微波与微波遥感系统

遥感技术及应用成都理工大学地球科学学院左手（顺时针）右手（逆时针）第三章微波与微波遥感

1、电磁波的基本特征与微波

电磁波具有波长或频率，传播方向，振幅和极化面四个基本物理。第一节电磁波理论与微波

1、电磁波的基本特征与微波

极化

水平极化指电场矢量与入射面垂直；垂直极化指电场矢量与入射面平行。

若发射和接收的都是水平极化（或垂直极化）电磁波，则得到同极化HH(或VV）图像；若发射与接收的电磁波是不同极化的电磁波，则所得到的是交叉极化图像（HV或VH）。

第二节：微波及其特点

1、微波微波是20世纪90年代发展起来的遥感技术；

微波是指波长在0.1mm~1000mm，频率在300MHz~3000GHz范围之间的电磁波，因为它的波长与长波、中波、短波比较起来要“微小”得多，所以称为“微波”。第二节：微波及其特点微波波段划分

BandWavelength,cmFrequency,GHzKa0.75-1.1840.0-26.5K1.19-1.6726.5-18.0Ku1.67-2.418.0-12.5X2.4-3.812.5-8.0C3.9-7.58.0-4.0S7.5-15.04.0-2.0L15.0-30.02.0-1.0P30.0-1001.0-0.3Jensen,2000ResponseofAPineForestStandtoX-,C-andL-bandMicrowaveEnergy第三节：微波遥感及其特点

1、微波遥感

微波遥感就是利用某种传感器接收地面各种地物发射或反射的微波信号，籍以识别、分析地物，提取所需的信息。第三节：微波遥感及其特点2、微波遥感分类

微波遥感设备按工作原理的不同，可分为两大类，一类是主动遥感器，即探测设备主动发射微波信号，然后再接收被探测目标反射或散射的信号来感知被探测的目标。微波散射计、微波高度计、合成孔径雷达（SAR）、真实孔径雷达。

另一类是被动遥感，其工作原理类似于光谱探测设备，即采用高灵敏度的微波接收技术，接收目标本身微弱的微波辐射信号。微波辐射计。第三节：微波遥感及其特点2、微波遥感分类雷达（Radar)，其原意是“无线电探测和测距（Radiodetectingandranging)。雷达能够测量距离、速度和方位等，从回波的强度可以识别目标的性质。散射计和高度计都是雷达的一种，属于非成像的雷达。遥感用的成像雷达有活动天线系统雷达、真实孔径侧视雷达和合成孔径侧视雷达。第三节：微波遥感及其特点2、微波遥感分类活动天线雷达系统最常见的是旋转天线雷达。通过天线的旋转对四周进行成像探测，主要用于军事侦察目的，如预警机等。

侧视雷达是装载在飞行器（飞机或卫星）上，雷达波射向航向测面的成像系统，雷达每发射脉冲所照射的区域，随着飞行器的运行，可以形成一个与航线平行的长条带状雷达图像。第三节：微波遥感及其特点2、微波遥感分类

合成孔径雷达：本世纪五十年代以来，为了提高雷达的分辨力，研制成功了孔径雷达。合成孔径雷达采用新的技术，其地面分辨率不再受制于飞行器飞行高度。

对于真实孔径雷达，要提高空间分辨力，需增大天线尺寸，而对于合成孔径雷达却应缩小天线尺寸。第三节：微波遥感及其特点2、微波遥感分类雷达分为地基、机载、空载、舰载雷达，也可以根据雷达的工作频段、无线类型、所用波形（连续波CW、脉冲PR）等不同特征进行分类；雷达根据其任务或功能分为：气象雷达、截获搜索雷达、跟踪雷达、边跟边扫雷达、火控雷达、预警雷达等等。4、微波遥感的特点

（1）微波穿透云层、雾和雨雪，具有全天侯的能力4、微波遥感的特点

（2）微波对地物具有一定的穿透能力

波长越长穿透能力越强同一种土壤，湿度越小，穿透越深。4、微波遥感的特点

（3）可提供可见光和红外遥感所不能提供的某些信息雷达遥感可以提供复数形式的数据，不仅包括地物反射、散射的回波强度信号，而且包括了回波的相位信息，可以进行干涉测量。第四节微波与物质的相互作用

1、微波与大气

大气衰减作用的程度与大气成分及其物理性质有关，与电磁波长有关，一般电磁波频率越高，大气衰减作用越显著，相反，频率越低，或波长越长，大气衰减可忽略不计。

大气对微波的衰减作用主要有大气中水分子和氧分子对微波的吸收，大气微粒对微波的散射。

第四节微波与物质的相互作用

1、微波与大气（吸收）不同波长时，氧对微波的吸收水气的吸收谱线

氧分子对微波的吸收中心波长位于0.25cm和0.50cm，氧分子的吸收作用较强。一般可采用2.06-2.22mm,3.0-3.75mm,7.5-11.5mm,20mm以上的波长作为微波遥感的窗口。第四节微波与物质的相互作用

1、微波与大气（散射）大气微粒可分为三大类，即水滴（包括云雾、霾和降水）、冰粒和尘埃。它们的散射因微粒大小和电磁波长的相对关系不同而异。

瑞利散射：凡微粒直径比波长小得多时，散射截面积与波长的四次方成反比，即电磁波越短，散射越强；

米氏散射：当微粒直径大于波长时，其散射截面积与波长的n次方成反比（其中n=0,1,2），这种散射称为米氏散射。第四节微波与物质的相互作用

1、微波与大气由水粒组成的云粒子一般直径都很小，不超过100微米，比微波波长要小一两个量级，故对微波的散射满足瑞利散射，但这时候的散射作用比吸收作用小的多，一般可以忽略，故微波在非降水云层中的衰减主要是水粒子的吸收，其衰减系数KC为：

第四节微波与物质的相互作用

1、微波与大气综上分析，在1-300GHz的频带内，随着波长越来越短，微波与大气的相互作用有两个重要转变：

（1）大气对微波能量传输的衰减作用由很弱到很强；

（2）云层微粒和雨微粒的吸收和散射作用从极轻微到十分显著。第四节微波与物质的相互作用

2、微波与地物入射电磁波与地表面各类地物发生相互作用的过程中，在地物表面产生镜面反射或漫反射，并由透射或绕射进入表层以下，在部分或全部被吸收后，可能部分或全部再辐射出去。第四节微波与物质的相互作用

2、微波与地物斯涅尔定律（Snell‘sLaw）:即：光入射到不同介质的界面上会发生反射和折射。其中入射光和折射光位于同一个平面上，并且与界面法线的夹角满足如下关系：

其中，n1和n2分别是两个介质的折射率，θ1和θ2分别是入射光（或折射光）与界面法线的夹角，叫做入射角和折射角。第四节：微波遥感系统主动方式扫描(图像方式)非扫描(非图像方式)微波散射计微波高度计激光光谱仪激光高度计被动型相控阵雷达激光测距仪微波辐射计真实孔径雷达合成孔径雷达

在陆地、海洋和大气微波遥感应用中，常用的有效的传感器包括下列:一、非成像微波传感器1、微波散射计

一般能精确测量目标信号强度的雷达，都可称之为散射计，大多数雷达在校准之后，都能做为散射计使用。一般散射计的组成包括：1）微波发射器；2）天线；3)微波接收机；4）检波器和数据积分器。

其主要功能：测量目标的散射特性随雷达入射角变化的规律，也可用于研究极化和波长变化对目标散射特性的影响。一、非成像微波传感器2、雷达高度计

按定时系统的指令，发射机发出调制射频波束，经转换开关导向线，由天线将波束射向目标，然后由天线收集向天线方向发射或散射回来的那部分能量，再由转换开关引向接收机，将反回的信号进行处理后提供输出数据，以决定往返双程传播延时，因为传播速度已知，由延时测量即可计算目标的距离。二、成像微波传感器1、侧视雷达(Side-LookAirborneRadar,SLAR)侧视雷达S在飞机（或卫星）飞行时间内向垂直于航向的方向发射一个很窄波束，这个波束在航向上很窄，在距离方向上很宽，覆盖了地面上一个很窄条带。二、成像微波传感器2、侧视雷达在航向上，所能分辨出来的两个目标的最小距离称为方位向分辨力。二、成像微波传感器3、合成孔径雷达

最初的合成孔径雷达是五十年代初为军方研制的，成果处于保密状态达到十多年，直到六十年代后期才解密，虽然五十年代后期就开始使用“合成孔径”一词，但当时研制的时候叫做“多普勒波速锐化器”。二、成像微波传感器3、合成孔径雷达基本思想：用一个小天线沿一直线方向不断移动，在移动中每个位置发射一个信号，接收相应发射位置的回波信号存储下来，存储时必须同时保存接收信号的振幅和相位。当天线移动一段距离L后，存储的信号和长度为L的天线阵列诸单元所接收的信号非常相似。三、星载遥感系统1、Seasat-1Seasat-1是海洋研究系列雷达遥感卫星的第一颗，发射于1978年6月27日，进入800km的近极地轨道。卫星被设计成每36小时提供交替的白天和黑夜覆盖，系统可以覆盖大约95%的地球海洋范围。

Seasat-1雷达遥感系统第一次实现了HH极化方式的空间L波段（23.5cm)数据获取，它的扫描带宽是100KM。

主要用于检测全球海洋表面波场和极地海洋冰清。2、SIR-ASIR-A雷达遥感系统于1981年11月从航天飞机上发射，与Seasat-1相比，SIR-A的天线（9.4m)可以以一个较大的视角照射地球表面。SIR-A是一个只采用HH极化方式的L波段（23.5CM)的系统，成图的宽度是50km,距离向与方位向分辨率都是40m。（光学记录方式）

3、SIR-B发射日期持续时间/d标称高度(km)波段极化方式视角/(0)相幅宽度/km方位分辨率/m距离分辨率/m19848225LHH15-6010-602515-45方位分辨率是25m，系统的距离分辨率是可变的，视角是600时候距离分辨率是15m,

150时候距离分辨率是45m。

可以研究在轨道上不同视角情况下的后向散射特性；可用于制作地形图和生成数字高程模型。4、SIR-C主要用于海洋、生态系统、水文学、地质学和云雨：海洋特性：海洋表面波动，海洋表面的风力运动和洋流运动以及冰的特性和分类；生态特性：土地利用、植被范围和类型、火灾影响、洪水和森林砍伐。水文学：湿地条件、土壤湿度、雪和冰川的覆盖；地质：地质结构制图，土壤侵蚀和沉积，火山的变化.ALOSALOS卫星是日本的对地观测卫星，ALOS卫星载有三个传感器：全色遥感立体测绘仪（PRISM），主要用于数字高程测绘；先进可见光与近红外辐射计－2（AVNIR－2），用于精确陆地观测；相控阵型L波段合成孔径雷达（PALSAR），用于全天时全天候陆地观测。发射时间：2006-01-24停飞使用时间：2011-04-22运载火箭：H-IIA卫星质量：约4000KG产生电量：7000W设计寿命：3-5年轨道：太阳同步，高度691.65KM，倾角98.16°重复周期：46天重访时间：2天数据速率：240MBPS(通过中继星)，120MBPS（直接下传）TerraSAR-X宽扫描成像模式(ScanSAR)、条带扫描成像模式(Stripmap)聚焦成像模式(Spotlight)（1）宽扫描成像模式宽扫描成像模式(SC)即ScanSAR模式，该模式拥有较大的幅宽、较低的空间分辨率。通过雷达波束在数个连续的子观测带之间的转换来实现大区域的观测成像，实际获取的观测带包含4个子观测带，其极化方式为单极化方式(HH或VV)，成像分辨率约为16m，数据采集范围为15°～60°,景幅大小约为100km×150km。TerraSAR-X（2）条带扫描模式

条带扫描模式(SM)即Stripmap模式，这是最常用的成像模式。通过沿飞行方向固定天线指向来实现。天线的轨迹在飞行系统运行时照亮的区域表面形成一个条带。其极化方式为单极化(HH或VV)、双极化(HH/HH、HH/HV、VV/VH)和全极化(HH/VV/HV/VH)三种。相应地，其成像分辨率在单极化方式时为3m，在双极化方式时为6m，数据采集范围为15°～60°,全效率范围为20°～45°,景幅大小在单极化方式时为30km×50km，双极化方式时为15km×50km。TerraSAR-X（3）聚束成像模式

聚束成像模式(SL)即Spotlight模式，该模式下控制雷达天线在整个成像时段内，照射所要求的区域，其持续时间要比标准的条带观测时间长，这样就能增加天线合成孔径长度并因此增加方位分辨率。这也是TerraSAR-X的最高分辨率拍摄模式。其极化方式为单极化(HH或VV)和双极化(HH/HV)。相应地，其成像分辨率单极化方式为1m(HS)，双极化方式为2m(SL),数据采集范围为15°～60°,全效率范围为20°～55°,景幅大小在单极化方式时为10km×10km,双极化方式时为5km×10km。TerraSAR-X

加拿大雷达卫星系列目前包括2颗卫星：RADARSAT-1、RADARSAT-2，RADARSAT系列卫星由加拿大空间署(CSA)研制与管理。RADARSAT-1卫星1995年11月发射升空，载有功能强大的合成孔径雷达（SAR），可以全天时，全天候成像，为加拿大及世界其他国家提供了大量数据。RADARSAT-1的后继星是RADARSAT-2卫星，它是加拿大第二代商业雷达卫星。RADARSAT-2卫星于2007年12月14日发射。与RADARSAT-1相比，RADARSAT-2卫星具有更为强大的功能。RADARSAT系列卫星的应用广泛，包括减灾防灾、雷达干涉、农业、制图、水资源、林业、海洋、海冰和海岸线监测。RADARSAT-1RADARSAT-1卫星RADARSAT-1卫星与其他卫星有所不同，它在地方时早晚6：00左右成像。它装载的SAR传感器使用C波段进行对地观测，具有7种成像模式（精细模式、标准模式、宽模式、宽幅扫描、窄幅扫描、超高入射角、超低入射角），25种不同的波束，这些不同的波束模式具有不同入射角，因而具有多种分辨率、不同幅宽。Co-fundedbyCanadianSpaceAgency(CSA)andMacDonaldDettwiler(MDA)DatacontinuityfromRADARSAT-1Missionduration:7years第五章：微波图像特点及应用第四节：典型地物的散射特性

不同的地物具有不同的电磁波反射和辐射特性，表现在遥感图像上具有不同的灰度或色调，而同一地物在不同波段图像上的色调也不尽相同，正因如此，可以利用遥感图像进行地物分析，识别地物，提取所需要的信息，掌握地物的波谱特征是十分重要的。第四节：典型地物的散射特性第四节：典型地物的散射特性

粗糙表面:绝大多数地物都可以认为是粗糙表面，只是粗糙程度不同，一般说