由传感器向与飞行方向垂飞机或卫星平台上由传感器向与飞行方向垂直的侧面发射信号。所不同的是将发射和接直的侧面发射信号。所不同的是将发射和接

22、收天线分成许多小单元收天线分成许多小单元 , 每一单元发射和接每一单元发射和接收信号的时刻不同。由于天线位置不同，记收信号的时刻不同。由于天线位置不同，记录的回波相位和强度都不同。录的回波相位和强度都不同。目的目的：提高微波影像在飞行方向的分辨率。：提高微波影像在飞行方向的分辨率。原理原理：用一个用一个短的天线短的天线产生产生长孔径天线长孔径天线的效果。即用一个小的效果。即用一个小天线沿一直线方向不断移动，在移动中每一个位置发射一个信天线沿一直线方向不断移动，在移动中每一个位置发射一个信号，接收相应发射位置的回波信号，同时存储相位和振幅。当号，接收相应发射位置的回波信号，同时存储相位和振幅。当

23、天线移动了一段距离天线移动了一段距离L之后，存储的信号和长度为之后，存储的信号和长度为L的天线阵的天线阵列所接收的信号非常相似。列所接收的信号非常相似。40利用短的天线，通过飞行平台的移动及信号数据处理，产生很利用短的天线，通过飞行平台的移动及信号数据处理，产生很长孔径天线的效果，等于通过加长天线孔径来提高观测精度。长孔径天线的效果，等于通过加长天线孔径来提高观测精度。在沿飞行航迹方向上形成一个天线阵列，并与数据记录和处理过程联系在在沿飞行航迹方向上形成一个天线阵列，并与数据记录和处理过程联系在一起。一起。在不同位置接收同一地物的回波信号，信号得到的时间不同，相位和强度在不同位置接收同一地物的

24、回波信号，信号得到的时间不同，相位和强度不同，形成相干影像。经过复杂的处理，得到地面的实际影像。不同，形成相干影像。经过复杂的处理，得到地面的实际影像。41SAR在每一个位置都记录回波信号，在每一个位置都记录回波信号，针对同一地物，目标和飞行器间距针对同一地物，目标和飞行器间距离不同、相位不同、强度不同，此离不同、相位不同、强度不同，此外还要产生多普勒效应，频率也会外还要产生多普勒效应，频率也会发生变化。发生变化。处理器针对不同的相位进行相移补处理器针对不同的相位进行相移补偿（聚焦补偿，补偿不同位置之间偿（聚焦补偿，补偿不同位置之间的相位差异），再将每个位置接收的相位差异），再将每个位置接收的

25、信号叠加起来，就形成了最终的的信号叠加起来，就形成了最终的合成孔径雷达信号。合成孔径雷达信号。理论计算表明，合成孔径雷达在沿航迹方向的分辨率为： ra =l/2 l为小天线的真实长度。4243 斜距显示的距离压缩 侧视雷达阴影 侧视雷达透视收缩 侧视雷达叠掩距离压缩原理示意图 雷达的雷达的地距地距与与斜距斜距图像图像 距离分辨率距离分辨率：脉冲宽度、波：脉冲宽度、波速一定时，距离分辨率与雷速一定时，距离分辨率与雷达俯角或当地入射角有关。达俯角或当地入射角有关。 地距地距A=B=C，在斜距图像上，在斜距图像上 A1 = Acos a B1= Bcos b 影响回波能量影响回波能量波长不同，复介电

26、常数不同波长不同，复介电常数不同-影响目标反射能力和电影响目标反射能力和电磁波穿透力磁波穿透力当波长为当波长为1cm时，大多数表面是粗糙面，当波长为时，大多数表面是粗糙面，当波长为1m时，很少表面是粗糙面。时，很少表面是粗糙面。当波长为当波长为1cm时，穿透力很弱，当波长为时，穿透力很弱，当波长为1m时，对湿时，对湿土穿透力为土穿透力为0.3m,而对干燥土壤穿透力为而对干燥土壤穿透力为1m。2)、波长、波长 入射角的变化可改变分辨单元的面积入射角的变化可改变分辨单元的面积A。 入射角变化影响平均散射系数入射角变化影响平均散射系数0（）3)、入射角、入射角cos)0()(00ERS-1s sma

27、ller look angle of 23 degrees compared to JERS-1s look angle of 36 degrees.65 组成地物目标的物质性质对雷达回波的影响是很大的，这一组成地物目标的物质性质对雷达回波的影响是很大的，这一性质主要表现为性质主要表现为复介电常数复介电常数，一般说来，复介电常数越高，反，一般说来，复介电常数越高，反射雷达波束的作用越强，穿透作用越小。射雷达波束的作用越强，穿透作用越小。 复介电常数由表示复介电常数由表示介电常数的实部介电常数的实部和和表示损耗因子的虚部表示损耗因子的虚部组组成。所谓损耗因子是指电磁波在传输过程中的损耗或衰减，它

28、成。所谓损耗因子是指电磁波在传输过程中的损耗或衰减，它与物质的传导率有关。与物质的传导率有关。4)、复介电常数、复介电常数 复介电常数相对于复介电常数相对于单位体积的液态水含量单位体积的液态水含量呈线性变化。水分呈线性变化。水分含量低时，雷达波束穿透力大，反射小，当地物含水量很大含量低时，雷达波束穿透力大，反射小，当地物含水量很大时，穿透力就大大减小，反射能量最大。时，穿透力就大大减小，反射能量最大。 在整个微波波段内，水的复介电在整个微波波段内，水的复介电常数量值变化范围为常数量值变化范围为20-80，而大，而大多数天然物质多数天然物质(植被，土壤，岩石，植被，土壤，岩石，雪雪)的介电常数变

29、化范围只有的介电常数变化范围只有3-8，可见水的介电常数之高。可见水的介电常数之高。66p 雷达成像系统一般发射水平极化波，当与地表相互作用时，雷达成像系统一般发射水平极化波，当与地表相互作用时，形成水平和垂直两个分量，可用不同的极化天线去接收，形成水平和垂直两个分量，可用不同的极化天线去接收，形成形成HH和和HV图像；同样有图像；同样有VV和和VH图像。图像。p 粗糙表面同极化粗糙表面同极化HH和和VV没什么区别。光滑表面没什么区别。光滑表面HH比比VV回波信号可以低回波信号可以低15dB。p 对于交叉极化，回波要比同极化低对于交叉极化，回波要比同极化低8-25dB。p 产生交叉极化的过程称

30、为去极化。去极化原因：产生交叉极化的过程称为去极化。去极化原因：平滑表面的镜面反射；平滑表面的镜面反射；粗糙表面引起的多次反射；粗糙表面引起的多次反射；地表趋肤深度层内非均匀物体引起的散射（体散射和地表趋肤深度层内非均匀物体引起的散射（体散射和多路径）；多路径）；地物目标本身的各向异性产生的散射。地物目标本身的各向异性产生的散射。5)、极化方式、极化方式67体散射是当雷达波束穿透地物时，由于地物内部物质的不均体散射是当雷达波束穿透地物时，由于地物内部物质的不均匀性，和连续的空间位置分布，引起体内散射的各向同性。匀性，和连续的空间位置分布，引起体内散射的各向同性。6)、体散射、体散射a:植被散射

31、；植被散射；b:土壤表面散射；土壤表面散射；c:体散射；体散射；d:多路径。多路径。686)、体散射、体散射Short wavelength X-band RADAR energy reflects from canopy surface while long wavelength P-band energy penetrates through canopy and reflects from stems and terrain surface.697)、角反射器效应、角反射器效应当地物目标具有两个互相垂直的光滑表面或有三个相互垂当地物目标具有两个互相垂直的光滑表面或有三个相互垂直的光滑表面时，就形成角