微波遥感讲课演示文稿-08-2

微波遥感MICROWAVEREMOTESENSINGPARTII辐射计原理辐射功率的温度表达式瑞利——金斯公式

在频带

Δf内积分辐射源有效面积为At与有效面积为Ar

的无损接收天线的距离为R设At与Ar

的最大方向系数所在方向相反距离R足够大可以认为辐射功率密度St

在立体角Ωr

范围内是一个常数那么天线所接收的功率为

P=StAr

辐射功率密度为St在半径为R的辐射球面单元dA上的辐射功率为

PA=StdA=StR2dΩ则辐射强度Ft=PA/dΩ=StR2

用辐射强度表示天线所接收的功率，有

P=FtAr/R2(Ft=StR2)具有有效面积At

的辐射源可以作为具有辐射方向图Ft(θ,φ)的点源辐射强度Ft也即辐射方向图在Ωr范围内按前述假设Ft(θ,φ)为一个常量为描述非相干辐射的具有一定分布的物质如某一种地物或天空可以给出下述辐射亮度定义

B=Ft/At用辐射亮度来表示天线接收的功率，有

P=BArAt/R2

(P=FtAr/R2B=Ft/At)具有有效辐射面积At的辐射源相对于天线中心所具有的立体角为

Ωt=At/R2(At=R2dΩt

)那么有P=BArΩt天线所接收的具有辐射亮度分布B(θ,φ)的分布型辐射源在天线坐标系中(θ,φ)方向上dΩ范围内的微分功率为

dP=ArB(θ,φ)Fn(θ,φ)dΩ(P=BArΩt)如果天线接收的信号频率范围为［f,f+△f］定义Bf(θ,φ)为频率带中，单位带宽的辐射亮度则天线所接收到的总功率可以表示为

P=Ar∫f

f+△f∫∫4πBf(θ,φ)Fn(θ,φ)dΩdfP=Ar∫f

f+△f∫∫4πBf(θ,φ)Fn(θ,φ)dΩdf这里是整个4π球面度上的辐射，实际上天线往往只接收到上述总功率的一半，即

P=(1/2)Ar∫f

f+△f∫∫4πBf(θ,φ)Fn(θ,φ)dΩdf若这里△f为1Hz带宽，则P=∫f

f+△fPf

df

(P=(1/2)Ar∫f

f+△f∫∫4πBf(θ,φ)Fn(θ,φ)dΩdf)其中

Pf=(1/2)Ar∫∫4πBf(θ,φ)Fn(θ,φ)dΩ

Pf称为谱功率

上式中的积分部分称为辐射源的谱通量密度Sf

Sf=∫∫4πBf(θ,φ)Fn(θ,φ)dΩ若将一个无损天线置于一个具有恒定温度的黑体箱内，根据上式和瑞利—金斯公式，天线所接收的黑体辐射功率为Pbb=(1/2)Ar∫f

f+△f∫∫4π(2KT/λ2)Fn(θ,φ)dΩdf(P=(1/2)Ar∫f

f+△f∫∫4πBf(θ,φ)Fn(θ,φ)dΩdf)假设天线接收功率限于一窄带△f内，认为Bf

近似为一个常数，则Pbb=KT△f(Ar/λ2)∫∫4πFn(θ,φ)dΩ(Pbb=(1/2)Ar∫f

f+△f∫∫4π(2KT/λ2)Fn(θ,φ)dΩdf)天线辐射图立体角ΩP=∫∫4πFn(θ,φ)dΩ，且ΩP=λ2/Ar，于是

Pbb=KT△f对黑体的理解分析一般物体——灰体亮度温度——物体实际辐射时的温度视在温度

（表观温度）——

入射到天线的辐射能量所表现出的温度

航天和航空微波遥感平台美国海军研究实验室A.H.Taylor等人1922年研制雷达1923年研制脉冲雷达1934年第一次尝试用脉冲雷达检测目标工作频率为60MHz早期的成像雷达在阴极射线管上显示图像50年代研制出侧视机载雷达SLAR阴极射线管上显示图像胶片记录1965年到1966年，美国利用SLAR获得了大约五十万平方公里的图像天线15m长，可以得到分辨力较高的图像1952年Wiley研制出一种“多普勒波束锐化”系统1961年美国密执安大学和一些公司的研究成果新型的成像雷达——合成孔径雷达问世只须较小的天线就可以获得很高分辨力的图像使具有较好分辨力的航天成像雷达有可能实现此间，法、英和前苏联也开展了类似的研究工作SLAR最初用于地质研究1967年美国和巴拿马政府在多云山地的测绘计划第一次利用雷达图像所采用的系统是西屋公司的真实孔径雷达AN/APQ-971969年该系统成为商品，广泛应用于世界各地不久，合成孔径雷达GEMS也开始投放市场七十年代，美国密执安环境研究所和喷气推进实验室研制出1.25GHz和9GHz的合成孔径雷达系统具有多极化的功能1946年迪克提出第一个实用开关式的辐射计辐射计都是在迪克式辐射计基础上改进发展起来现已研制出噪声注入控制零平衡反馈辐射计双参考温度自动增益控制辐射计和成像辐射计单频段的辐射计已发展为有两频段以上的多频段辐射计天线从一般固定的抛物面天线发展到先进的扫描式相控阵天线温度分辨力已从最初的数°K提高到0.02°K1967年美国第一次用双频道微波辐射计测量金星表面温度微波传感器开始用于空间遥感在美国、前苏联等发射的宇宙飞行器和气象卫星上不断地进行了利用微波传感器的尝试1968年前苏联发射“宇宙─243”卫星第一次用微波辐射计进行对地球的微波遥感1972年以后美国相继发射“雨云”气象卫星系列“天空试验室”和“海洋卫星─A”等进行了一系列空间微波遥感试验特别是1978年“雨云─7”卫星和“海洋卫星─A”发射成功标志着微波遥感技术进入了一个新的阶段1978年到1998年国际上共5个型号6颗对地观测民用星载雷达卫星美国的Seasat(海洋卫星)前苏联的Almaz(金刚石)卫星日本的JERS(地球资源卫星)欧洲空间局的ERS(欧洲遥感卫星)1号和2号加拿大的Radarsat(雷达卫星)此外，一颗测雨雷达卫星海洋卫星雷达美国NASA于1978年6月28日发射装载了一个微波雷达(L波段)，一个微波辐射计和一个可见光／近红外辐射计运行轨道近圆形，轨道平面与赤道平面交角108°每天绕地球14圈，飞行高度800km仅运行了105天(因电路短路)金刚石卫星雷达ALMAZ—1(金刚石1号)卫星由前苏联于1991年3月31日发射上天用于对地观测的一颗卫星第一颗S波段星载SAR系统由于故障原因，10个月后卫星终止工作日本地球资源卫星雷达1992年2月11日地球资源卫星1号(JERS—1)星上装载光学传感器和合成孔径雷达L波段HH极化雷达与太阳同步的轨道高度为568km轨道倾角为97.7°每天绕地球运行15圈欧洲遥感卫星雷达ERS—11991年7月16日发射升空C波段VV极化雷达主要应用目的是：研究海洋环流、洋流、潮汐及内波传播了解全球风与波浪的关系分析极地冰盖及海冰探测海底地形并监测海面温度进行包括地质、农业、森林、冰川在内的陆地应用研究1995年，ERS-2SAR发射上天两个卫星可以1天或8天的时间间隔对给定地区成像加拿大雷达卫星(Radarsat)C波段VV极化雷达提供冰情和海况信息勘测可再生资源(如农业和林业)和不可再生资源(如地质)监视加拿大沿海有海冰和冰山的水域监测和支援沿海和近海水域内的人类活动对森林资源进行一年一度的调查连续监测加拿大和其它国家农业地区的作物长势用雷达立体像对测绘全球以供地质勘探和制图应用RADARSAT五种工作模式不同入射角范围信号补偿不同照射带不同的范围要求不同分辨率

不同的应用要求1标准波束，入射角20°～49°，成像宽度为100Km，距离及方位分辨率为28m×15m;2宽辐射波束，入射角20°～40°，成像宽度为150Km,分辨率为28m×35m;3高分辨率波束，入射角37°～49°，成像宽度为45Km，分辨率为10m×10m;4扫描雷达波束，入射角20°～49°，成像宽度为300Km，分辨率为50m×50m,或100m×100m;5试验波束，入射角49°～59°，成像宽度为75Km，分辨率为28m×30m。

与已有的星载SAR系统比较RADARSAT有如下特点:1具有45，75，100，150，300和500km六种不同宽度成像能力。2分别为11.6,17.3，30.0MHz的调频带宽，使成像分辨率可调。3复盖全球周期短，每天可复盖北纬73°至北极全部地区。3天可复盖加拿大及北欧地区，24天可复盖全球。赤道卫星测雨雷达赤道地区降雨测量计划(TRMM)卫星测雨雷达(PR)空间测雨的第一颗雷达卫星美国和日本联合进行为期三年研究占全球降雨3／4的赤道及近赤道地区的降雨分布分析全球变化以加强对全球能量和水循环的理解分析世界降雨对陆地、海洋、以及大气地球物理运动的作用以利于环境保护以5°5°的间隔计算北纬37°和南纬37°之间地区的月平均降雨量TRMM卫星于1997年11月28日在日本Tanegashima空间中心发射35°倾角圆形轨道高程350km五个传感器：测雨雷达(PR)，微波成像计(TMI)，可视红外扫描仪(VIRS)，闪电成像传感器(LIS)和云／地辐射能量测量系统(CERES)。其中TMI是一个多波段微波辐射计，有5个工作频率，9个数据通道(两种极化状态)，可以测量积分列降雨成分的实际分布、强度及降雨类型；VIRS有5个数据通道，提供高分辨率的云覆盖类型及顶部温度方面的高分辨率信息。PR工作频率为13．8GHz(K,2.17cm)，天线为槽状波导阵列，天线孔径为2.1m*2.1m，飞行向空间分辨率4.3km，距离向分辨率为250m，距离向扫描宽度为220km，扫描间隔0.71°，即每0.6秒扫描一次。垂直观察范围为地面至地面以上15km。PR最小可探测降雨速度为0．7mm/h。航天飞机雷达系统1981年发射航天飞机成像雷达1号(SIR-A)已发射了航天飞机成像雷达2号(SIR-B)和3号(SIR-C／X-SAR)，2000年2月为期11天的航天飞机雷达地形测图计划(SRTM)。1984年10月5日SIR-B搭载在挑战者号航天飞机升空入轨L波段HH极化采用数据数字处理系统双带宽倾斜天线视角在15°到60°之间变化变化视角能提供观测期间连续几天对特殊目标的多入射角图像。(SIR-A对地观测使用固定视角47°成像数据采用光学记录方式和处理)标称圆轨道，交角为57°，前20轨平均高度为360km，21～29轨为235km，8.3天飞行期间为225km。SIR—C／X—SAR系统

SIR-C成像雷达系统SIR—A和SIR—B之后美国NASA的第三个装载在航天飞机上的雷达系统在同一个航天飞机上的还有德国空间局(DRL)和意大利空间局(SAI)研制的X-SAR系统这两个系统又统称为SIR-C／X-SAR系统SIR—C／X—SAR为空间雷达实验室(SRL)的一部分它搭载在奋进号航天飞机上于1994年4月和10月开展了两个为期10天的成像飞行SIR-C／X-SAR有三个工作波段：L波段(波长24cm)，C波段(波长6cm)，X波段(波长3cm)其中，L和C波段均有4种极化方式(HH，HV，VH，VV)X波段SAR为VV极化方式俯角在15°~55°范围内可变该系统还能提供极化测量和干涉测量的雷达数据与其它系统比较，SIR-C／X-SAR有3个显著特点：①运行在地球卫星轨道高度的第一部多波段成像雷达②运行在地球卫星轨道高度的第一部高分辨率4种极化同时成像的雷达③第一部在两个季节成像的多参数航天雷达。机载成像雷达系统机载雷达系统是雷达遥感发展的基础，也是星载雷达的试验及模拟系统，在雷达遥感科学的发展中起着重要的作用。由于20世纪60年代末至70年代中期机载SAR的蓬勃发展，使SeasatSAR，SIR—A，SIR—B等成为可能，并进而形成90年代星载SAR遥感的高潮。

因此，机载雷达遥感的重要性至少体现在两个方面：①机载SAR遥感本身具有不可替代的作用；②它是发展星载SAR必不可少的试验平台。

中国机载雷达系统我国十分重视雷达遥感技术的发展20世纪70年代后期中国科学院电子学研究所开始研制机载合成孔径雷达“六五”计划期间研制成功单通道、单侧视方向X波段SAR“七五”期间研制成功了多测绘通道、多极化SAR系统1．CAS／SAR系统研制工作从1977年正式开始，其发展过程可分为三个阶段

1)SAR原理实验系统

SAR原理实验系统是一个最基本的雷达系统工作频率为X波段脉冲重复频率为1000Hz脉冲宽度为1.2μm脉冲峰值功率为1kW

系统安装在苏制TY—4轰炸机上航高6000～7000m航速450km／h测绘带宽9km最大作用距离24km由于没有采用脉冲压缩技术，距离向分辨率为180m。方位向采用合成孔径技术，分辨率为30m。2)单测绘通道SAR系统1983年研制成功采用表面声波器件进行脉冲展宽和压缩3)多测绘通道多极化SAR系统

1987年系统(正式命名为CAS／SAR)研制成功。

工作模式即作用距离或通道系统的主要特点有：①能适应多种型号的载机既能装载在喷气式飞机上作高空飞行，又能装在螺旋桨飞机上开展中、低空作业：②天线波束俯视角可变；③采用多极化成像技术，获得HH、HV、VH、VV四种极化图像；④采用多测绘通道成像技术，总的测绘宽度达35km；⑤既可以左侧视，又可以右侧视；⑥具有实时对地数据传输功能。“九五”期间研制发展了我国第一部L波段成像雷达系统并在此基础上开展研制我国星载雷达系统的工作这一成果不仅为我国提供了实用的雷达对地观测技术也为我国星载SAR的发展奠定了重要的技术基础使我国跻身于国际上为数不多的几个能研制SAR的国家行列之中2．L-SAR系统在国家863高技术计划支持下，电子学研究所研制成功我国第一部L波段雷达系统。是我国继x波段机载合成孔径雷达研制成功之后，为配合星载SAR研究及其运行后的使用而自主开发研制的另一套实用机载成像雷达系统。

L-SAR系统主要技术指标如下奖状Ⅱ型飞机飞行高度：6000～10000m飞行速度：550km／h

雷达工作参数工作波段L波段极化方式HH、VV(地面换装天线)侧视方向左、右(机上手动选择)美国机载雷达系统1．AIRSAR系统1986年，NASA／JPL开始研制一部机载SAR系统其目的是用于SAR遥感领域新概念及技术的发展研究同时还是一部实用系统这部以CV-990为平台的系统毁于一场大火此后，在此基础上于1988年研制出一部新的以NASADC-8飞机为平台称作为AIRSAR的系统系统特征

AIRSAR三个波段同时工作：C波段(5.6cm)L波段(25cm)和P波段(68cm)有三个工作模式：极化模式(POLSAR)，交叉轨道干涉测量(TOPSAR或XTI)模式及方位向干涉测量(AlongTrackInterferometricSAR)全极化模式每个波长的雷达都可以发射和接收水平和垂直极化雷达波2．Twin-OtterSAR系统新墨西哥州的Sandia国家实验室研制一种多模式SAR样机，能够工作在4个波段：Ka波段(32.6～37.0GHz)，Ku波段(14～16GHz)，X波段(7.5～10.2GHz)，及VHF／UHF波段(125～950MHz)SAR系统以聚束模式(spotlight)和条带制图模式(stripmap)实时生成高分辨率的雷达图像。图像的形成是通过合成孔径的图像形成方式和相位梯度自动聚焦(Phasegradientautofocus)算法，并通过高精度的运动测量和补偿实现的。Twin-Otter飞机为SAR系统提供了灵活的低费用平台。SAR样机设计适用性广，能够相当容易地改变数百个参数，以适应新的试验需要。3．STAR-3I系统1996年11月，IntemapTechnologiesInt．开始运行用于地形高程测量的合成孔径干涉雷达系统该系统由密执安环境研究所(ERIM)和NASA／JPL联合研制已被用于国际上的商业制图应用项目包括地形制图、资源勘探、资源管理、通讯及交通规划等领域

STAR-3I系统主要采用X波段干涉雷达测量技术实现了机载单程交轨干涉SAR测量技术

4．休斯SAR系统1996年，休斯飞机制造公司研制成本低的X波段合成孔径雷达系统(HISAR)用于进行实时的机载雷达勘测和调查HISAR有从预选或操作员选择模式快速转换的能力能提供高分辨率图像和精确的地面移动目标图层(GroundMovingTargetOverlay)该系统有三种工作模式：模式l：24m分辨率的宽地域搜索模式(wideareasearchmode)60°方位视角，刈幅74km

模式2：6m分辨率的条带制图模式刈幅37km

模式3：1.8m分辨率的点模式(spotmode)覆盖4.8km*2.8km大小的地域5．GeoSAR系统

NASA／JPL与加利福尼亚州资源保护局和Calgis公司联合建造的机载雷达系统系统由P波段和X波段构成每分钟可获取249km2的数据第一个能获得植被冠层下，冠层上和冠层之间信息的系统还具有干涉测量的能力能获得高分辨率的三维图像6．P-3SAR系统密执安环境研究所的P-3SAR系统在参数设计上与AIRSAR非常相似同样为全极化机载成像雷达系统工作在X、C、L3个波段

有两种工作模式在120MHz带宽模式下，斜距刈宽4.9km，分辨率1.2m*2.1m在60MHz带宽模式下，斜距刈宽9.8km，2.4m*2.4m的分辨率地面辐照宽度取决于入射角(范围0～85°)大小及飞机飞行高度(3～8km)近年来该系统重点对海冰等目标进行了飞行日本机载雷达系统CRL/NASDASAR系统日本通讯研究实验室和日本宇宙事业开发团在1993年至1996年期间联合研制出一种新型多波段SAR系统该系统装载在GulfstreamⅡ飞机上飞机的飞行高度在6000m—12000m地面速度150m／s～250m／s1996年首次对此系统进行了飞行试验X波段的距离向和方位向分辨率(经4视处理后)均为1.5mL波段的距离向和方位向分辨率为3m两个波段的SAR系统都有全极化能力X波段SAR具有对地形测绘的功能通过装在飞机上的两个垂直极化天线进行交轨干涉测量生成在景内每个点的地形高程NEC干涉测量SAR系统NEC公司研制的K波段重复轨道机载INSAR系统装载在Cessna208小型飞机上有两个用于干涉SAR测量的天线重复轨道的基线距离32m，雷达波长3.1cm，斜距6000m入射角60°斜距分辨率5m加拿大CV—580SAR系统加拿大遥感中心拥有CV-580SAR系统兼顾科研与实用的机载成像雷达系统于1988年投入运行该系统有C波段(5.66cm)和X波段(3.24cm)4个极化的成像能力，数字记录数据采集有两种分辨率模式6m*6m(高分辨率)和10m*10m(低分辨率)

三种工作模式不同的照射宽度和成像几何：天底模式(nadirmode)(视角0°~74°模式；条带宽度22km)窄条带模式(narrowswathmode)(视角45°～73°，条带宽度18km)宽条带模式(视角45°～85°，条带宽度63km，只有低分辨率)每个SAR有两个接收机和4个极化天线，能够接收同极化和交叉极化的雷达回波该系统具有先进的干涉测量和极化测量功能德国E—SAR系统德国宇航院研制曾参与了诸如ERS—1及SIR—C／X-SAR大型星载SAR的研制用于测试最新发展技术和信号处理算法的专用系统近年来，广泛地用于农业、林业、地质、军事等领域E-SAR是一个装载在DonierDO228型小型飞机上的多参数雷达系统目前，该系统可工作在P，L，C和X波段垂直和水平极化方式可选E