微波遥感讲课演示文稿-12-1

微波遥感MICROWAVEREMOTESENSINGPARTISEASATSIR-ASIR-BSIR-CERS-1ERS-2JERS-1RADARSATENVISATALOS••••••我国发射环境与灾害监测小卫星星座2+2包括两颗雷达卫星微波遥感空前发展全天时全天候一定的穿透能力提供特殊信息

海面形状,海面风速,土壤水分提供相位信息

高程信息,地形形变信息波长与频率

c=f*l=3*108米/秒

1mm——300GHz1m——0.3GHz主动与被动工作方式

成像雷达与微波辐射计不利之处影像几何变形大,处理困难不易解译与可见光红外影像在几何上很难一致尤其雷达影像电磁波基本特征叠加

两波相遇点上的物理量等于各个波的物理量之和相干性

两波相遇时的特殊情况(相位/相位差/频率/振动方向相同)相干波矢量和非相干波代数和单色波都是相干波衍射波与某些物体相遇时的情况极化

(偏振)电场场强振动方向的变化趋势参考平面——入射波方向和地表法线方向水平极化(振动方向与参考平面垂直)垂直极化四种极化方式多普勒效应

发出时频率f接收时f´目标朝向f´>f背离f´<f目标与接收天线的连线垂直于飞行方向f´=f辐射原理物质内部微粒在平衡位置上运动能量E=h*v(h为普朗克常数，v为频率)基态——>激发态——>基态+能量释放(辐射)外来能量ΔE=h*v'

黑体与电磁辐射定律普朗克公式随波长不同的辐射变化斯蒂芬——玻耳兹曼定律某一温度状态下的辐射总和(普朗克公式的积分)2π5k4W=—————T4=σT4

15c2h3

维恩定律辐射温度越高辐射量最大值所对应波长越短(普朗克公式的微分)瑞利——金斯公式(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5.0mm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M31克)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TE（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）

入射方向的功率密度S0（θ0Φ0）

地表A接收能量S0A在（θ0Φ0

）方向上的投影面上，接收的能量S0Acosθ0散射方向（θsΦs

）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

σ=

cosθ散射截面4πR2SS/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

(σ=cosθ)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①具体公式见第五节②与雷达中的接收机不同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

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:水体天线天线

辐射方向图方向(θ,φ)上单位立体角辐射功率发射、接收皆如此主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

dΩ=sinθdθdφ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，进入自由空间的电磁波功率为Po一部分能量Pl在天线中耗散为热能辐射效率

Poηl=──

Pt天线在某一方向(θ,φ)上的增益G(θ,φ)

Sr(θ,φ)G(θ,φ)=─────Sri

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的总功率为Poi=4πr2Sri

实际天线辐射的总功率由Sr(θ,φ)在半径为r的球面内积分得Po=∫∫Sr(θ,φ)r2

dΩ=r2∫∫Sr(θ,φ)dΩ4π4π(Po=∫∫Sr(θ,φ)dA,dA=r2dΩ)由于Pt=Poi=Po/ηl

，故有(由Po=∫∫Sr(θ,φ)r2dΩ)

PoiPo1Sri=───=────=──∫∫Sr(θ,φ)dΩ4πr24πr2ηl4πηl4π4πηlSr(θ,φ)G(θ,φ)=─────────=ηl·D(θ,φ)∫∫Sr(θ,φ)dΩSr(θ,φ)(由=────)Sr(θ,φ)max天线辐射功率密度Sr

与天线输入功率Pt的对应关系

G(θ,φ)Po/r2

Pt

G(θ,φ)Sr(θ,φ)=───────=──────4πηl4πr2

(由G(θ,φ)=Sr(θ,φ)/Sri

Sri=Po/4πr2ηlPt=Poi=Po/ηl)

（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Wt,天线增益为Gt，地物目标在与天线相距R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Wor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、地物穿透、吸收。理想状态的分析。)如果其有效的散射面积为σ，那么它的总的散射功率就应为

Wt

Gt

Woe=────σ4πR2回波同样是球面波，是以地物目标为中心的球面波。这样，在雷达接收天线处单位面积上的回波功率即为

WtGt1

Wrr

=────σ────4πR24πR2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:

Wt

Gt1

Wr=────σ────Ar4πR24πR2由最大方向系数

，考虑无耗天线

(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Gr

与发射天线增益Gt

是相等的，它们与接收天线有效面积下波长λ之间的关系是∵)所以，有

WtG2λ2σWr=──────(4π)3R4

∵Wt

Gt1

Wr=────σ────Ar4πR24πR2一般用地物单位面积的平均散射系数σo

(或地物单位面积的散射截面)表达地物的散射特性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σ为σ=σoA对于分布目标的雷达方程为

WtG2λ2

Wr=──────σoA(4π)3R4

灰度方程

分辨单元内可能是同一地物可能是不同地物或同一地物不同状态不同粗糙度的个体或样本N个样本

随机分布的散射中心(即N个独立样本)于是有

归一化高斯随机变量，即其均值为零，方差为1。

WtG2λ2

Pr=────A(1+Rn/√N)σo=K(1+Rn/√N)σo

(4π)3R4

其中

WtG2λ2K=────A

(4π)3R4回波功率的大小由雷